基于光學技術的水下氣泡探測實驗研究

秦華偉, 陶辰超, 蔡 真, 范相會

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基于光學技術的水下氣泡探測實驗研究

秦華偉1, 陶辰超1, 蔡 真2, 范相會1

(1. 杭州電子科技大學, 機械電子工程研究所, 浙江 杭州 310018; 2. 浙江大學, 海洋學院, 浙江 舟山 316021)

熱液/冷泉溢出含有硫化氫、甲烷、二氧化碳等化學成分的氣泡。實驗室模擬海底熱液/冷泉資源溢出氣泡環(huán)境搭建了實驗平臺, 以甲烷氣體為實驗氣體, 在黑暗環(huán)境下用高速光電探測器對氣泡后向散射光進行接收, 用拉曼光譜儀實現甲烷氣體氣泡后向散射光的拉曼檢測, 并與計算拉曼光譜比較。由結果可知激光拉曼光譜可以探測到氣泡后向散射光, 并識別氣泡中含有的氣體成分。通過探測氣泡成分, 從而判定這些氣泡是否來自海底熱液/冷泉等甲烷資源溢出。這樣的探測方式, 探測準確率高, 緩解探測深度, 同時避免探測設備直接與海底資源直接接觸而造成的壽命縮減, 為將來的海洋探測與實際應用打下了良好的基礎。

甲烷氣體; 氣泡后向散射光; 光電探測器; 拉曼光譜; 計算拉曼光譜

熱液/冷泉相關領域的研究越來越引起海洋、生命研究領域科學家的廣泛關注。深海熱液其突出物理特征在于熱液噴口上方形成的熱液羽狀流[1], 在部分熱液噴口, 伴隨有大量的氣泡存在, 熱液氣體成分主要包括硫化氫、甲烷和二氧化碳等。對于大洋底部熱液的調查手段而言, 主要利用熱液區(qū)域和上覆水體的物理以及化學異常, 通過對大洋中熱流的測量、熱液周圍及其噴口甲烷、錳等化學物質的異常觀測、熱液柱海水溫度、鹽度、密度等的觀測、海底照相、聲吶側掃、深海潛水艇直接調查等實現對熱液地帶的分布調查以及具體探測[2-3]。所謂冷泉, 是指從洋底緩緩滲出的冰涼液體, 對于深海冷泉, 其突出物理特征在于冷泉上方大量氣泡形成的氣泡羽柱或氣泡幕, 冷泉氣體成分以CH4和CO2為主[4]。其富含的天然氣水合物具有巨大的發(fā)展前景同時也可能引發(fā)環(huán)境災害[5], 并孕育著圍繞其生存的特異生物群。相對于熱液地帶的關注度以及探測研究技術方法, 對冷泉活動區(qū)的探測研究手段還略顯單薄。目前, 主要集中于應用聲納技術對海底地形以及地貌進行探測、地震波的測量、大洋化學成分分析及海底拍照攝像等手段對冷泉活動區(qū)實現識別和分布調查[6-7]。這些傳統(tǒng)水下探測手段在水下探測領域運用廣泛。各類化學傳感器、溫度傳感器、密度傳感器等由于直接與探測源接觸, 導致故障率高使用壽命短的缺陷。地貌、地震波探測手段也會存在精確度不高、周期性長的問題。對散射光測量方法主要有CDD相機拍攝成像, 再用圖像處理獲取圖片灰度與散射光強關系, 用光電探測器接收散射光, 將光信號轉換成電信號獲取數據, 用光譜儀探測散射光, 獲取光譜圖等。散射方向在90°~180°方向的散射叫后向散射。后向散射光是在介質內部多次散射后逃逸出入射表面的光, 因此它必然攜帶了介質內部異常物體的情況信息。這樣我們就可以通過對后向散射光的研究,達到研究散射介質的目的。在海水、大氣、醫(yī)療等檢測中后向散射探測運用廣泛。而在水下拉曼技術方面, 歐美等海洋發(fā)達國家取得了一定進展[8-11]。其中具有代表性的是美國研發(fā)并制造的已在海底探測領域獲得較得理想結果的DORISS系統(tǒng)。與西方發(fā)達國家相比, 我國將水下拉曼技術運用于海底勘探領域的發(fā)展相對緩慢, 存在一定的距離。我國在2006年底啟動了國家863課題研究用以填補深海原位探測領域的空白并于2009年3月首試成功進行海試[12-13]。對于大洋底部熱液/冷泉, 本文提出一種新的探測方法: 用激光拉曼光譜技術對深海熱液/冷泉的氣泡進行后向散射光的探測, 對含有上述氣體成分的氣泡進行識別, 從而判斷該區(qū)域下方是否存在熱液冷泉。這樣的一種間接式探測深海熱液/冷泉的方法, 具有準確率高, 緩解探測深度的優(yōu)勢, 同時也避免設備長期過近與熱液/冷泉接觸造成設備使用壽命縮短。陸地能源日趨緊張, 迫切需要發(fā)展深海探測與資源開發(fā)技術, 激光拉曼光譜技術在深海探測領域的運用有利于推進開發(fā)利用海洋資源, 加快了解海洋環(huán)境和利用深海資源的進程, 為國家能源安全, 資源安全分憂解難, 加快實踐社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標。

