基于LIF海面溢油平坦厚油膜區(qū)域邊緣厚度評(píng)估方法研究

謝貝貝，孔令富，孔德明，張曉丹，孔德瀚，袁 麗

(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 066102)

1 引 言

海上溢油是最常見(jiàn)的海洋污染之一[1,2]?？焖俑咝У囊缬吞綔y(cè)對(duì)于溢油污染的治理和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)具有非常重要的意義[3,4]。

油膜厚度是探測(cè)海面溢油的重要參數(shù)。目前評(píng)估海面油膜厚度的方法有激光三角法[5]、白光掃描干涉法[6]、激光超聲法[7]等。激光誘導(dǎo)熒光(laser-induced fluorescence，LIF)技術(shù)是目前遙感探測(cè)海面溢油的一種有效手段，具有靈敏度高、方便靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、無(wú)探測(cè)盲區(qū)的優(yōu)點(diǎn)[8,9]。Kung等[10]基于LIF探測(cè)水體拉曼散射光在海面油層傳輸過(guò)程中被吸收而按指數(shù)衰減原理，提出了一種對(duì)連續(xù)薄油膜進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的積分反演算法；Hoge等[11,12]采用該拉曼反演算法利用波長(zhǎng)為337.1 nm的激光評(píng)估原油油膜厚度，得出該方法可評(píng)估厚度小于10～20 μm 的油膜，然而當(dāng)油膜厚度大于該區(qū)域值時(shí)會(huì)將水體拉曼散射光信號(hào)幾乎完全吸收，使得該方法無(wú)法探測(cè)大于10～20 μm的油膜厚度。崔永強(qiáng)等[13]基于LIF技術(shù)建立了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。

溢油一旦進(jìn)入海域，由于自身性質(zhì)和外界環(huán)境的作用與影響，會(huì)經(jīng)歷不同程度的擴(kuò)展過(guò)程[14,15]。擴(kuò)展程度的不同，油膜的擴(kuò)展形態(tài)就會(huì)有差異。根據(jù)厚油膜區(qū)域的形態(tài)特點(diǎn)，本文將厚油膜區(qū)域分為非平坦厚油膜區(qū)域和平坦厚油膜區(qū)域。在溢油擴(kuò)展初期油膜較厚，其分布具有中心厚四周薄的特點(diǎn)[16]，這種油膜區(qū)域稱為非平坦厚油膜區(qū)域；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)展，油膜厚度逐漸均勻至相對(duì)平坦的程度[17]，這樣的區(qū)域稱為平坦厚油膜區(qū)域。本文針對(duì)兩種厚油膜區(qū)域的形態(tài)特點(diǎn)，給出了LIF判定方法，并提出了平坦厚油膜區(qū)域邊緣厚度評(píng)估方法。

2 厚油膜區(qū)域判定方法

采用LIF探測(cè)海面溢油時(shí)，當(dāng)探測(cè)進(jìn)入厚油膜區(qū)通常水體拉曼散射光信號(hào)將被油膜吸收，而熒光強(qiáng)度隨著油膜厚度的增加而增大。依據(jù)LIF探測(cè)油膜的基本原理模型[11,18]，可得出接收熒光信號(hào)與厚度的關(guān)系式為：

K(λi)=P0ηi-P0(ηi-ζi)exp[-(ke+ki)d]

(1)

式中：K(λi)為在波長(zhǎng)λi處接收的熒光信號(hào)強(qiáng)度；P0為激光熒光雷達(dá)發(fā)射到海面功率；ζi為波長(zhǎng)λi處海水的熒光轉(zhuǎn)換效率；ηi為在波長(zhǎng)λi處厚油膜熒光轉(zhuǎn)換效率；ke、ki分別為在激發(fā)波長(zhǎng)λe和熒光波長(zhǎng)λi處油膜消光系數(shù)；d為油膜厚度。依據(jù)此式可得到熒光強(qiáng)度和油膜厚度關(guān)系圖，見(jiàn)圖1所示。

圖1 熒光強(qiáng)度隨油膜厚度變化的示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluorescence intensity changes with oil film thickness

由式(1)可以看出，當(dāng)油膜厚到一定程度的情況下，即(ke+ki)d?1，則

exp[-(ke+ki)d]≈0

(2)

此時(shí)，熒光強(qiáng)度不再隨油膜厚度的增加而變化，即趨于飽和。故利用熒光強(qiáng)度估算油膜厚度需要判定油膜的熒光強(qiáng)度是否未達(dá)到飽和。

