紫外熒光探測(cè)水面溢油實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：文章介紹了目前水面溢油探測(cè)的五種方法及其不同的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。主要從激發(fā)光源和探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的遮光結(jié)構(gòu)方面討論了溢油探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用365nm的紫外光源激發(fā)熒光，在暗室及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別探測(cè)了汽油、食用油、機(jī)油三種油類(lèi)的熒光強(qiáng)度，歸一化處理得到了熒光與探測(cè)電壓值的關(guān)系，區(qū)分了油膜種類(lèi)。分別探測(cè)了不同厚度的三種油膜熒光電壓變化值，實(shí)驗(yàn)表明隨著油膜厚度的不斷增加，熒光光強(qiáng)呈線性變化，并給出了熒光強(qiáng)度變化的解釋。

關(guān)鍵詞：溢油探測(cè)；紫外熒光；溢油厚度；背景光屏蔽

引言

我國(guó)是一個(gè)河流眾多的國(guó)家，如果把我國(guó)的天然河流連接起來(lái)，總長(zhǎng)度可達(dá)43萬(wàn)公里。然而在這樣豐富的水資源背景下，不容忽視的是由于各種原因所帶來(lái)的河流污染，惡意的偷排漏排，油品存儲(chǔ)與運(yùn)輸中的泄漏，都危害著水資源的安全，特別是飲用水源的安全。油污染事故危害時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍廣，給沿岸生產(chǎn)、生活帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給河流及海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，生態(tài)恢復(fù)困難。及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢油的存在并預(yù)警對(duì)水資源的保護(hù)具有重要的意義。

1 水面溢油探測(cè)方法

從探測(cè)方法的角度討論，目前可用于溢油探測(cè)的方法有5類(lèi)，分別為：（1）被動(dòng)紅外遙感；（2）被動(dòng)紫外遙感；（3）微波輻射遙感；（4）機(jī)載雷達(dá)遙感；（5）紫外熒光遙感[1]。

被動(dòng)探測(cè)方法的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，但是虛警率較高，并且易受氣候影響，提供的油膜信息較少，目前主動(dòng)遙感分為兩大類(lèi)，雷達(dá)遙感與紫外熒光遙感，前者主要用于大面積海域的溢油檢測(cè)，載具通常為飛機(jī)，造價(jià)昂貴但覆蓋面積廣，分辨能力強(qiáng)。紫外熒光遙感主要特點(diǎn)是體積小，成本低，適用于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)厚度的油膜（0.3μm），并且可以探測(cè)海岸線以及冰面上的油膜。

2 激發(fā)光源的選擇

從激發(fā)光源的角度討論，目前常用的激發(fā)光源有以下三種。

目前實(shí)驗(yàn)室中常用的激發(fā)光源為激光光源，因?yàn)楣庠礋o(wú)需濾波，準(zhǔn)直擴(kuò)束后即可發(fā)射到溢油表面，激發(fā)熒光的量子效率較高，相應(yīng)的獲得的熒光光譜也相對(duì)準(zhǔn)確，如果利用光譜特性來(lái)分析區(qū)別油膜的種類(lèi)，該光源更適用于這樣的定性實(shí)驗(yàn)。

氙氣燈是目前較為成熟的工作光源（例如InterOcean 公司研發(fā)的SS300 溢油探測(cè)系統(tǒng)），工作時(shí)需要保持35v的穩(wěn)定工作電壓，而觸發(fā)電壓則需要瞬間到達(dá)35kv。由于這種光源光強(qiáng)度高，相應(yīng)的激發(fā)熒光的強(qiáng)度也較高，在利用200nm-300nm的紫外光源照射柴油及潤(rùn)滑油時(shí)，可得到熒光發(fā)射光譜，熒光波段主要集中在400nm-600nm[4]。

由于氙氣燈的發(fā)光光譜全覆蓋可見(jiàn)光波段且在熒光波段也有很強(qiáng)的發(fā)射光譜，故其在溢油表面的反射光也形成了一種背景光干擾，使用該光源時(shí)對(duì)背景光的屏蔽要求很高。

LED是一種新型光源，其特點(diǎn)是光強(qiáng)穩(wěn)定性高，啟動(dòng)電壓為0.7v 耗能低，噪聲小，目前作為一種新型光源正用于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，隨著LED功率的不斷提高，光強(qiáng)增大，其優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，LED將替代傳統(tǒng)氙氣燈，作為激發(fā)光源使用。

3 望眼鏡系統(tǒng)的背景光屏蔽

從屏蔽背景光的角度討論，由于背景光在整個(gè)探測(cè)過(guò)程中始終存在，并且強(qiáng)度隨日光的改變而變化，同時(shí)光電探測(cè)器本身的暗電流與散粒噪聲也對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果造成一定的影響，所以背景光的屏蔽可分為兩部分，（1）反射式望遠(yuǎn)鏡遮光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。（2）光電信號(hào)的采集與處理。常見(jiàn)的反射式望眼鏡有牛頓系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)、格雷戈里系統(tǒng)等，采用反射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)在于其主鏡與副鏡的焦距相互重疊，使得鏡筒的長(zhǎng)度縮短，實(shí)驗(yàn)中我們采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其便于垂直水面觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)遮光結(jié)構(gòu)分為三大部分[5]，其屏蔽作用歸納如表3。