1 水下激光與激光拉曼技術簡介

激光在海水中傳輸時將被海水中的水分子、溶解物質、固體懸浮物或者海水中的氣泡吸收和散射, 他會限制光波在海水中的傳輸距離。海水中光的消光特性與光的波長、海水所含的物質、海水的深度等因素密切相關。海水的吸光表現為入射到海水中的部分光子能量轉化為其他形式的能量, 如熱動能和化學勢能, 同時激光在海水中也會產生不同方向的散射光, 所以激光在水下傳輸時表現出衰弱機制[14]。在散射光中典型的有前向散射和后向散射, 針對激光在水下的后向散射主要表現為水的后向散射和氣泡的后向散射。后向散射光是在介質內部多次散射后逃逸出入射表面的光, 因此它必然攜帶了介質內部的情況信息。

拉曼散射現象由印度科學家拉曼于1928年發(fā)現。其闡述了光照射到特定物質上時, 入射光的光子與分子發(fā)生的不同碰撞以及相互之間能量和頻率的變化; 光子與分子之間沒有能量交換, 光子只改變運動方向而不改變頻率, 這種散射過程稱為瑞利散射; 光子改變運動方向且與分子間有能量交換, 光子頻率得到相應改變, 這種散射過程稱為拉曼散射; 拉曼散射又分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射[15]。根據光照射到特定物質上散射光發(fā)生的頻率變化, 被運用于物質結構的分析, 實際運用中拉曼實驗一般監(jiān)測到的是斯托克斯散射。拉曼譜線的數量, 頻移取決于分子本身固有的振動和轉動能級的結構, 反映的是分子內部各種簡正振動及有關振動能級的情況。激光拉曼光譜技術運用在海底熱液/冷泉等甲烷資源的探測, 探測的是激光穿過含有化學成分的氣泡產生的后向散射光, 這是本項目的創(chuàng)新之處, 不直接接觸熱液/冷泉, 準確率高, 檢測的長期穩(wěn)定性好。

需要說明的是, 光在水中傳播其衰減嚴重, 且在拉曼光譜中, 瑞利散射線的強度只有入射光強度的10–6, 拉曼光譜強度又只有瑞利線的10–6左右, 常規(guī)水下拉曼光譜強度太弱, 因此其不能直接進行遠距離探測, 只能用于近距離化學成分識別。

2 對氣泡后向散射光的探測研究實驗

2.1 實驗裝置

第一部分實驗裝置示意圖如圖1所示。由于實驗中所模擬的氣泡尺寸及范圍較小, 故選取長寬高為40 cm×50 cm×40 cm的玻璃水箱作為模擬容器, 并將水箱放置在光學平臺上以隔絕外界震動。

實驗裝置的主要部件包括: 激光光源及光學接收部分。

其中, 激光發(fā)射部分有激光光源和擴束準直鏡構成。本次實驗采用DPSS激光器, 即二極管泵浦固體激光器作為激光光源, 型號為FRANKFURT公司的FPYL-532-30T。該激光器工作模式為連續(xù)波長, 其輸出波長為532 nm, 輸出功率為0~30 mw可調, 其出射光束半徑約為2.0 mm, 發(fā)散角度小于1.2 mrad。為了減小激光光束的發(fā)散角, 并使光束傳遞回更多的有用信息, 實驗中需要在光源后添加擴束準直裝置, 本實驗采用開普勒擴束鏡, 該類擴束鏡將一個凸透鏡作為輸入, 激光通過該透鏡后, 束腰半徑被縮小且最小點與該透鏡焦點重合。之后使光束通過另一個焦距較大的凸透鏡, 擴大光束半徑、減小發(fā)散角。

本次實驗采用10倍、20倍物鏡及焦距為60 mm的雙凸透鏡組成擴束準直鏡, 其擴束倍數為3倍或6倍, 擴束準直后發(fā)散角為0.4 mrad和0.2 mrad。

實驗中采用的散射光接收裝置為Thorlabs公司的DET36A高速光電探測器, 其光譜響應范圍為350~1 100 nm, 峰值波長為970 nm, 響應時間為14 ns, 響應度0.65 A/W。