由式(2)可以看出，激光和熒光在油膜處的消光系數(shù)ke、ki以及油膜厚度d是熒光強(qiáng)度趨于飽和的影響因素。而不同的油品，ke與ki是不同的，其飽和熒光強(qiáng)度也不同。所以判定油膜的熒光強(qiáng)度是否達(dá)到飽和，需要確定污染區(qū)域的飽和熒光強(qiáng)度，若所探測(cè)的熒光強(qiáng)度小于該溢油飽和熒光強(qiáng)度，則可采用探測(cè)的熒光強(qiáng)度進(jìn)行估算油膜厚度。

結(jié)合LIF探測(cè)不同厚度油膜熒光信號(hào)的分析，對(duì)平坦厚油膜區(qū)域進(jìn)行判別。通常情況下，平坦厚油膜區(qū)域的邊緣厚度隨離油膜中心距離減小逐漸變厚至均勻，其形狀如圖2所示。

圖2 平坦厚油膜區(qū)域邊緣形態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of edge morphology of even thick oil film area

為了探測(cè)方便，本文將LIF探測(cè)方向設(shè)為由油膜邊緣指向中心。LIF在最初探測(cè)油膜邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生水體拉曼散射光信號(hào)，其拉曼峰強(qiáng)度隨著探測(cè)方向上距離的增加而下降直到幾乎被油膜完全吸收；而其熒光強(qiáng)度隨著探測(cè)方向上距離的增加而增大，到達(dá)一定探測(cè)距離進(jìn)入平坦厚油膜區(qū)域后熒光強(qiáng)度變化的不再明顯，而且該熒光強(qiáng)度小于溢油飽和熒光強(qiáng)度，說(shuō)明此時(shí)油膜厚度為均勻的平坦厚油膜區(qū)域。

根據(jù)上述分析，本文給出具體的厚油膜區(qū)域判定方法：

第一步：LIF探測(cè)海面油膜區(qū)域，若接收光譜中沒(méi)有海水拉曼散射光信號(hào)，且熒光強(qiáng)度較清潔海水和一般薄油膜的強(qiáng)度高時(shí)，則可以判斷該區(qū)域?yàn)楹裼湍^(qū)域；

第二步：確定厚油膜區(qū)域的溢油飽和熒光強(qiáng)度；

第三步：將LIF探測(cè)方向由油膜邊緣指向中心，若接收的多個(gè)邊緣的熒光光譜中隨著探測(cè)方向上距離的增加，水體拉曼峰強(qiáng)度逐漸減小至0，熒光強(qiáng)度逐漸增大至變化不明顯，且該強(qiáng)度小于溢油飽和熒光強(qiáng)度時(shí)，則說(shuō)明該區(qū)域?yàn)槠教购裼湍^(qū)域，否則為非平坦厚油膜區(qū)域。

3 平坦厚油膜區(qū)域評(píng)估方法

本文以LIF探測(cè)薄油膜的方法為基礎(chǔ)，依據(jù)平坦厚油膜區(qū)域多個(gè)邊緣探測(cè)點(diǎn)反映厚度的熒光強(qiáng)度來(lái)估算油膜厚度。

首先，針對(duì)已判定為平坦厚油膜區(qū)域的一個(gè)邊緣，利用LIF系統(tǒng)獲取同一探測(cè)方向上多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，如圖3所示，即KA，KB，…，KC，KE，KF，…，對(duì)相鄰兩探測(cè)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度做差，即KB-KA，…，KE-KC，KF-KE，…，并與δ值(δ值是以LIF系統(tǒng)獲取的熒光強(qiáng)度的差值大小而定)進(jìn)行比較，直到連續(xù)幾個(gè)探測(cè)點(diǎn)間的熒光強(qiáng)度變化均小于δ值，即(KE-KC)<δ且(KF-KE)<δ，…，此時(shí)點(diǎn)C為待估算探測(cè)點(diǎn)。

圖3 連接檢測(cè)點(diǎn)及評(píng)估方法計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagrams of connecting detection points and evaluation method calculation process

利用式(1)中油膜熒光強(qiáng)度與油膜厚度之間的關(guān)系，可得不同厚度油膜的熒光強(qiáng)度與相同探測(cè)條件下該區(qū)域清潔海水熒光強(qiáng)度的比值Rd為：

(3)

然后，估算探測(cè)點(diǎn)C的厚度d1：

(4)

