吳培良, 王智偉, 孔德明, 崔永強(qiáng), 馬勤勇

(1.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 2.燕山大學(xué) 河北省計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

1 引 言

對(duì)海上石油開采、輪船運(yùn)輸導(dǎo)致海面溢油污染問題進(jìn)行治理、改善是海洋環(huán)境保護(hù)工程中刻不容緩的重要工作[1],而對(duì)海面溢油進(jìn)行準(zhǔn)確和快速的定位、識(shí)別和有效探測(cè)溢油量是治理溢油污染的基礎(chǔ)與前提。因此,研究快速高效的海面溢油探測(cè)手段,對(duì)溢油污染治理和海洋生態(tài)環(huán)境的盡快恢復(fù)具有重要意義[2]。

激光誘導(dǎo)熒光(laser-induced fluorescence,LIF)技術(shù)被認(rèn)為是目前較為有效的海面溢油遙感探測(cè)技術(shù)之一,其具有靈敏度高和可以直接探測(cè)出溢油種類等優(yōu)點(diǎn)[3～6]。近年來相關(guān)學(xué)者依據(jù)LIF探測(cè)機(jī)理在海面薄油膜厚度評(píng)估方面做了比較深入的探討[7～10],獲取了比較完善的海面薄油膜的評(píng)估體系。此外,崔永強(qiáng)等[11]還對(duì)基于LIF技術(shù)的海面較厚油膜(20～800 μm)的評(píng)估算法開展了研究,提出一種利用熒光信號(hào)評(píng)估較厚油膜的反演算法并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。隨著油膜厚度增加,熒光信號(hào)逐漸趨于飽和,該方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)厚油膜(>800 μm)的有效評(píng)估。依據(jù)LIF探測(cè)海面溢油的現(xiàn)實(shí)情況以及已有研究表明:紫外或可見光波段的光照射油膜而產(chǎn)生的反射信號(hào)與油膜厚度也具有較高的相關(guān)性[12～16]。

因此,以紫外波段的激光為光源,采集不同油膜厚度下從氣-油界面反射以及折射入油膜中經(jīng)衰減后由油-水界面反射最終再經(jīng)油-氣界面折射出的總體激光信號(hào)可以用來評(píng)估油膜厚度。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此項(xiàng)技術(shù)還主要集中于油膜受激產(chǎn)生的熒光和采用水體拉曼散射光開展對(duì)海面溢油探測(cè)研究,而利用已經(jīng)存在的激光信號(hào)來探測(cè)海面溢油信息迄今還未見有關(guān)相應(yīng)的報(bào)道,要重新找回該信號(hào)的作用并對(duì)其進(jìn)行合理、有效的分析與處理以達(dá)到探測(cè)海面油膜的目的,亟需一款能夠穩(wěn)定、可靠地接收來自海面溢油激光反射信號(hào)的激光探測(cè)系統(tǒng)(laser detection system,LDS)。

為此,本文研究了一種能精準(zhǔn)定位并準(zhǔn)確接收海面溢油激光反射信號(hào)的LDS,并對(duì)該系統(tǒng)激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)的位姿協(xié)調(diào)方法進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射出的激光和從海面溢油反射到系統(tǒng)接收裝置的激光強(qiáng)度之間的關(guān)系,構(gòu)建出能正確評(píng)估油膜厚度的數(shù)學(xué)模型,再對(duì)其反演便可得海面溢油的油膜厚度。

2 LDS組成結(jié)構(gòu)、原理及協(xié)調(diào)控制方法

2.1 LDS組成結(jié)構(gòu)

LDS組成結(jié)構(gòu)及激光束傳播圖如圖1所示,系統(tǒng)由激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、激光接收機(jī)構(gòu)、角度協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)和增穩(wěn)云臺(tái)等組成,其中角度協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)包括半徑為R長度為L的導(dǎo)軌以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滑座和云臺(tái)等。針對(duì)外界環(huán)境或載體自身晃動(dòng)致使LDS穩(wěn)定性差的問題,提出采用增穩(wěn)云臺(tái)將LDS掛載于載體上,依靠增穩(wěn)云臺(tái)的俯仰、橫滾運(yùn)動(dòng),可最大程度減少外界環(huán)境或載體自身晃動(dòng)對(duì)LDS穩(wěn)定性的影響,進(jìn)而保證探測(cè)機(jī)構(gòu)能垂直于海面開展溢油探測(cè)。