穩(wěn)壓電路及信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)是屏蔽背景信號(hào)的關(guān)鍵，首先應(yīng)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源，為光電探測(cè)器、集成運(yùn)放等元件提供穩(wěn)定的工作電壓。其次在探測(cè)系統(tǒng)中外加反向偏壓的PIN光電二極管將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流，其中包括直流光電流和交流光電流，分別通過(guò)電感與電容傳輸，在取樣電阻上呈現(xiàn)電壓差，直流分量隨入射光強(qiáng)度變化而變化，反應(yīng)入射光強(qiáng)度的大小，噪聲光電流通過(guò)電容傳輸，從而達(dá)到降低噪聲的目的。

4 紫外熒光探測(cè)溢油實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為365nm的LED紫外光源作為激發(fā)光源，對(duì)光源進(jìn)行濾光，紫外光垂直照射在油膜表面，在暗室環(huán)境下分別探測(cè)，機(jī)油、汽油、食用油的熒光強(qiáng)度，對(duì)照組為純水，如圖1。

由于探測(cè)器及激發(fā)光源放置高度與位置的不同，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的整體變化。在實(shí)驗(yàn)中為了保證激發(fā)強(qiáng)度以及探測(cè)效率，設(shè)定探測(cè)器與光源等高平行，互不遮擋。

由于探測(cè)器距離油面垂直距離越遠(yuǎn)，探測(cè)光強(qiáng)越弱，實(shí)驗(yàn)選定探測(cè)器距離油膜5cm作為探測(cè)高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，在探測(cè)器中，光強(qiáng)的變化可以直接反應(yīng)為光電流的大小，而電流通過(guò)取樣電阻產(chǎn)生電壓差值，通過(guò)讀取取樣電阻兩端的電壓值則可以判斷光強(qiáng)的大小，光強(qiáng)與電壓值成正比[6]。實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)純水的電壓值為激發(fā)光在水面反射后的光強(qiáng)。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，即有背景光的條件下，不改變其他測(cè)量條件，再次探測(cè)不同油類(lèi)的電壓值。如圖3所示，此時(shí)探測(cè)純水的電壓值為0.0087v，其中包括背景光與激發(fā)光源的反射光。此時(shí)背景光的電壓值為0.0040v，而通過(guò)照度計(jì)探測(cè)到背景光的強(qiáng)度為45.6lx。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變?nèi)与娮璧闹导纯墒固綔y(cè)電壓值與光強(qiáng)近似相等[7-8]。

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。

（1）探測(cè)器與光源位置的變化將整體改變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）在實(shí)際環(huán)境中探測(cè)到的熒光光強(qiáng)近似等于背景光強(qiáng)度與無(wú)背景光條件下熒光強(qiáng)度之和。

（3）在無(wú)背景光條件下，通過(guò)反復(fù)測(cè)試油膜（約0.02mm）的熒光強(qiáng)度，可以歸納化簡(jiǎn)出以下關(guān)系式，設(shè)純水的反射光強(qiáng)度為1，則不同油類(lèi)的熒光強(qiáng)度有以下取值關(guān)系范圍。

（4）在有背景光條件下，設(shè)探測(cè)到的純水電壓值為v1，油類(lèi)的電壓值v2，為歸一化強(qiáng)度S，則不同探測(cè)高度下歸一化公式應(yīng)該為

（5）通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的取值范圍則可以區(qū)分不同種類(lèi)的油膜。

不同油膜厚度的熒光強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，以厚度為0.02mm的油膜作為測(cè)量起始點(diǎn)，使用滴管依次添加油品，直到油膜厚度達(dá)到0.3mm，記錄該探測(cè)過(guò)程中的電壓值如圖4，圖5。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可得：（1）探測(cè)純水的電壓值基本保持不變，這是由于光源的強(qiáng)度始終保持不變。（2）隨著油膜厚度的增加，機(jī)油與食用油的熒光強(qiáng)度逐漸減弱，這是因?yàn)橛湍ず穸仍黾訒r(shí)，較底層油膜發(fā)出的熒光被上層油膜再次吸收，而光源強(qiáng)度不變這就使得量子效率反而降低。（3）汽油與其他油類(lèi)相反，這是由于汽油中的飽和烴類(lèi)物質(zhì)有助于激發(fā)熒光。

5 結(jié)束語(yǔ)

熒光探測(cè)法是目前綜合性能最優(yōu)的一種探測(cè)方法，其不但具有區(qū)分油膜與非油膜的特點(diǎn)，這種技術(shù)還可以探測(cè)出油膜的種類(lèi)，通過(guò)探測(cè)到的電壓值，改變光電探測(cè)器的取樣電阻大小，即可將光強(qiáng)與電壓數(shù)值對(duì)應(yīng)起來(lái)，根據(jù)不同的電壓值區(qū)間即可辨別油膜的種類(lèi)，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢油厚度的變化，可探測(cè)到微米級(jí)別厚度的油膜。該方法適應(yīng)多種極端天氣環(huán)境，也是唯一一種適用于冰面以及雪地條件下的探測(cè)技術(shù)?？深A(yù)見(jiàn)水面油污染預(yù)警系統(tǒng)未來(lái)將向遠(yuǎn)程無(wú)人探測(cè)、小型化、便捷化、低成本、網(wǎng)絡(luò)化、以及多油種識(shí)別的方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：黨晨（1990，06-），男，漢族，西安工業(yè)大學(xué)研究生，研究方向：光學(xué)。