水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備研發(fā)與測試

劉連坤,賈建娜,鄭 鵬,田兆碩,彭士濤

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),威海 264200)

港口碼頭水域溢油會在水面快速形成油膜,在風(fēng)力、水流作用下不斷擴(kuò)散、溶解、乳化,甚至隨食物鏈不斷轉(zhuǎn)移,嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)環(huán)境并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。2010年4月,美國墨西哥灣西西比海底峽谷252區(qū)塊Macondo探區(qū)發(fā)生嚴(yán)重海洋石油泄漏污染,事故污染近1 500 km海灘,多種物種滅絕,嚴(yán)重破壞了墨西哥灣生態(tài)平衡,并造成超過680億美元的經(jīng)濟(jì)損失[6]。為有效提升我國溢油風(fēng)險防范能力,2022年3月發(fā)布的《國家重大海上溢油應(yīng)急能力發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》指出,對高風(fēng)險海域開展常態(tài)化監(jiān)測是降低溢油損失并實(shí)現(xiàn)對重大溢油事件的感知向早期延伸的重要手段。為實(shí)現(xiàn)對溢油的有效監(jiān)測,目前已經(jīng)發(fā)展出了包括可見光探測技術(shù)、紅外光譜測量技術(shù)及激光誘導(dǎo)熒光探測技術(shù)等在內(nèi)的多種技術(shù)方法,形成了岸基、船載和浮標(biāo)式溢油監(jiān)測設(shè)備。但目前的溢油探測技術(shù)方法大多容易受環(huán)境影響無法準(zhǔn)確判斷油膜厚度,設(shè)備主要用于港口碼頭等平臺搭載,部分浮標(biāo)式溢油探測設(shè)備也容易受到陽光、風(fēng)浪的交互影響并干擾探測結(jié)果。

本文梳理總結(jié)了主要溢油探測技術(shù)方法,基于激光熒光與拉曼散射提出了激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,設(shè)計了溢油監(jiān)測傳感器系統(tǒng)并研發(fā)了水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備和溢油監(jiān)測傳感系統(tǒng),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備及系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性,為港口碼頭水域的全方位溢油監(jiān)測提供有力支撐。

1 溢油探測技術(shù)現(xiàn)狀

水面溢油監(jiān)測方法主要包括可見光探測技術(shù)、紅外光譜測量技術(shù)、紫外照相技術(shù)、微波傳感測量技術(shù)以及激光誘導(dǎo)熒光探測技術(shù)等。

可見光探測技術(shù)屬于被動式監(jiān)測技術(shù),可以探測水面的所有元素?？梢钥朔癫钆c畸變,但易受波浪反射的日光閃爍影響,無法測量油膜厚度并會因水藻和深色垃圾造成誤報警[7]。

紅外光譜測量技術(shù)主要利用油液和水體吸收太陽輻射并釋放熱能的差異,通常油液的紅外發(fā)射率高于水,據(jù)此在紅外圖像中區(qū)分油液和水體。但低于20 μm厚度的油膜紅外輻射是恒定的,紅外光譜技術(shù)基本失效,且該技術(shù)在夜間效果較差且受到海藻等假目標(biāo)干擾[8]。

紫外照相技術(shù)利用紫外照相機(jī)與掃描式空間相機(jī)對油膜受光照后反射出的紫外線進(jìn)行探測。此方法簡單方便,但易受陽光閃爍、水中生物影響且無法測量油膜厚度。此外,紫外分光光度法主要用于在實(shí)驗(yàn)室檢測水中的油含量[9]。

微波傳感測量技術(shù)主要利用微波雷達(dá)或微波輻射計[10]。微波雷達(dá)屬于主動遙感監(jiān)測技術(shù),通常海洋毛細(xì)波反射雷達(dá)能量會形成“明亮”圖像,而油膜反之,形成“暗”圖像,根據(jù)圖像區(qū)別對溢油進(jìn)行監(jiān)測。該技術(shù)適用于大范圍搜索溢油區(qū)域,受夜晚和云霧影響小,但受藻類等因素干擾。微波輻射計利用油膜自發(fā)輻射信號強(qiáng)于海水的原理,通過分辨海水表面與油膜表面自發(fā)輻射的微波信號大小來實(shí)現(xiàn)對海面溢油的監(jiān)測,但無法測量油膜厚度。信噪比和分辨率低,不適合準(zhǔn)確監(jiān)測。