圖1 LDS組成結(jié)構(gòu)及激光束傳播圖Fig.1 LDS composition structure and laser beam propagation diagram

為研究激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)之間位姿調(diào)控方法,所建立的系統(tǒng)坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)分析如圖2所示。

圖2 LDS協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系分析圖Fig.2 LDS coordinated motion coordinate system analysis chart

由圖2可見,選擇以弧形導(dǎo)軌的中點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系Oc(xc,yc)。經(jīng)分析得知,當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)不同海面高度時(shí),激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)需實(shí)時(shí)調(diào)整位姿以使二者光軸與海面相交的點(diǎn)重合于O1、O2點(diǎn)。海面1、海面2分別為不同高度探測(cè)時(shí)所對(duì)應(yīng)的海面。以原點(diǎn)為分界點(diǎn),激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)分別位于導(dǎo)軌左右兩側(cè),兩者始終同步移動(dòng)以保持機(jī)構(gòu)在左右兩側(cè)的對(duì)稱位置不變。此外,增穩(wěn)云臺(tái)的重心O0點(diǎn)位于yc正半軸上,弧形導(dǎo)軌的圓心O3以及機(jī)構(gòu)光軸與海面的交點(diǎn)O1、O2在yc負(fù)半軸上。

2.2 LDS原理

綜合考慮LDS工作特點(diǎn)及其調(diào)控的合理性,通常選左右兩側(cè)距弧形導(dǎo)軌中點(diǎn)1/2處,即圖2中A、B兩點(diǎn)為激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)的工作位置。由LDS組成結(jié)構(gòu)示意圖可知,受機(jī)構(gòu)以及云臺(tái)自身尺寸的制約,圖2中的探測(cè)角被限制在αi≤θi≤βi以及αr≤θr≤βr區(qū)域內(nèi),在此區(qū)域通過云臺(tái)俯仰運(yùn)動(dòng)可實(shí)時(shí)、連續(xù)調(diào)整探測(cè)角度,以滿足不同高度探測(cè)的需要。

當(dāng)LDS探測(cè)高度上升致使探測(cè)角度小于限制區(qū)域時(shí),需要移動(dòng)激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)至新的合適位置,以保證LDS可準(zhǔn)確接收激光反射信號(hào)并對(duì)油膜厚度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。當(dāng)LDS探測(cè)高度下降致使探測(cè)角度大于限制區(qū)域時(shí),激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)位置也要做相應(yīng)的調(diào)整。

2.3 LDS協(xié)調(diào)控制方法

當(dāng)探測(cè)高度為H0,且兩個(gè)機(jī)構(gòu)分別位于A、B兩點(diǎn)時(shí),設(shè)A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(-xA,-y1)、B(xB,-y1),其中,

(1)

由式(1)可知探測(cè)角θi和θr為

(2)

式中:αi=αr、βi=βr分別為系統(tǒng)最小、最大限制角。

此時(shí)激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)的云臺(tái)俯仰角Δγi和Δγr分別為

(3)

式中:γi、γr分別為激光發(fā)射、接收機(jī)構(gòu)云臺(tái)初始角;Δγi>0表示云臺(tái)向上俯仰;Δγi<0云臺(tái)向下俯仰;Δγr的正負(fù)表示含義與Δγi相同。

由式(2)可知當(dāng)機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上的位置不變時(shí),激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)的最大、最小探測(cè)高度Hmax、Hmin為

(4)

當(dāng)探測(cè)高度上升h1且此時(shí)如需把激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)調(diào)整到圖2中A′(-xA′,-y2)、B′(xB′,-y2)位置,則調(diào)整方法為

(5)

由式(5)可知此時(shí)的探測(cè)角κi、κr分別為

(6)

式中:ξi=ξr、ωi=ωr分別為系統(tǒng)最小、大限制角。

此時(shí)激光發(fā)射和接收機(jī)構(gòu)的云臺(tái)俯仰角Δφi和Δφr分別為

(7)

(8)

