海面溢油激光探测系统及相关算法的研究

吴培良, 王智伟, 孔德明, 崔永强, 马勤勇

(1.燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004； 2.燕山大学 河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3.燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004)

1 引 言

对海上石油开采、轮船运输导致海面溢油污染问题进行治理、改善是海洋环境保护工程中刻不容缓的重要工作[1],而对海面溢油进行准确和快速的定位、识别和有效探测溢油量是治理溢油污染的基础与前提。因此,研究快速高效的海面溢油探测手段,对溢油污染治理和海洋生态环境的尽快恢复具有重要意义[2]。

激光诱导荧光(laser-induced fluorescence,LIF)技术被认为是目前较为有效的海面溢油遥感探测技术之一,其具有灵敏度高和可以直接探测出溢油种类等优点[3～6]。近年来相关学者依据LIF探测机理在海面薄油膜厚度评估方面做了比较深入的探讨[7～10],获取了比较完善的海面薄油膜的评估体系。此外,崔永强等[11]还对基于LIF技术的海面较厚油膜(20～800 μm)的评估算法开展了研究,提出一种利用荧光信号评估较厚油膜的反演算法并通过实验验证了该算法的有效性。随着油膜厚度增加,荧光信号逐渐趋于饱和,该方法无法实现对厚油膜(>800 μm)的有效评估。依据LIF探测海面溢油的现实情况以及已有研究表明:紫外或可见光波段的光照射油膜而产生的反射信号与油膜厚度也具有较高的相关性[12～16]。

因此,以紫外波段的激光为光源,采集不同油膜厚度下从气-油界面反射以及折射入油膜中经衰减后由油-水界面反射最终再经油-气界面折射出的总体激光信号可以用来评估油膜厚度。目前国内外学者对此项技术还主要集中于油膜受激产生的荧光和采用水体拉曼散射光开展对海面溢油探测研究,而利用已经存在的激光信号来探测海面溢油信息迄今还未见有关相应的报道,要重新找回该信号的作用并对其进行合理、有效的分析与处理以达到探测海面油膜的目的,亟需一款能够稳定、可靠地接收来自海面溢油激光反射信号的激光探测系统(laser detection system,LDS)。

为此,本文研究了一种能精准定位并准确接收海面溢油激光反射信号的LDS,并对该系统激光发射和接收机构的位姿协调方法进行了探讨。在此基础上,根据系统发射出的激光和从海面溢油反射到系统接收装置的激光强度之间的关系,构建出能正确评估油膜厚度的数学模型,再对其反演便可得海面溢油的油膜厚度。

2 LDS组成结构、原理及协调控制方法

2.1 LDS组成结构

LDS组成结构及激光束传播图如图1所示,系统由激光发射机构、激光接收机构、角度协调机构和增稳云台等组成,其中角度协调机构包括半径为R长度为L的导轨以及驱动电机、滑座和云台等。针对外界环境或载体自身晃动致使LDS稳定性差的问题,提出采用增稳云台将LDS挂载于载体上,依靠增稳云台的俯仰、横滚运动,可最大程度减少外界环境或载体自身晃动对LDS稳定性的影响,进而保证探测机构能垂直于海面开展溢油探测。

图1 LDS组成结构及激光束传播图Fig.1 LDS composition structure and laser beam propagation diagram

为研究激光发射和接收机构之间位姿调控方法,所建立的系统坐标及运动分析如图2所示。

图2 LDS协调运动坐标系分析图Fig.2 LDS coordinated motion coordinate system analysis chart

由图2可见,选择以弧形导轨的中点为原点建立平面直角坐标系Oc(xc,yc)。经分析得知,当系统探测不同海面高度时,激光发射和接收机构需实时调整位姿以使二者光轴与海面相交的点重合于O1、O2点。海面1、海面2分别为不同高度探测时所对应的海面。以原点为分界点,激光发射和接收机构分别位于导轨左右两侧,两者始终同步移动以保持机构在左右两侧的对称位置不变。此外,增稳云台的重心O0点位于yc正半轴上,弧形导轨的圆心O3以及机构光轴与海面的交点O1、O2在yc负半轴上。

2.2 LDS原理

综合考虑LDS工作特点及其调控的合理性,通常选左右两侧距弧形导轨中点1/2处,即图2中A、B两点为激光发射和接收机构的工作位置。由LDS组成结构示意图可知,受机构以及云台自身尺寸的制约,图2中的探测角被限制在αi≤θi≤βi以及αr≤θr≤βr区域内,在此区域通过云台俯仰运动可实时、连续调整探测角度,以满足不同高度探测的需要。

当LDS探测高度上升致使探测角度小于限制区域时,需要移动激光发射和接收机构至新的合适位置,以保证LDS可准确接收激光反射信号并对油膜厚度进行精准测量。当LDS探测高度下降致使探测角度大于限制区域时,激光发射和接收机构位置也要做相应的调整。