當(dāng)然，油膜邊緣厚度的變化并不是完全相同的，根據(jù)式(4)的計(jì)算方法估算厚油膜區(qū)域n個(gè)邊緣厚度，并將估算的厚度從小到大進(jìn)行排序,分別為d1,d2,…,dn，取前k個(gè)厚度的平均值作為區(qū)域的最小厚度，取后k個(gè)厚度的平均值作為區(qū)域的最大厚度。那么區(qū)域厚度d的范圍為：

(5)

式中:k以探測(cè)邊緣點(diǎn)的個(gè)數(shù)而定，n≥2k。當(dāng)LIF探測(cè)油膜區(qū)域多個(gè)邊緣，若估算其最小厚度與最大厚度相近，說(shuō)明該油膜分布較為平坦。

4 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，主要由波長(zhǎng)405 nm激光光源、光纖準(zhǔn)直鏡、AvaSpec-ULS2048光譜儀3部分構(gòu)成。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental system

光譜儀的波長(zhǎng)范圍為200～1 100 nm，測(cè)量波長(zhǎng)間隔為0.59 nm，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為±0.03 nm。石英光纖用于連接光譜儀與光纖準(zhǔn)直鏡。激光器與準(zhǔn)直鏡同時(shí)安裝在可調(diào)傳動(dòng)滑臺(tái)上，用于獲取油膜邊緣的拉曼散射光和熒光信號(hào)的變化。采用1 600倍電子顯微鏡，用于觀察油膜邊緣的擴(kuò)展形態(tài)。實(shí)驗(yàn)油品采用原油、工業(yè)白油與海水。其中，原油來(lái)自大港油田，由于粘度較高，將原油與白油以1:20的比例進(jìn)行混合，使其能夠在水面自然擴(kuò)展。海水來(lái)自秦皇島市渤海水域。

實(shí)驗(yàn)采用1 m×1 m×0.3 m裝滿海水的容器。為了構(gòu)建海面不同情況下的厚油膜區(qū)域，在容器的一側(cè)設(shè)計(jì)斜面，將實(shí)驗(yàn)油品倒入該斜面，使實(shí)驗(yàn)油品順著斜面緩緩流入水中，擴(kuò)展油膜近似于海面油膜區(qū)域靠近邊緣的部分，進(jìn)而來(lái)模擬海面溢油的一部分油膜區(qū)域。

油膜邊緣擴(kuò)展的前后形態(tài)變化如圖5所示。在油膜擴(kuò)展初期，如圖5(a)所示，油膜邊緣薄，越靠近油膜中心方向越厚，且厚度增長(zhǎng)較快;油膜擴(kuò)展到一定時(shí)間后形成平坦的厚油膜，如圖5(b)所示，平坦厚油膜邊緣由薄到厚變化較為緩慢，該圖與圖2油膜邊緣形態(tài)的描述一致。

圖5 油膜擴(kuò)展前后邊緣形態(tài)變化的顯微圖Fig.5 Micrograph of the change of oil film diffusion morphology

5 結(jié)果與討論

本文方法進(jìn)行厚度評(píng)估的關(guān)鍵在于利用熒光強(qiáng)度估算油膜厚度。為了驗(yàn)證估算方法的正確性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中激光器采用連續(xù)脈沖信號(hào)，功率P0為0.2 W，波長(zhǎng)帶寬Δλ為3 nm，光纖準(zhǔn)直鏡的直徑D為5 mm，準(zhǔn)直鏡距液面高度H為10 cm，光譜儀的積分時(shí)間t設(shè)為0.5 s。根據(jù)式(3)，通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)油品厚油膜與清潔海水的熒光強(qiáng)度之比可得厚油膜熒光轉(zhuǎn)換效率與清潔海水熒光轉(zhuǎn)換效率的比值，即：

(6)

式中：Ki為厚油膜的熒光強(qiáng)度，也就是系統(tǒng)探測(cè)油膜時(shí)熒光強(qiáng)度不再隨油膜厚度增加而變化的點(diǎn)；Kw為清潔海水的熒光強(qiáng)度。

選取熒光波長(zhǎng)為438 nm的熒光強(qiáng)度進(jìn)行估算，可得ηi/ζi=9.67，實(shí)驗(yàn)油品的ke與ki之和為 0.05 μm-1。根據(jù)上述各個(gè)參數(shù)可得油膜厚度d和不同厚度油膜的Rd的表達(dá)式為：

(7)