3 油膜厚度反演算法研究

有油膜海水和無油膜海水的激光反射光譜如圖3所示。

圖3 有油膜海水和無油膜海水的激光反射光譜圖Fig.3 Laser reflection spectra of sea water with and without oil film

由于氣-水界面和氣-油界面反射系數(shù)不同,致使無油膜海水和有油膜海水的激光反射信號(hào)有明顯差異。此外,折入油膜內(nèi)經(jīng)衰減后由油-水界面反射最終再經(jīng)油-氣界面折射出的激光信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著油膜厚度的增加呈指數(shù)衰減,依據(jù)其衰減程度可反演出油膜厚度。

設(shè)激光初始強(qiáng)度為L0,根據(jù)朗伯-比爾定律可知,到達(dá)氣-水界面和氣-油界面時(shí)的激光強(qiáng)度為

(9)

式中K表示大氣中的衰減系數(shù)。

激光在無油膜海水表面反射并進(jìn)入接收機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度Lwt(λ)為

(10)

式中:Ω為接收立體角;r1為氣-水界面的反射系數(shù)。

當(dāng)激光照射有油膜海水時(shí),在氣-油界面發(fā)生的反射能量Lor(λ)表示為

Lor(λ)=r2·L1(λ)

(11)

式中r2為氣-油界面反射系數(shù)。

另外,由圖1(b)可見,激光折入氣-油界面后經(jīng)過油膜衰減在油-水界面反射最終經(jīng)油-氣界面折出的離水輻射信號(hào)Lou(z,λ)為

Lou(z,λ)=

(12)

式中:r3為油-水界面反射系數(shù);r4為油-氣界面反射系數(shù);θj為光在油膜內(nèi)的折射角;這3個(gè)參數(shù)可由菲涅爾反射定律和斯涅耳公式計(jì)算獲得[17];βL為油膜的消光系數(shù);z為油膜厚度。

理論上,氣-油界面反射信號(hào)和離水輻射信號(hào)會(huì)經(jīng)高度為H0的大氣層被接收機(jī)構(gòu)接收。因此,進(jìn)入接收機(jī)構(gòu)的總強(qiáng)度Lot(λ)為

Lot(λ)=

(13)

綜上所述,有油膜海水和無油膜海水的激光反射信號(hào)強(qiáng)度之比可表示為

(14)

令N=(1-r2)r3(1-r4),則由式(14)可得油膜厚度z為

(15)

由式(15)可知,當(dāng)探測(cè)條件和油種一定時(shí),θj、r1、r2、N、Lwt(λ)和βL為常量,而不同厚度油膜的激光反射強(qiáng)度Lot(λ)不同,故將Lot(λ)代入式(15)可得到油膜厚度。海面波動(dòng)會(huì)使油膜分布不均勻,從而影響油膜厚度評(píng)估,因此在實(shí)際環(huán)境中,應(yīng)多點(diǎn)、多次探測(cè)并最終取測(cè)量結(jié)果平均值。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)搭建的海面溢油LDS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括AvaSpec-ULS2048光譜儀、LSR405NL激光器、準(zhǔn)直鏡、支架、底面半徑為10 cm的圓柱形容器、滴管和移液器,激光器功率可調(diào),最大為1 W。采用AvaSoft8軟件將采集到的光譜波段設(shè)置為390～420 nm,積分時(shí)間為200 ms,實(shí)驗(yàn)所用油品為原油和白油的混合油(1:50),海水為渤海灣海水。

圖4 海面溢油LDS實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Schematic diagram of sea surface oil spill LDS experiment

如圖4所示,將電源、光譜儀、計(jì)算機(jī)和支架放置在實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)平臺(tái)上,激光器和準(zhǔn)直鏡裝設(shè)在支架上,然后將裝有海水的容器置于兩個(gè)支架中間位置,調(diào)整激光器、準(zhǔn)直鏡至水面距離為70 cm,二者與水面的角度為10°,激光入射角與準(zhǔn)直鏡接收角相等,故實(shí)驗(yàn)LDS可收集到激光在氣-水界面或氣-油以及油-水界面的反射信號(hào)。本文設(shè)置了2種不同的激光功率,在不同功率下采集數(shù)據(jù)時(shí),探測(cè)角度和高度保持不變。