2.3 LDS协调控制方法

当探测高度为H0,且两个机构分别位于A、B两点时,设A、B两点坐标分别为A(-xA,-y1)、B(xB,-y1),其中,

(1)

由式(1)可知探测角θi和θr为

(2)

式中:αi=αr、βi=βr分别为系统最小、最大限制角。

此时激光发射和接收机构的云台俯仰角Δγi和Δγr分别为

(3)

式中:γi、γr分别为激光发射、接收机构云台初始角;Δγi>0表示云台向上俯仰;Δγi<0云台向下俯仰;Δγr的正负表示含义与Δγi相同。

由式(2)可知当机构在导轨上的位置不变时,激光发射和接收机构的最大、最小探测高度Hmax、Hmin为

(4)

当探测高度上升h1且此时如需把激光发射和接收机构调整到图2中A′(-xA′,-y2)、B′(xB′,-y2)位置,则调整方法为

(5)

由式(5)可知此时的探测角κi、κr分别为

(6)

式中:ξi=ξr、ωi=ωr分别为系统最小、大限制角。

此时激光发射和接收机构的云台俯仰角Δφi和Δφr分别为

(7)

(8)

3 油膜厚度反演算法研究

有油膜海水和无油膜海水的激光反射光谱如图3所示。

图3 有油膜海水和无油膜海水的激光反射光谱图Fig.3 Laser reflection spectra of sea water with and without oil film

由于气-水界面和气-油界面反射系数不同,致使无油膜海水和有油膜海水的激光反射信号有明显差异。此外,折入油膜内经衰减后由油-水界面反射最终再经油-气界面折射出的激光信号强度会随着油膜厚度的增加呈指数衰减,依据其衰减程度可反演出油膜厚度。

设激光初始强度为L0,根据朗伯-比尔定律可知,到达气-水界面和气-油界面时的激光强度为

(9)

式中K表示大气中的衰减系数。

激光在无油膜海水表面反射并进入接收机构的强度Lwt(λ)为

(10)

式中:Ω为接收立体角;r1为气-水界面的反射系数。

当激光照射有油膜海水时,在气-油界面发生的反射能量Lor(λ)表示为

Lor(λ)=r2·L1(λ)

(11)

式中r2为气-油界面反射系数。

另外,由图1(b)可见,激光折入气-油界面后经过油膜衰减在油-水界面反射最终经油-气界面折出的离水辐射信号Lou(z,λ)为

Lou(z,λ)=

(12)

式中:r3为油-水界面反射系数;r4为油-气界面反射系数;θj为光在油膜内的折射角;这3个参数可由菲涅尔反射定律和斯涅耳公式计算获得[17];βL为油膜的消光系数;z为油膜厚度。

理论上,气-油界面反射信号和离水辐射信号会经高度为H0的大气层被接收机构接收。因此,进入接收机构的总强度Lot(λ)为

Lot(λ)=

(13)

综上所述,有油膜海水和无油膜海水的激光反射信号强度之比可表示为

(14)

令N=(1-r2)r3(1-r4),则由式(14)可得油膜厚度z为

(15)

由式(15)可知,当探测条件和油种一定时,θj、r1、r2、N、Lwt(λ)和βL为常量,而不同厚度油膜的激光反射强度Lot(λ)不同,故将Lot(λ)代入式(15)可得到油膜厚度。海面波动会使油膜分布不均匀,从而影响油膜厚度评估,因此在实际环境中,应多点、多次探测并最终取测量结果平均值。

4 实 验

4.1 实验装置与数据采集

实验搭建的海面溢油LDS实验系统如图4所示,该实验系统包括AvaSpec-ULS2048光谱仪、LSR405NL激光器、准直镜、支架、底面半径为10 cm的圆柱形容器、滴管和移液器,激光器功率可调,最大为1 W。采用AvaSoft8软件将采集到的光谱波段设置为390～420 nm,积分时间为200 ms,实验所用油品为原油和白油的混合油(1:50),海水为渤海湾海水。

图4 海面溢油LDS实验原理图Fig.4 Schematic diagram of sea surface oil spill LDS experiment

如图4所示,将电源、光谱仪、计算机和支架放置在实验室的光学平台上,激光器和准直镜装设在支架上,然后将装有海水的容器置于两个支架中间位置,调整激光器、准直镜至水面距离为70 cm,二者与水面的角度为10°,激光入射角与准直镜接收角相等,故实验LDS可收集到激光在气-水界面或气-油以及油-水界面的反射信号。本文设置了2种不同的激光功率,在不同功率下采集数据时,探测角度和高度保持不变。