激光誘導(dǎo)熒光探測技術(shù)是一種主動探測技術(shù),不同油膜在激光發(fā)射器所發(fā)射激光照射下會反射不同強(qiáng)度熒光,據(jù)此原理進(jìn)行溢油監(jiān)測[11-14]。激光相較于自然光源,具有強(qiáng)度高、單色性好、指向性強(qiáng)等特點(diǎn),并可以探測油品種類,但在進(jìn)行油膜厚度的準(zhǔn)確探測時,單純的激光熒光探測技術(shù)會受到背景熒光影響。

2 基本原理

綜合目前已有的溢油探測技術(shù),充分發(fā)揮激光誘導(dǎo)熒光探測技術(shù)優(yōu)勢,并消除其在油膜厚度探測時受背景噪聲的影響,本文提出了激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,通過測量水表面距離探測系統(tǒng)相同距離的無油膜處且忽略熒光背景后的水拉曼信號強(qiáng)度及有油膜覆蓋處的熒光信號強(qiáng)度,計算油膜厚度并判斷溢油風(fēng)險,是溢油監(jiān)測傳感器設(shè)計、油膜厚度判斷及溢油預(yù)警的基礎(chǔ)理論方案。

激光在照射海水時會產(chǎn)生彈性及非彈性散射光信號,并激發(fā)水中有機(jī)物產(chǎn)生熒光信號,光譜信號相對強(qiáng)度Iλ分布模型及基本原理如圖1所示。圖中虛線代表覆蓋油膜時海水光譜信號,其中包括油液及海水中熒光物質(zhì)受激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的寬帶光譜熒光,及海水受激光拉曼散射特征光譜峰;實(shí)線為無油膜覆蓋時海水光譜信號,此時熒光信號強(qiáng)度較低,拉曼光譜信號強(qiáng)度較高。

圖1 基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic principle

圖中If(0)和If(d)分別為海水被油膜覆蓋前后的寬帶熒光信號強(qiáng)度;Ir(0)與Ir(d)為在特定波長λr的熒光信號和海水受激光拉曼信號強(qiáng)度的疊加;無油膜覆蓋海水拉曼信號強(qiáng)度IR,以及有油膜覆蓋海水拉曼信號強(qiáng)度IR′。

當(dāng)水面覆蓋的厚度為d的油膜受強(qiáng)度為I0的激光垂直照射時,在第i個波長通道處所接收到的油膜激光誘導(dǎo)熒光和水體激光拉曼散射信號總強(qiáng)度I(d)可以表示為

I(d)=ηiI0{1-exp[-(ke+ki)d]}+ζiI0exp[-(ke+ki)d]+δψI0exp[-(ke+ki)d]

(1)

式中：ηi為油膜在第i個波長的熒光轉(zhuǎn)換效率;ke和ki分別為激發(fā)波長λe和任意波長λi處的熒光衰減系數(shù);ζi為波長λi處水的熒光轉(zhuǎn)換效率;ψ為海水在波長λr處拉曼的轉(zhuǎn)換效率;δ函數(shù)在波長λr處為1,其他波長處為0。

式(1)中的第一項(xiàng)是海面油膜熒光強(qiáng)度,第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別為系統(tǒng)接收的海水熒光信號強(qiáng)度和拉曼信號強(qiáng)度。

如果海面上沒有油膜覆蓋,式(1)中油膜厚度d=0,則式(1)可表示為

Ir(0)=ζiI0+ψrI0

(2)

式中：ζi為在波長λi處的海水熒光轉(zhuǎn)換效率;ψr為在λr處海水拉曼轉(zhuǎn)換效率。通過插值法得到海水的背景熒光強(qiáng)度,扣除背景后海水的拉曼強(qiáng)度可表示為

IR=ψrI0

(3)

當(dāng)水面覆蓋厚度為d的油膜時,接收系統(tǒng)在波長λi處的熒光信號強(qiáng)度可表示為

If(d)=ηiI0{1-exp[-(ke+ki)d]}+ζiI0exp[-(ke+ki)d]

