海面溢油油包水乳化液多種探測(cè)參數(shù)的BRRDF仿真研究

張曉丹，孔德明，袁 麗，孔德瀚，孔令富

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 066000

引 言

隨著海上石油運(yùn)輸和石油開(kāi)采業(yè)的快速發(fā)展，海面溢油事故頻發(fā)[1]。及時(shí)監(jiān)測(cè)海面溢油信息、鑒別溢油種類(lèi)、估算溢油量及污染程度是快速有效治理溢油污染的基礎(chǔ)與前提。近年來(lái)遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海面溢油監(jiān)測(cè)中，其中激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence, LIF)探測(cè)技術(shù)不僅能識(shí)別溢油種類(lèi)，且對(duì)溢油范圍和污染程度的評(píng)估同樣具有巨大潛力，已被公認(rèn)是目前海面溢油遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)[2-3]。

溢油進(jìn)入海域?qū)⒀杆贁U(kuò)散成油膜，并受海面風(fēng)浪、光氧化、生物降解等作用逐漸形成了水包油或油包水乳化液。近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)海面溢油檢測(cè)已開(kāi)展了大量研究[4-5]。但都是針對(duì)海面溢油污染中未乳化階段油膜和乳化階段水包油進(jìn)行的建模與研究，而對(duì)乳化階段油包水這一重要內(nèi)容的研究較少，且目前僅集中在微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征、分散相水滴粒徑分布方面[6]，光學(xué)特性方面的研究鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。雙向反射再輻射分布函數(shù)(bidirectional reflectance and reradiation distribution functions, BRRDF)可表征目標(biāo)在激光照射下的熒光特性[7]。張曉丹等[8]利用BRRDF分別對(duì)未乳化階段油膜和乳化階段水包油進(jìn)行了熒光特性研究，將BRRDF引入到了海洋遙感領(lǐng)域的研究中。

我們基于蒙特卡羅方法和Mie散射理論，應(yīng)用雙向反射再輻射分布函數(shù)，針對(duì)油包水乳化液建立光子傳輸模型，開(kāi)創(chuàng)性地模擬油包水乳化液的fBRRDFcosθrcosθi，分析fBRRDFcosθrcosθi與油包水的含油率、厚度、探測(cè)時(shí)入射接收角度等相關(guān)探測(cè)參數(shù)的關(guān)系。

1 油包水乳化液的仿真模型描述

采用蒙特卡羅方法建立光子傳輸模型。此模型的設(shè)定條件為： 氣水界面水平、海水無(wú)限深、水體內(nèi)無(wú)其他光源； 為能接收到各個(gè)方向的熒光信號(hào)，探測(cè)器位置盡可能遠(yuǎn)。在給定角度處入射1億光子，在海面上半球1 296個(gè)立體角內(nèi)分別固定一個(gè)虛擬探測(cè)器以接收逃離海面的熒光光子，通過(guò)統(tǒng)計(jì)所有熒光光子在各立體角內(nèi)的權(quán)重得到BRRDF數(shù)值。圖1(a)為光子在介質(zhì)中的傳輸示意圖。其中油包水乳化液的顯微結(jié)構(gòu)放大圖如圖1(b)所示。

圖1 光子在介質(zhì)中傳播的切面示意圖(a)及油包水乳化液的顯微結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.1 Cross-section of photon propagation in medium (a) and microstructure of water-in-oil emulsion (b)

如圖1(a)所示，激光入射到介質(zhì)，可能發(fā)生的折射、散射、吸收和輻射熒光等由介質(zhì)的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和體散射相函數(shù)來(lái)確定。由于油包水乳化液水滴粒徑尺度集中分布在0.01～15 μm范圍內(nèi)，這與可見(jiàn)光波段相當(dāng)，因此利用Mie散射理論可計(jì)算得到介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)。本工作的油包水乳化液和文獻(xiàn)[8]中水包油乳化液的熒光物質(zhì)分別以連續(xù)相油和分散相油滴形式存在，故在整個(gè)傳輸模型中涉及的吸收系數(shù)、散射系數(shù)等光學(xué)參數(shù)存在差異性。油包水乳化液的吸收系數(shù)、散射系數(shù)表達(dá)式為

a(λ)=ρa(bǔ)o(λ)+aw(λ)

(1)

b(λ)=bw(λ)

(2)

