一種基于波段比值法的海面厚油膜評(píng)估方法

崔永強(qiáng)，孔德明，孔令富，張曉丹，孔德瀚，袁 麗，李 超

(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) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 3. 河北環(huán)境工程學(xué)院 信息工程系，河北 秦皇島 066004)

1 引 言

隨著海洋運(yùn)輸業(yè)和海上石油開(kāi)采的迅速發(fā)展，海上溢油事故時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致海洋污染日趨嚴(yán)重。近年來(lái)多種遙感技術(shù)應(yīng)用于溢油監(jiān)測(cè)[1～3]，激光誘導(dǎo)熒光(laser-induced fluorescence，LIF)技術(shù)由于具有靈敏度高、全天候等優(yōu)點(diǎn)，是目前較有效的海面溢油探測(cè)技術(shù)[4，5]。利用這一技術(shù)可實(shí)現(xiàn)海面溢油污染情況與溢油種類的鑒別[6～11]，然而，對(duì)于油膜厚度的監(jiān)測(cè)目前尚未形成統(tǒng)一的評(píng)估方法。Li X L等成功研制激光雷達(dá)系統(tǒng)并進(jìn)行了水面油膜的探測(cè)實(shí)驗(yàn)[12]；陳澎根據(jù)激光熒光探測(cè)原理，提取海面溢油區(qū)的熒光信息進(jìn)行了研究[13]；陳宇男等研究了油膜厚度-熒光發(fā)射強(qiáng)度的關(guān)系，分析了檢出限以及定量檢測(cè)的問(wèn)題[14]。但這些方法僅適用于薄油膜厚度的評(píng)估，對(duì)于較厚油膜的評(píng)估目前尚未提出合適的反演算法。

采用LIF探測(cè)溢油覆蓋的海面時(shí)，隨著油膜厚度的增加，油膜熒光信號(hào)逐漸增強(qiáng)并最終趨于飽和。在某個(gè)適當(dāng)?shù)挠湍ず穸确秶鷥?nèi)，熒光信號(hào)強(qiáng)度和油膜厚度呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性；然而由于熒光信號(hào)強(qiáng)度受溫度、激光強(qiáng)度、探測(cè)高度、探測(cè)角度等多因素的影響，直接采用熒光信號(hào)反演油膜厚度存在一定的困難。研究表明：相同厚度油膜在不同條件下熒光信號(hào)強(qiáng)度雖然有一定的差異，但是其熒光光譜的波形基本不變；當(dāng)選取2個(gè)不同波段計(jì)算油膜熒光強(qiáng)度比值時(shí)，對(duì)于相同厚度的油膜該比值不變，而隨著油膜厚度的增加該比值逐漸變化。因此，本文建立一種利用油膜熒光信號(hào)評(píng)估較厚油膜厚度的雙波段比值模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性，并給出利用測(cè)量相對(duì)誤差評(píng)估該算法適用范圍的方法。

2 雙波段比值模型算法研究

采用LIF技術(shù)探測(cè)溢油覆蓋的海面，探測(cè)器接收到的信號(hào)包括油膜熒光信號(hào)、海水背景熒光信號(hào)和海水拉曼散射光信號(hào)，在波長(zhǎng)λi處的信號(hào)強(qiáng)度Ki可以表示為[9]：

Ki=ηiP0{1-exp[-(ke+ki)d]}+

(ξi+δiψi)P0exp[-(ke+ki)d]

(1)

式中：P0為入射的激光能量；ke，ki分別為油膜在激光激發(fā)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)λi處的消光系數(shù)；d為油膜厚度；δi為δ函數(shù)；ηi，ξi，ψi分別為波長(zhǎng)λi處的油膜熒光轉(zhuǎn)換效率、海水熒光轉(zhuǎn)換系數(shù)、海水拉曼轉(zhuǎn)換系數(shù)。

采用LIF技術(shù)探測(cè)無(wú)溢油覆蓋的海面，此時(shí)探測(cè)器接收到的信號(hào)為海水的背景熒光和拉曼散射光信號(hào)，在波長(zhǎng)λi處的信號(hào)強(qiáng)度記為Kwi，可以表示為：

Kwi=ξiP0+δiψiP0

(2)

采用激光照射被測(cè)油品，其熒光信號(hào)隨油膜厚度的增加而逐漸增強(qiáng)并趨于飽和。激光照射足夠厚油膜可以獲取該油品的熒光特征光譜，此時(shí)探測(cè)器接收到波長(zhǎng)λi處的熒光信號(hào)強(qiáng)度記為Koi，可以表示為：