(4)

式中：ki為被測油液光衰減系數(shù),被油膜覆蓋的海水熒光信號強(qiáng)度If(d)與無油膜覆蓋水拉曼強(qiáng)度IR之比K(d)表示為

(5)

相比于油膜熒光,海水產(chǎn)生的背景熒光較弱基本可以忽略,但忽略海水背景熒光后,式(5)可簡化為

K(d)=C[1-exp(-Ad)]

(6)

式中：A=ke+ki為油的總衰減系數(shù);C為激光穿透最大油膜厚度時的熒光強(qiáng)度與無油膜覆蓋時海水拉曼信號強(qiáng)度之比,在同強(qiáng)度激光激發(fā)下,C=(ηiI0)/(ψrI0)=ηi/ψr,為常數(shù);ηi和ψr分別取決于被測油和海水的自身光學(xué)特性。由式(6)得到油膜厚度可表示為

(7)

由式(7)可知,通過探測無油膜覆蓋海水拉曼信號強(qiáng)度及油膜熒光強(qiáng)度,即可確定油膜厚度,如果設(shè)置報警厚度閾值,可在溢油油膜超過閾值時產(chǎn)生溢油報警。

3 溢油監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)對溢油的有效探測,基于激光熒光與拉曼散射比值耦合理論設(shè)計了溢油監(jiān)測傳感器系統(tǒng),主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)和光信號接收系統(tǒng),如圖2所示。激光發(fā)射系統(tǒng)主要包括同步控制電路、驅(qū)動電路和405 nm激光器;光信號接收系統(tǒng)由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、像增強(qiáng)器和CCD組成。系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)接口連接計算機(jī),實(shí)現(xiàn)控制信號輸入和圖像信息輸出等。

圖2 傳感器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 The composition of the sensor system

傳感器激光發(fā)射系統(tǒng)的激發(fā)光源選用405 nm半導(dǎo)體激光器,TTL調(diào)制,重頻0～100 kHz可調(diào)節(jié)?？刂菩盘柾ㄟ^串行通訊接口傳輸?shù)郊す獍l(fā)射器,激光器頻率和功率由指令控制,激光器發(fā)射的激光直接照射到監(jiān)測水域液面,激發(fā)液面產(chǎn)生激光熒光。

計算機(jī)控制信號首先傳輸至同步控制電路,同步控制電路將信號同時分配至激光發(fā)射系統(tǒng)和光信號接收系統(tǒng),確保激光發(fā)射與信號接收實(shí)現(xiàn)時序同步。

在傳感器的光信號接收系統(tǒng),可利用望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)接收遠(yuǎn)處微弱的熒光信號及水體拉曼散射信號。利用陰極靈敏度較高的像增強(qiáng)器作為光電探測器將微弱熒光信號轉(zhuǎn)換成電信號,并在熒光屏成像。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收光信號經(jīng)分光系統(tǒng)后,由像增強(qiáng)器和CCD耦合后對光信號進(jìn)行采集。其中,像增強(qiáng)器可以把亮度較低品質(zhì)較差的光學(xué)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,CCD圖像傳感器將像增強(qiáng)器傳輸?shù)墓鈱W(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。傳感器采集的光信號通過CCD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,可以利用LabVIEW等平臺編寫的控制軟件對信號進(jìn)行光譜采集、光譜分離、熒光基線提取等處理,同時基于激光熒光與拉曼散射比值耦合理論對提取的水面拉曼信號強(qiáng)度及油膜熒光強(qiáng)度進(jìn)行算法處理,實(shí)現(xiàn)光譜實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)處理及保存等功能。

為了消除水面波浪疊加陽光產(chǎn)生的背景噪聲對光學(xué)探測的不利影響,系統(tǒng)可以設(shè)定脈沖時間并進(jìn)行脈沖測量,在一個完整的脈沖周期內(nèi),激光發(fā)射和關(guān)閉交替進(jìn)行,而CCD和像增強(qiáng)器持續(xù)開啟。在激光發(fā)射時,CCD接收激光激發(fā)的熒光信號及背景光信號;在激光關(guān)閉時,CCD接收的僅為背景干擾信號。利用算法將激光開啟測得的熒光信號扣除背景光信號便獲得扣除背景噪聲的溢油等熒光物質(zhì)的熒光信號。