式(1)和式(2)中：λ為波長(zhǎng)，ρ為油包水乳化液的含油率，ao(λ)為純油的吸收系數(shù)。aw(λ)和bw(λ)分別為相應(yīng)濃度乳化液水滴粒子系的吸收系數(shù)、散射系數(shù)。表達(dá)式分別為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Qabs和Qsca分別為吸收、散射系數(shù)效率因子，α為水滴粒子的尺寸參數(shù)，m為水滴粒子的復(fù)折射率，r為水滴粒子半徑，f(r)為水滴粒徑分布概率密度函數(shù)。

fBRRDF是描述目標(biāo)表面出射微分輻亮度與入射微分輻照度比值關(guān)系的函數(shù)?；贚IF技術(shù)探測(cè)海面溢油時(shí)，相同入射接收條件，LIF系統(tǒng)在某一接收波長(zhǎng)處的熒光功率Pr正比于fBRRDF與入射接收天頂角余弦的乘積即fBRRDFcosθrcosθi[8]。故建立海面溢油油包水乳化液的BRRDF仿真模型，獲得fBRRDFcosθrcosθi與基于LIF技術(shù)油包水乳化液探測(cè)參數(shù)的關(guān)系，為實(shí)際LIF探測(cè)及通過(guò)LIF系統(tǒng)接收的熒光信號(hào)判斷海面溢油油包水污染情況提供理論指導(dǎo)和重要依據(jù)。

2 油包水乳化液的仿真研究

2.1 仿真參數(shù)處理

計(jì)算不同油品不同含油率的油包水乳化液在405和500 nm波段的吸收系數(shù)、散射系數(shù)如表1和表2所示?？煽闯觯桶榛弘S含油率的升高其吸收系數(shù)逐漸增大，散射系數(shù)逐漸減小。這是由于原油主要表現(xiàn)為吸收作用且吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于海水吸收系數(shù)的原故。

表1 1號(hào)油包水乳化液的吸收系數(shù)、散射系數(shù)Table 1 Absorption coefficient and scattering coefficient of No.1 water-in-oil emulsion

表2 2號(hào)油包水乳化液的吸收系數(shù)、散射系數(shù)Table 2 Absorption coefficient and scattering coefficient of No.2 water-in-oil emulsion

乳化液發(fā)射的熒光強(qiáng)度受熒光量子產(chǎn)率影響，熒光量子產(chǎn)率與乳化液含油率的關(guān)系如圖2所示?？煽闯鰺晒饬孔赢a(chǎn)率隨含油率的升高呈下降趨勢(shì)。

圖2 熒光量子產(chǎn)率與含油率的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship between fluorescence quantum yield and oil content

2.2 仿真與分析

目標(biāo)的輻射特性是其相關(guān)參數(shù)對(duì)LIF探測(cè)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等有重要影響。研究油包水乳化液含油率、厚度及探測(cè)時(shí)入射接收角等參數(shù)下的fBRRDFcosθrcosθi對(duì)基于LIF的海面溢油監(jiān)測(cè)、溢油量評(píng)估、溢油污染處理等有重要意義。

2.2.1 不同濃度的仿真與分析

仿真中構(gòu)建三維圓柱坐標(biāo)系表示fBRRDFcosθrcosθi的分布，縱坐標(biāo)為fBRRDFcosθrcosθi，上方圓盤(pán)表示極坐標(biāo)和角度坐標(biāo)，分別代表光子的天頂角和方位角。

在激光波長(zhǎng)405 nm，熒光波長(zhǎng)500 nm時(shí)，對(duì)厚度30 μm，不同含油率的油包水乳化液進(jìn)行fBRRDFcosθrcosθi仿真，其中含油率為60%時(shí)fBRRDFcosθrcosθi的三維分布如圖3所示。并在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上得到水包油乳化液高濃度下的fBRRDFcosθrcosθi，與油包水的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。根據(jù)油包水和水包油乳化液各自物理結(jié)構(gòu)與分布等因素，對(duì)含油率分別為60%～90%、10%～40%的乳化液進(jìn)行研究。

圖3 油包水乳化液在含油率為60%時(shí)fBRRDFcosθrcosθi的三維分布圖Fig.3 Three dimensional distribution map of fBRRDFcosθrcosθi in water-in-oil emulsion with oil content of 60%