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)，化簡(jiǎn)可得：

Ki=(Koi-Kwi){1-exp[-(ke+ki)d]}+Kwi

(4)

海面溢油在風(fēng)、浪等環(huán)境因素的影響下向四周擴(kuò)散，通常在溢油區(qū)域的邊緣表現(xiàn)為薄油膜，在中心區(qū)域一般為較厚油膜。薄油膜區(qū)域由于其油膜厚度較小，此時(shí)式(4)可近似為：

Ki=(Koi-Kwi)(ke+ki)d+Kwi

(5)

選取波長(zhǎng)λi和λj，計(jì)算在扣除海水背景熒光和拉曼散射光信號(hào)之后光譜信號(hào)強(qiáng)度的比值，記為r(i,j)，可得：

(6)

對(duì)于較厚油膜，選取波長(zhǎng)λi和λj，同樣計(jì)算在扣除海水背景熒光和拉曼散射光信號(hào)之后光譜信號(hào)強(qiáng)度的比值，記為t(i,j)，由式(4)可得：

(7)

(8)

令:

(9)

由式(9)可知，當(dāng)ki0時(shí)，R′(d)>0。因此，隨著油膜厚度的增加R(d)值遞增并趨于1，方程(9)有唯一解。當(dāng)波長(zhǎng)λi處的消光系數(shù)小于波長(zhǎng)λj處的消光系數(shù)時(shí)，利用式(9)可以反演較厚油膜厚度。

該算法需要獲取海水的背景熒光和拉曼散射光光譜以及實(shí)驗(yàn)油品在激光激發(fā)波長(zhǎng)、波長(zhǎng)λi和λj處的消光系數(shù)。如文獻(xiàn)[11]所述，采用LIF技術(shù)反演油膜厚度需要利用油品的一些物理參數(shù)，本文假定油品的消光系數(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室獲得。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置和材料包括：AvaSpec光譜儀、NDV4542激光二極管、手柄支架、500 mL燒杯和移液器,實(shí)驗(yàn)油品為原油和白油的混合油(1:80)，實(shí)驗(yàn)海水采用渤海海水。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

3.2 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)采集海水的背景熒光和拉曼散射光信號(hào)、不同厚度水面薄油膜的熒光信號(hào)和不同厚度水面較厚油膜的熒光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：

1) 在燒杯中放置500 mL海水，采集海水的背景熒光和拉曼散射光光譜。

2) 在水面分別放置不同厚度的薄油膜，靜置約30 min，待油膜擴(kuò)散均勻后，采集水面薄油膜熒光光譜。

3) 在水面分別放置厚度在20～1 600 μm之間的多種較厚油膜，靜置約30 min，待油膜擴(kuò)散均勻后，采集水面較厚油膜熒光光譜。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，保持探頭與樣本的距離、角度不變，Avasoft8采集光譜信號(hào)，積分時(shí)間為200 ms，采集波長(zhǎng)范圍為420～750 nm，每次采集30組數(shù)據(jù)，采用平均值作為測(cè)量光譜數(shù)據(jù)。

采集的光譜信號(hào)采用Savitzky-Golay算法進(jìn)行預(yù)處理，處理后的海水背景熒光和拉曼散射光光譜、薄油膜熒光光譜和較厚油膜熒光光譜見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.2 Experimental results

3.3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由圖2(c)可見(jiàn)：實(shí)驗(yàn)油品的熒光強(qiáng)度隨著油膜厚度的增加而逐漸增加，厚度大于1 000 μm的油膜其熒光強(qiáng)度逐漸趨于飽和；當(dāng)油膜厚度大于 1 400 μm 時(shí)，油膜熒光信號(hào)較多地重疊在一起，依據(jù)熒光強(qiáng)度不能有效區(qū)分不同厚度的油膜；實(shí)驗(yàn)油品的波峰在455 nm。薄油膜在455 nm處光譜信號(hào)強(qiáng)度與厚度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同厚度薄油膜455 nm波長(zhǎng)處的光譜信號(hào)Fig.3 Spectral signal of thin oil film with different thickness at 455 nm