4 設(shè)備構(gòu)成

以溢油監(jiān)測傳感器為核心部件,設(shè)計了水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備。設(shè)備綜合運(yùn)用了激光誘導(dǎo)熒光、拉曼散射、自動控制技術(shù)、云計算技術(shù)、太陽能供電技術(shù)等,整合通訊網(wǎng)絡(luò)組成在線監(jiān)測體系,可以將監(jiān)測點(diǎn)位、數(shù)量和反饋信號等數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫,利用所提出的激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,實(shí)現(xiàn)對港口碼頭水域溢油的實(shí)時監(jiān)測。

該設(shè)備采用大功率發(fā)電單晶硅太陽能電池板發(fā)電,太陽能電池板設(shè)置在設(shè)備頂面并傾斜約45°以便更好接收太陽能輻射,平均發(fā)電功率約為15 W。太陽能電池板與蓄電池電連接,配備電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電能存儲并向傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸裝置供電;電池蓄能可以在夜間及陰雨天為設(shè)備供電。

傳感器采用設(shè)計的溢油監(jiān)測傳感器,利用輸出功率可達(dá)850 MW的405 nm半導(dǎo)體激光器。傳感器設(shè)置在設(shè)備主體正下方位置,垂直向下照射水面。

實(shí)際設(shè)備如圖3所示,主體采用全鋁框架結(jié)構(gòu)[15],通過4個距離直徑30 cm的空心浮球?yàn)樵O(shè)備提供浮力,結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、重心較低,具備較好乘波性能。相鄰浮球之間,利用不透光鋁板進(jìn)行連接,有效阻擋雜光射入設(shè)備底部,避免陽光與風(fēng)浪交互作用下產(chǎn)生的背景噪聲擾動。擋板上設(shè)置5×10 cm的開孔,不影響監(jiān)測區(qū)域水流流場。

圖3 水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備Fig.3 Floating oil spill monitoring equipment in port and wharf water

設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸采用4G通訊傳輸裝置,與溢油監(jiān)測傳感器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接,可以將傳感器原始數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器,由云端服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲、分析和發(fā)布數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)平臺

設(shè)計了適用于水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備的溢油監(jiān)測傳感系統(tǒng)平臺,整合利用水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備的云端服務(wù)器數(shù)據(jù),設(shè)置數(shù)據(jù)地圖、數(shù)據(jù)查詢、報警管理及設(shè)備管理模塊。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)地圖模塊主要用于顯示溢油監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)等。在數(shù)據(jù)地圖模塊可以選擇指定設(shè)備,進(jìn)行地圖顯示、設(shè)備搜索、傳感器啟停、關(guān)閉報警,并顯示監(jiān)測設(shè)備的閾值線和實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊主要用于查詢設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)或在特定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。在數(shù)據(jù)查詢模塊可以通過“時間段”選項(xiàng)選擇要查詢的時間區(qū)間,包括“最近10 min”、“最近3 h”及“最近1 d”等選項(xiàng)。通過“自定義時間段”選項(xiàng)還可以選擇要查詢的特定時間區(qū)間。模塊下方表格顯示設(shè)備的歷史報警信息。

系統(tǒng)報警管理模塊主要用于展示并處理溢油報警信息。在報警管理模塊可以展示報警信息、關(guān)閉報警、設(shè)置報警處理情況,還可以導(dǎo)出特定時間段內(nèi)的報警信息報表。

系統(tǒng)設(shè)備管理模塊主要用于顯示并設(shè)置設(shè)備信息。在設(shè)備管理模塊可以直觀顯示設(shè)備狀態(tài)和異常信息,通過“添加設(shè)備”選項(xiàng),可以設(shè)置設(shè)備名稱、設(shè)備號、設(shè)備序列號、設(shè)備位置、報警閾值、收集頻率、上報頻率、校準(zhǔn)頻率及報警間隔等信息。

6 應(yīng)用測試

為了驗(yàn)證水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備效果,利用柴油油樣對設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測試。