圖4 兩種乳化液不同含油率的對(duì)比結(jié)果(a)： 油包水乳化液； (b)： 水包油乳化液； (c)： 45°接收角處各含油率的fBRRDFcosθrcosθi值Fig.4 Comparison of two emulsions with different oil contents(a)： Water-in-oil emulsion; (b)： Oil-in-water emulsion;(c)： Value of fBRRDFcosθrcosθi of each oil content at the acceptance angle of 45°

由圖3可看出，油包水乳化液fBRRDFcosθrcosθi的形狀大致關(guān)于中心對(duì)稱(chēng)，與光子出射的方位角無(wú)關(guān)，這是由于輻射熒光是各向同性的。由圖4可知，兩種乳化液的fBRRDFcosθrcosθi值均隨含油率的升高呈下降趨勢(shì)，且油包水的下降速率及fBRRDFcosθrcosθi的整體值較水包油的低。這主要是隨乳化液含油率的升高，熒光量子產(chǎn)率下降導(dǎo)致的(見(jiàn)圖2)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真的正確性，利用實(shí)驗(yàn)室搭建的便捷式LIF系統(tǒng)對(duì)不同含油率的原油油包水進(jìn)行熒光光譜測(cè)量，并與fBRRDFcosθrcosθi進(jìn)行趨勢(shì)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中激發(fā)光源由NDV4542激光二極管和電源組成，激發(fā)波長(zhǎng)為405 nm，光譜儀采用AvaSpec-ULS2048型號(hào)光纖光譜儀。將Span80和Tween80兩種乳化劑以10∶1比例分別與一定量的原油和水混合，再將兩者混合倒入燒杯，利用高速攪拌機(jī)攪拌30分鐘以制備出一定含油率的油包水乳化液。制備的樣本含油率分別為60%，70%，80%，90%。在采集光譜過(guò)程中，固定激光二極管、光纖探頭與樣本間的角度、距離。選用Avasoft8軟件采集光譜信號(hào)，波長(zhǎng)范圍為420～750 nm，積分時(shí)間為400 ms，每組樣本進(jìn)行多點(diǎn)多次采集光譜，將采集到的光譜扣除背景光后求得平均值作為最終的光譜數(shù)據(jù)如圖5(a)所示，取各光譜波長(zhǎng)500 nm處熒光與仿真進(jìn)行對(duì)比如圖5(b)所示。油包水乳化液的熒光強(qiáng)度隨含油率的升高基本呈下降趨勢(shì)，因此利用fBRRDFcosθrcosθi函數(shù)得到的油包水乳化液隨含油率增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)是正確的。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真對(duì)比(a)： 不同含油率下的熒光光譜； (b)： 趨勢(shì)對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental and simulation data(a)： Fluorescence spectra under different oil content;(b)： Trend comparison

2.2.2 不同入射接收角度的仿真與分析

為找到基于LIF系統(tǒng)探測(cè)海面油包水乳化液適宜的入射接收角度，必須探討入射接收角度與fBRRDFcosθrcosθi的關(guān)系。由圖3可知LIF系統(tǒng)接收的熒光功率與方位角無(wú)關(guān)，故對(duì)入射角分別為0°，25°，45°，65°和85°各接受角的fBRRDFcosθrcosθi進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6(a)所示。同時(shí)利用2.2.1所述的實(shí)驗(yàn)裝置和材料采集不同入射角度處油包水的熒光光譜以驗(yàn)證仿真正確性。其他條件固定，采集激光入射角度分別為0°，20°，40°，60°，70°，80°時(shí)的熒光光譜，處理后的光譜數(shù)據(jù)如圖6(b)所示，取波長(zhǎng)為500 nm處熒光的實(shí)測(cè)值與仿真進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如圖6(c)所示。

由圖6(a)可知接收角θr一定時(shí)，fBRRDFcosθrcosθi隨入射角θi的增大先平穩(wěn)后減小，尤其當(dāng)θi>65°時(shí)下降迅速。當(dāng)入射角θi一定，fBRRDFcosθrcosθi值隨接收角θr的增大逐漸減小，在θr=0°時(shí)獲得最大值。由圖6(b)和(c)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中獲得的不同入射角處的熒光光譜與仿真結(jié)果具有基本一致性的變化趨勢(shì)。以上說(shuō)明基于蒙特卡羅光子傳輸模型進(jìn)行油包水乳化液的fBRRDFcosθrcosθi仿真是正確的，且可利用此仿真研究其他參數(shù)與fBRRDFcosθrcosθi的關(guān)系。