采用LIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲取不同厚度油膜的熒光光譜，將獲取的熒光光譜減去背景光信號(hào)，并利用Savitzky-Golay濾波器進(jìn)行平滑處理，如圖6所示。油膜的熒光光譜有2個(gè)峰值波段，位于波長(zhǎng)430～440 nm和波長(zhǎng)450～460 nm，熒光特征明顯的覆蓋范圍是波長(zhǎng)420～500 nm。由圖6可看出，隨著油膜厚度的增加，熒光強(qiáng)度逐漸增大至平緩。

圖6 不同厚度的油膜熒光光譜Fig.6 Fluorescence spectra of oil film with different thickness

選取實(shí)驗(yàn)獲取的波長(zhǎng)為438 nm的不同油膜厚度油膜熒光強(qiáng)度與海水熒光強(qiáng)度比值Rd和對(duì)應(yīng)的油膜厚度，與本文估算的油膜厚度相比,結(jié)果見(jiàn)圖7所示。由圖7可以看出，本文方法估算的油膜厚度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

圖7 估算方法與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison of estimation method and experimental results

將實(shí)測(cè)厚度與估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出：油膜較薄時(shí)，估算的厚度與實(shí)測(cè)厚度之間的相對(duì)偏差較大；當(dāng)厚度大于20 μm時(shí)，相對(duì)偏差較小，在±10%左右。相對(duì)偏差不僅來(lái)源于估算方法的誤差，還來(lái)源于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所帶來(lái)的誤差，以及由于溢油自身張力等性質(zhì)難以獲得理想厚度的油膜等。結(jié)果表明，本文方法適用于厚油膜的估算。

表1 實(shí)測(cè)厚度與估算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison between theoretical thickness and estimated results

利用本文提出的對(duì)平坦厚油膜區(qū)域的判定與評(píng)估方法，采用LIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依次獲取平坦厚油膜多個(gè)邊緣的熒光光譜，根據(jù)熒光光譜評(píng)估區(qū)域厚度。為了分析不同邊緣個(gè)數(shù)以及不同油膜擴(kuò)展情況對(duì)評(píng)估方法的影響，本文實(shí)驗(yàn)對(duì)同一油膜分別采集3，4，5與6個(gè)邊緣，以及不同擴(kuò)展面積的油膜進(jìn)行估算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 平坦厚油膜的評(píng)估結(jié)果Tab.1 Evaluation results of even thick oil film

由表2中可以看出：針對(duì)同一油膜區(qū)域，隨著邊緣個(gè)數(shù)的增加，厚度估算的分布范圍也一直在變化，這是因?yàn)橛湍み吘壓穸鹊淖兓⒉皇峭耆嗤?，探測(cè)的邊緣個(gè)數(shù)越多，越能反映整體油膜區(qū)域的厚度；隨著時(shí)間的推移，油膜擴(kuò)展面積增大，厚度估算的分布范圍明顯縮小，這是因?yàn)橛湍U(kuò)展的時(shí)間越長(zhǎng)，油膜的分布越平坦。

6 結(jié) 論

本文依據(jù)LIF探測(cè)油膜的水體拉曼散射光和熒光的信號(hào)特點(diǎn)，給出了海面平坦和非平坦兩種厚油膜區(qū)域的判定方法。針對(duì)平坦厚油膜區(qū)域，提出了基于LIF技術(shù)的熒光強(qiáng)度邊緣厚度評(píng)估方法，解決了目前LIF技術(shù)對(duì)厚油膜區(qū)域監(jiān)測(cè)方法的難題。

(1) 實(shí)驗(yàn)觀察了厚油膜的邊緣形態(tài)，驗(yàn)證了本文對(duì)平坦厚油膜邊緣形態(tài)的描述。采用波長(zhǎng)為 405 nm 的激光光源，原油和白油的混合油作為實(shí)驗(yàn)油品對(duì)估算方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用LIF探測(cè)海面油膜時(shí)，熒光強(qiáng)度可有效估算油膜厚度。

(2) 基于本文評(píng)估方法對(duì)油膜樣品的多個(gè)邊緣厚度進(jìn)行了評(píng)估，獲取了不同面積油膜區(qū)域的評(píng)估結(jié)果，驗(yàn)證了所提出方法的正確性與合理性。研究結(jié)果表明邊緣個(gè)數(shù)的增加，更易貼近油膜區(qū)域的實(shí)際厚度，且評(píng)估結(jié)果可體現(xiàn)海面溢油油膜分布的平坦程度。

(3) 本文方法為海面溢油厚油膜區(qū)域厚度的評(píng)估提供了一種新的方法，也為L(zhǎng)IF探測(cè)海面溢油開(kāi)辟了新的思路。