6.1 試驗(yàn)測試

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)設(shè)置裝滿純水的水池,為了控制油液擴(kuò)散范圍,在水池用圍油欄圈圍油液可擴(kuò)散面積為2 m2,將設(shè)備置于圍油欄內(nèi)進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)開始時,檢測區(qū)域內(nèi)無油液加入,利用電腦記錄設(shè)備反饋數(shù)據(jù),并作為A組試驗(yàn)結(jié)果。逐次向圍油欄區(qū)域內(nèi)加入柴油100 mL。進(jìn)行B組實(shí)驗(yàn)時,向圍油欄區(qū)域內(nèi)累計加入柴油200 mL時,待油液完全擴(kuò)散,油膜厚度均勻,根據(jù)表面積可計算出油膜厚度約0.1 mm,記錄此時檢測數(shù)據(jù)并作為B組試驗(yàn)結(jié)果。待向圍油欄區(qū)域內(nèi)累計加入柴油500 mL時,且油液完全擴(kuò)散均勻,根據(jù)表面積可計算出油膜厚度約0.25 mm,記錄此時檢測數(shù)據(jù)并作為C組試驗(yàn)結(jié)果。重復(fù)以上試驗(yàn)步驟,在加入柴油量累計為700 mL、1 L、1.4 L及2 L時,分別記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),并作為D、E、F及G組試驗(yàn)結(jié)果。

6.2 結(jié)果分析

根據(jù)油樣加入量和實(shí)驗(yàn)區(qū)域面積,計算得出各組試驗(yàn)的油膜厚度。依據(jù)提出的激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,利用所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算反演油膜厚度,作為拉曼熒光比反演結(jié)果。將實(shí)際油膜厚度與拉曼熒光比反演結(jié)果進(jìn)行誤差分析,并繪制圖4進(jìn)行對比。結(jié)果表明,拉曼熒光比反演結(jié)果與實(shí)際油膜厚度誤差最小約1.0%,最大不超過7.5%,檢測結(jié)果基本可信。

圖4 油膜厚度與拉曼熒光比反演結(jié)果對比Fig.4 Comparison of oil film thickness and Raman fluorescence ratio inversion results

實(shí)驗(yàn)過程中,將系統(tǒng)中設(shè)備的報警閾值設(shè)置為0.08 mm,在檢測區(qū)域無油樣加入時,系統(tǒng)顯示實(shí)時數(shù)據(jù)無報警,當(dāng)向試驗(yàn)區(qū)域加入200 mL油樣,即進(jìn)行B組試驗(yàn)結(jié)果記錄時,系統(tǒng)開始報警并展示報警信息。

7 結(jié)論

港口碼頭水域溢油監(jiān)測是溢油突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急能力建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對港口碼頭離岸開闊水域溢油監(jiān)測需求,基于激光熒光與拉曼散射提出了激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,推導(dǎo)了拉曼熒光比反演過程,可以有效演算油膜厚度;基于激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,進(jìn)行了傳感器系統(tǒng)設(shè)計并研發(fā)了利用太陽能供電的水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備,具備良好乘波性能并可以有效屏蔽雜光干擾;設(shè)計了與檢測設(shè)備相匹配的溢油監(jiān)測傳感系統(tǒng)平臺,包括數(shù)據(jù)地圖、數(shù)據(jù)查詢、報警管理及設(shè)備管理模塊,可以對溢油監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)和溢油報警等信息進(jìn)行展示、設(shè)置;最后,通過水池實(shí)驗(yàn)對溢油監(jiān)測設(shè)備和溢油監(jiān)測傳感系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,在油膜厚度為0、0.1 mm、0.25 mm、0.35 mm、0.50 mm、0.70 mm及1.00 mm時記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并反演油膜厚度,反演結(jié)果與油膜厚度誤差最小約1.0%,最大不超過7.5%,證明理論方法基本正確,設(shè)備監(jiān)測性能和系統(tǒng)報警可靠性較高。

研發(fā)的水上浮動式溢油監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無線纜束縛的高性能溢油監(jiān)測,可以為溢油監(jiān)測的全方位應(yīng)用、全空間覆蓋、全角度監(jiān)測提供有力支撐。