薄油膜的光譜信號(hào)強(qiáng)度隨著油膜厚度的增加呈線性增加。選取λi=455 nm、λj=505 nm處的光譜數(shù)據(jù)計(jì)算(Koi-Kwi)/(Koj-Kwj)反演較厚油膜厚度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同厚度薄油膜的(Koi-Kwi)/(Koj-Kwj)值Tab.1 (Koi-Kwi)/(Koj-Kwj) of thin oil films with different thickness

實(shí)驗(yàn)油品的(Koi-Kwi)/(Koj-Kwj)值采用薄油膜計(jì)算結(jié)果的平均值，計(jì)算可得R(d)與油膜厚度d的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 油膜厚度d與R(d)的關(guān)系Fig.4 The relationship of oil film thickness d and R(d)

由圖4可見(jiàn)，隨著油膜厚度的增加，R(d)值逐漸增加，因此可以根據(jù)R(d)反演油膜厚度。

由于現(xiàn)有的探測(cè)器熒光接收設(shè)備具有較高的光譜分辨率，單個(gè)波長(zhǎng)的光譜信號(hào)強(qiáng)度存在較大的測(cè)量誤差，本文采用相鄰5個(gè)波段數(shù)據(jù)的平均值作為熒光信號(hào)在選取波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)，避免了僅采用單個(gè)波段反演油膜厚度會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，因此在455～495 nm 和505～545 nm波段范圍內(nèi)，每隔10 nm選取1組波段反演油膜厚度，采用反演結(jié)果的平均值作為評(píng)估結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同厚度油膜評(píng)估結(jié)果Tab.2 Evaluate results of oil films with different thickness

由表2可見(jiàn)：小于100 μm的油膜厚度評(píng)估誤差較大；隨著油膜厚度增加其熒光信號(hào)逐漸增強(qiáng)，誤差逐漸降低，油膜厚度在400～1 000 μm時(shí)，評(píng)估誤差在3.7%～7.1%之間，誤差較小；當(dāng)油膜厚度大于1 000 μm時(shí)，評(píng)估誤差隨油膜厚度增加逐漸增加，當(dāng)油膜厚度大于1 400 μm時(shí)，該算法不能有效反演油膜厚度。

3.3.2 適用評(píng)估范圍分析

由于設(shè)備精度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的誤差。當(dāng)油膜熒光強(qiáng)度較小或趨于飽和時(shí)，測(cè)量誤差對(duì)反演結(jié)果的影響較大，因此該算法的有效評(píng)估厚度與測(cè)量誤差相關(guān)。一般情況下，海水的背景熒光和拉曼散射光信號(hào)遠(yuǎn)小于較厚油膜的熒光信號(hào)，本文僅分析油膜熒光信號(hào)的測(cè)量誤差對(duì)反演計(jì)算的影響。

根據(jù)油膜熒光信號(hào)的多次采集數(shù)據(jù)，估算測(cè)量相對(duì)誤差e為：

(10)

表3 不同厚度油膜測(cè)量相對(duì)誤差Tab.3 Relative error of oil films with different thickness

根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，由式(8)計(jì)算油膜厚度反演結(jié)果的誤差與油膜厚度的關(guān)系，見(jiàn)圖5所示。

圖5 反演結(jié)果的誤差與油膜厚度的關(guān)系Fig.5 The relationship between inversion error and oil film thickness

薄油膜由于熒光信號(hào)較弱，其測(cè)量誤差對(duì)油膜厚度的反演結(jié)果影響較大；隨著油膜厚度增加，熒光信號(hào)逐漸增強(qiáng)，測(cè)量誤差對(duì)反演結(jié)果的影響逐漸降低，在油膜厚度為200～1 400 μm的范圍內(nèi)，具有較好的評(píng)估精度；當(dāng)厚油膜熒光信號(hào)趨于飽和，其測(cè)量誤差對(duì)反演結(jié)果同樣具有較大影響，因此當(dāng)油膜厚度大于1 400 μm時(shí)，反演結(jié)果的誤差較大且隨油膜厚度的增加快速變大。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，根據(jù)測(cè)量相對(duì)誤差的分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此，可以通過(guò)測(cè)量誤差評(píng)估該算法的適用范圍。

4 結(jié) 論

提出了一種適用于評(píng)估200～1 400 μm海面較厚油膜厚度的雙波段比值模型，理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，并給出了利用測(cè)量相對(duì)誤差評(píng)估該算法適用范圍的方法。作為一種簡(jiǎn)單有效的方法，該模型也可以推廣應(yīng)用于其它油種溢油的評(píng)估。