圖6 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果(a)： 不同接受角的fBRRDFcosθrcosθi； (b)： 不同入射角的熒光光譜； (c)： 趨勢(shì)對(duì)比Fig.6 Comparison of simulation and experimental data(a)： fBRRDFcosθrcosθi at different acceptance angles; (b)： Fluorescence spectra at different incident angles; (c)： Trend comparison

2.2.3 不同厚度的仿真與分析

在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上探討油包水乳化液的厚度與fBRRDFcosθrcosθi的關(guān)系，選擇1號(hào)重質(zhì)、2號(hào)輕質(zhì)原油油品為對(duì)象，對(duì)不同厚度的油包水乳化液進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種油的油包水乳化液不同厚度的fBRRDFcosθrcosθi(a)： 1號(hào)油品； (b)： 2號(hào)油品； (c)： 45°接收角處不同厚度的fBRRDFcosθrcosθiFig.7 fBRRDFcosθrcosθi of different thicknesses of water-in-oil emulsions of two oil products(a)： No.1 oil product; (b)： No.2 oil product; (c)： fBRRDFcosθrcosθi with different thicknesses at a acceptance angle of 45°

由圖7看出1號(hào)、2號(hào)的fBRRDFcosθrcosθi隨乳化液厚度的增加均表現(xiàn)為先上升后飽和的趨勢(shì)。這主要是隨乳化液厚度的增加，雖會(huì)產(chǎn)生更多熒光光子，但由于吸收作用使其不足以通過(guò)很厚的介質(zhì)被接收，造成fBRRDFcosθrcosθi逐漸趨于飽和。同時(shí)，由表1、表2及圖2發(fā)現(xiàn)，1號(hào)乳化液的吸收系數(shù)較大，熒光量子產(chǎn)率較低，故導(dǎo)致1號(hào)的fBRRDFcosθrcosθi值更快飽和，且整體值低于2號(hào)。由此可通過(guò)fBRRDFcosθrcosθi得到海面油包水乳化液的最小厚度，并在一定程度上區(qū)分溢油類(lèi)型。而在乳化液厚度未知的情況下，由于fBRRDFcosθrcosθi存在重疊區(qū)，故需結(jié)合新信號(hào)源進(jìn)行溢油類(lèi)型判別，這將作為下一步的工作重點(diǎn)。

3 結(jié) 論

結(jié)合蒙特卡羅方法和Mie散射理論，建立了海面溢油污染中油包水乳化液的BRRDF仿真模型，利用該模型得到基于LIF接收的熒光信號(hào)與探測(cè)各參數(shù)的關(guān)系。分析可知，海面油包水受激輻射的熒光信號(hào)隨含油率的上升呈下降趨勢(shì)。這可作為基于LIF探測(cè)評(píng)估海面溢油油包水乳化液含油率(濃度)的依據(jù)之一。在乳化溢油油包水的實(shí)際LIF探測(cè)中，入射接收角均不宜過(guò)大，入射角應(yīng)小于65°，接收角為0°時(shí)可獲得最佳熒光信號(hào)。由fBRRDFcosθrcosθi與油包水乳化液厚度的關(guān)系得知，油包水受激輻射的熒光信號(hào)隨厚度的增加呈先上升后飽和的趨勢(shì)，且重質(zhì)油達(dá)到飽和點(diǎn)的最小厚度遠(yuǎn)小于輕質(zhì)油。這可作為基于LIF探測(cè)海面溢油油包水乳化液最小厚度的判定參考，為評(píng)估溢油量提供數(shù)據(jù)源，同時(shí)為溢油油種的識(shí)別也提供了特征依據(jù)。

溢油進(jìn)入海域，由于自身性質(zhì)和海面風(fēng)浪等環(huán)境的不斷作用與影響，會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的風(fēng)化過(guò)程，通常被劃分為未乳化、乳化等階段。本文工作僅探討在氣水界面水平條件下，基于LIF技術(shù)海面溢油油包水乳化液探測(cè)參數(shù)的雙向反射再輻射分布函數(shù)。對(duì)未乳化油膜階段以及海面風(fēng)浪、波紋等復(fù)雜環(huán)境下海面溢油的BRRDF研究將是今后的工作重點(diǎn)。