在不同激光功率下,首先采集無油膜海水的激光反射光譜,然后保持實(shí)驗(yàn)LDS的探測(cè)條件不變,用移液槍將一定量的油滴滴入裝有海水的容器中,在油膜擴(kuò)散均勻后采集有油膜海水的激光反射光譜。實(shí)驗(yàn)中制備了8組不同厚度油膜樣品,油膜厚度通過滴入容器中的油量與油膜面積的比率來計(jì)算。為了采集更全面、更準(zhǔn)確的光譜數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)前先將激光器預(yù)熱,待其功率穩(wěn)定后再采集光譜數(shù)據(jù),且分別采集10次無油膜海水和有不同厚度油膜海水的激光反射光譜數(shù)據(jù),最后將無油膜海水和一定厚度油膜海水的10次光譜數(shù)據(jù)的平均值作為二者的最終激光反射光譜。

不同激光功率下無油膜海水和厚度z為100 μm油膜海水的10次激光反射光譜采集結(jié)果如圖5所示,圖5(a)和圖5(b)激光功率為0.68 mW;圖5(c)和圖5(d)激光功率為0.72 mW。

圖5 不同激光功率下無油膜海水和厚度為100 μm油膜海水激光反射光譜的10次采集結(jié)果Fig.5 10 times acquisition results of laser reflection spectra of sea water without oil film and with 100 μm thickness of oil film under different laser power

不同激光功率下無油膜海水和不同厚度油膜海水激光反射光譜最終采集結(jié)果如圖6所示,圖6(a)和圖6(b)激光功率為0.68 mW;圖6(c)和圖6(d)激光功率為0.72 mW。

圖6 不同激光功率下無油膜海水和不同厚度油膜海水激光反射光譜的采集結(jié)果Fig.6 Collection results of laser reflection spectra of sea water without oil film and sea water with different thickness under different laser intensity

4.2 數(shù)據(jù)處理及分析

實(shí)驗(yàn)油品的相關(guān)參數(shù)已在實(shí)驗(yàn)室獲取。激光波段的消光系數(shù)為30.2/cm,折射率為1.49。此外,根據(jù)無油膜海水激光反射光譜的10次采集結(jié)果可知,在上述探測(cè)條件下,不同激光功率對(duì)應(yīng)的無油膜海水激光反射信號(hào)的平均強(qiáng)度為28 000 a.u.和33 000 a.u.。將以上參數(shù)以及不同厚度油膜海水激光反射信號(hào)強(qiáng)度帶入式(15)可計(jì)算油膜厚度。

用本文算法計(jì)算不同激光功率下油膜厚度與實(shí)際厚度的對(duì)比如圖7所示。

圖7 不同激光功率下油膜厚度與實(shí)際厚度評(píng)定結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison of evaluation results of oil film thickness and actual thickness under different laser power

用本文算法計(jì)算不同激光功率下油膜厚度與實(shí)際厚度之間的相對(duì)誤差,結(jié)果如表1和表2所示。表1和表2中的zactual和E分別表示油膜的實(shí)際厚度和評(píng)估的相對(duì)誤差。

表1 不同厚度油膜在功率為0.68 mW下的評(píng)估結(jié)果Tab.1 Evaluation results of oil film with different thickness under the condition of 0.68 mW power

表2 不同厚度油膜在功率為0.72 mW下的評(píng)估結(jié)果Tab.2 Evaluation results of oil film with different thickness under the condition of 0.72 mW power

針對(duì)圖5和圖6所示的無油膜海水和不同厚度油膜對(duì)應(yīng)的激光反射強(qiáng)度具體分析如下:

由圖5可見,激光照射無油膜海水和有不同厚度油膜海水形成的激光反射信號(hào)功率均隨激光功率的增大而增大。這是因?yàn)榧す夤β试酱?在無油膜海水的氣-水界面反射或在有油膜海水的氣-油界面反射以及折射入油膜中經(jīng)衰減后由油-水界面反射最終再經(jīng)油-氣界面折射出的激光強(qiáng)度也會(huì)越大。此外,如圖5(a)和圖5(b)所示,由于氣-水界面反射率小于氣-油界面反射率,致使無油膜海水的激光反射強(qiáng)度小于有油膜海水的激光反射強(qiáng)度。