由于在實驗中不能完全保證環(huán)境的黑暗, 為避免其他波長的光對實驗產生影響, 故在探測器前放置濾光片, 在保證氣泡后向散射光盡可能多的進入光電探測器之外、最大限度的阻止太陽光、燈光等其他背景噪聲, 實驗中復合濾光部分采用直徑為25 mm、厚度為0.6 mm的532 nm帶通濾光片。

實驗中分別利用扎了不同孔徑大小的軟管、帶流量控制的輸液管和氣泵作為氣泡發(fā)生裝置, 產生尺寸大小不一的氣泡群; 而帶有流量控制的輸液管用于產生單個氣泡, 通過流量控制可對氣泡產生速度進行調節(jié)。

激光器發(fā)射出的光束經過擴束準直系統(tǒng)后, 經一個與光束成45°的反射鏡從水箱側面進入, 再通過在水箱中45°放置的反射鏡照射到氣泡上, 水箱中放置吸光裝置對出射光進行吸收, 消除水箱玻璃上存在的光斑。針對激光在水中會發(fā)生散射現象, 還需要將遮光黑布放置在水箱底部及右側, 用來減少折射光對實驗的影響。

對氣泡后向散射光的反射是利用收發(fā)合置裝置進行實現的, 該裝置即為一塊中心帶小孔的反射鏡, 激光從反射鏡中心小孔通過后照射到氣泡上, 由于氣泡會對激光產生散射, 其后向散射光沿著入射方向返回到反射鏡上, 并最終反射出水箱, 由高速光電探測器進行接收。同時, 由于散射光強度很弱且較發(fā)散, 直接探測會存在一定困難, 在水箱與探測器前放置一凸透鏡對散射光進行聚焦, 以盡可能地獲得更多散射光。實驗裝置實物圖如圖2所示。

第二部分實驗裝置示意圖如圖3所示, 這一實驗采用顯微光譜儀, 型號為英國Renishaw公司的inVia, 實現氣泡后向散射光的拉曼檢測, 配有高穩(wěn)定性研究級德國Leica顯微鏡, 光譜分辨率為1 cm–1, 空間縱向分辨率為2 μm。實驗過程和上一實驗類似, 不過多闡述, 最后用計算機采集數據。氣體上我們選擇天然氣為實驗氣體。不同的是最后用光譜儀來探測散射光, 從而獲取拉曼散射光譜。

2.2 實驗結果及分析

在開始探測前首先對該實驗裝置進行了測試。然后依順序打開光電探測器、激光器及氣泡發(fā)生器, 間隔一段時間后, 再依次關閉氣泡發(fā)生器、激光器及光電探測器, 光電探測器所接收到的信號用示波器記錄, 最終結果見圖4。

從圖4中可以看到, 當氣泡發(fā)生器打開后, 探測器所接收到的信號開始有大范圍的上下波動, 出現了許多不同間距、不同幅值及寬度的脈沖信號; 當氣泡發(fā)生器關閉后, 這些信號出現了明顯的減弱, 最后信號又恢復到最初值?？梢园l(fā)現在此過程中信號的變化與水中氣泡的數量及運動特性有直接的關系:

當氣泡剛產生時, 探測器所接收到脈沖信號的振幅和寬度都較小; 當氣泡發(fā)生器開始穩(wěn)定工作后, 脈沖信號的振幅及寬度都有所增加; 在最后當關閉氣泡發(fā)生器時, 由于水中氣泡并沒有馬上消失, 同時在水中還存在著各種懸浮顆粒, 所以使得接收到的光散射信號也存在平緩的過度。

為了獲得所需要的氣泡動態(tài)信息, 我們對所測得信號進行適當的處理。由于探測器所接收到的是在不同時間范圍內的光強, 我們對該圖像中10~ 11.8 s的部分放大, 如圖5所示, 可以發(fā)現氣泡的散射信號在圖中表示為一系列的脈沖信號, 其振幅和寬度并無明顯的規(guī)律性。

對圖5中數據進行快速傅里葉變化(FFT), 將信號變換到頻域, 獲取其頻率信息, 其計算結果如圖6所示, 該計算過程由Matlab實現。

由圖6可知, 低頻在所有能量中占據了大部分, 這是由于在所接收到的散射光中水體的后向散射光所占的比重很大; 但同時也可以發(fā)現, 圖中存在著2種振幅較大的頻率信號, 分別為35 Hz、80 Hz左右, 這些頻率就是由氣泡散射光所引起的。

其他條件不變, 通過改變氣泡源的位置來改變探測的距離, 得到不同探測距離的電信號。表1為氣泡源距離遠近與后向散射光強度大小的關系表。