由圖6(b)和圖6(d)可見,在一定的油膜厚度范圍內(nèi),不同厚度油膜海水產(chǎn)生的反射信號(hào)強(qiáng)度均隨油膜厚度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且下降趨勢(shì)逐漸放緩,最終趨于穩(wěn)定,此現(xiàn)象與公式(15)推導(dǎo)結(jié)果相吻合,即油膜厚度越大,激光反射信號(hào)強(qiáng)度越小。這是因?yàn)殡S著油膜厚度增加,激光在油層內(nèi)傳播時(shí)的衰減逐漸增大,故在油-水界面反射并最終經(jīng)油-氣界面折出的激光信號(hào)強(qiáng)度隨之減小,當(dāng)油膜厚度超過一定范圍后,在油膜內(nèi)傳播的激光無法再經(jīng)油-氣界面折出,此時(shí)實(shí)驗(yàn)LDS收集的光譜數(shù)據(jù)主要為激光在氣-油界面發(fā)生反射的信號(hào),而其不含油膜厚度信息,故光譜變化相對(duì)穩(wěn)定。

由圖7可見,當(dāng)油膜厚度小于某一值時(shí),用本文算法在不同激光功率下計(jì)算的油膜厚度與實(shí)際厚度均具有較好的一致性。這是因?yàn)楫?dāng)油膜厚度小于某一值時(shí),激光在油膜內(nèi)衰減后仍有部分信號(hào)可以經(jīng)油-氣界面折射出來并被實(shí)驗(yàn)LDS接收,從而可獲取有效激光強(qiáng)度以估算油膜厚度。當(dāng)油膜厚度大于某一值時(shí),光譜逐漸趨于穩(wěn)定,使得無法從光譜數(shù)據(jù)中獲取有效激光強(qiáng)度。

針對(duì)上述表1和表2不同厚度油膜在不同激光功率下的評(píng)估結(jié)果分析如下:

由表1可以看出:當(dāng)油膜厚度≤400 μm時(shí),平均誤差為5.25%,故該算法在一定油膜厚度范圍內(nèi)具有較高評(píng)價(jià)精度,而當(dāng)油膜厚度大于400 μm時(shí),評(píng)估誤差較大,且隨油膜厚度的增加,誤差迅速增大。

由表2可以看出:增加激光功率后,油膜厚度大于400 μm時(shí)的計(jì)算值與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差相較表1有所減小,這是由于在同一油膜厚度下,增加激光功率會(huì)使在油-水界面反射并經(jīng)油-氣界面折出的激光離水輻射信號(hào)強(qiáng)度增大,從而可獲取有效激光強(qiáng)度的范圍變大。

由于油-水界面的反射系數(shù)較小,只有大幅度的增加激光功率,激光離水輻射信號(hào)強(qiáng)度才有較小的提升。然而,氣-油界面的反射系數(shù)遠(yuǎn)大于油-水界面反射系數(shù),大幅度增加激光功率勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致光譜儀發(fā)生飽和現(xiàn)象,從而無法獲得有效的光譜數(shù)據(jù)。由此可知,設(shè)計(jì)的LDS系統(tǒng)采用增加激光功率的方法來擴(kuò)大用激光信號(hào)探測(cè)油膜厚度的范圍也有一定的量程限制,所以,合理的LDS系統(tǒng)做好此問題的平衡是必要的。

5 結(jié) 論

本文研究了一種可精準(zhǔn)定位且能準(zhǔn)確接收海面溢油激光反射信號(hào)的LDS,并給出其協(xié)調(diào)控制方法及其探測(cè)高度、角度范圍。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)激光在無油膜海水和有油膜海水處的反射強(qiáng)度比以及不同厚度油膜對(duì)激光吸收程度的差異,提出一種基于激光信號(hào)的油膜厚度評(píng)估算法。最后,通過采用原油和白油的混合油(1:50)作為實(shí)驗(yàn)油品,在不同的激光功率下驗(yàn)證了文中油膜厚度評(píng)估算法的有效性,由此也進(jìn)一步證明了海面溢油LDS的可行性。