在不同激光功率下,首先采集无油膜海水的激光反射光谱,然后保持实验LDS的探测条件不变,用移液枪将一定量的油滴滴入装有海水的容器中,在油膜扩散均匀后采集有油膜海水的激光反射光谱。实验中制备了8组不同厚度油膜样品,油膜厚度通过滴入容器中的油量与油膜面积的比率来计算。为了采集更全面、更准确的光谱数据,实验前先将激光器预热,待其功率稳定后再采集光谱数据,且分别采集10次无油膜海水和有不同厚度油膜海水的激光反射光谱数据,最后将无油膜海水和一定厚度油膜海水的10次光谱数据的平均值作为二者的最终激光反射光谱。

不同激光功率下无油膜海水和厚度z为100 μm油膜海水的10次激光反射光谱采集结果如图5所示,图5(a)和图5(b)激光功率为0.68 mW;图5(c)和图5(d)激光功率为0.72 mW。

图5 不同激光功率下无油膜海水和厚度为100 μm油膜海水激光反射光谱的10次采集结果Fig.5 10 times acquisition results of laser reflection spectra of sea water without oil film and with 100 μm thickness of oil film under different laser power

不同激光功率下无油膜海水和不同厚度油膜海水激光反射光谱最终采集结果如图6所示,图6(a)和图6(b)激光功率为0.68 mW;图6(c)和图6(d)激光功率为0.72 mW。

图6 不同激光功率下无油膜海水和不同厚度油膜海水激光反射光谱的采集结果Fig.6 Collection results of laser reflection spectra of sea water without oil film and sea water with different thickness under different laser intensity

4.2 数据处理及分析

实验油品的相关参数已在实验室获取。激光波段的消光系数为30.2/cm,折射率为1.49。此外,根据无油膜海水激光反射光谱的10次采集结果可知,在上述探测条件下,不同激光功率对应的无油膜海水激光反射信号的平均强度为28 000 a.u.和33 000 a.u.。将以上参数以及不同厚度油膜海水激光反射信号强度带入式(15)可计算油膜厚度。

用本文算法计算不同激光功率下油膜厚度与实际厚度的对比如图7所示。

图7 不同激光功率下油膜厚度与实际厚度评定结果的对比Fig.7 Comparison of evaluation results of oil film thickness and actual thickness under different laser power

用本文算法计算不同激光功率下油膜厚度与实际厚度之间的相对误差,结果如表1和表2所示。表1和表2中的zactual和E分别表示油膜的实际厚度和评估的相对误差。

表1 不同厚度油膜在功率为0.68 mW下的评估结果Tab.1 Evaluation results of oil film with different thickness under the condition of 0.68 mW power

表2 不同厚度油膜在功率为0.72 mW下的评估结果Tab.2 Evaluation results of oil film with different thickness under the condition of 0.72 mW power

针对图5和图6所示的无油膜海水和不同厚度油膜对应的激光反射强度具体分析如下:

由图5可见,激光照射无油膜海水和有不同厚度油膜海水形成的激光反射信号功率均随激光功率的增大而增大。这是因为激光功率越大,在无油膜海水的气-水界面反射或在有油膜海水的气-油界面反射以及折射入油膜中经衰减后由油-水界面反射最终再经油-气界面折射出的激光强度也会越大。此外,如图5(a)和图5(b)所示,由于气-水界面反射率小于气-油界面反射率,致使无油膜海水的激光反射强度小于有油膜海水的激光反射强度。

由图6(b)和图6(d)可见,在一定的油膜厚度范围内,不同厚度油膜海水产生的反射信号强度均随油膜厚度的增加呈现下降趋势,且下降趋势逐渐放缓,最终趋于稳定,此现象与公式(15)推导结果相吻合,即油膜厚度越大,激光反射信号强度越小。这是因为随着油膜厚度增加,激光在油层内传播时的衰减逐渐增大,故在油-水界面反射并最终经油-气界面折出的激光信号强度随之减小,当油膜厚度超过一定范围后,在油膜内传播的激光无法再经油-气界面折出,此时实验LDS收集的光谱数据主要为激光在气-油界面发生反射的信号,而其不含油膜厚度信息,故光谱变化相对稳定。

由图7可见,当油膜厚度小于某一值时,用本文算法在不同激光功率下计算的油膜厚度与实际厚度均具有较好的一致性。这是因为当油膜厚度小于某一值时,激光在油膜内衰减后仍有部分信号可以经油-气界面折射出来并被实验LDS接收,从而可获取有效激光强度以估算油膜厚度。当油膜厚度大于某一值时,光谱逐渐趋于稳定,使得无法从光谱数据中获取有效激光强度。

针对上述表1和表2不同厚度油膜在不同激光功率下的评估结果分析如下:

由表1可以看出:当油膜厚度≤400 μm时,平均误差为5.25%,故该算法在一定油膜厚度范围内具有较高评价精度,而当油膜厚度大于400 μm时,评估误差较大,且随油膜厚度的增加,误差迅速增大。

由表2可以看出:增加激光功率后,油膜厚度大于400 μm时的计算值与实际值之间的相对误差相较表1有所减小,这是由于在同一油膜厚度下,增加激光功率会使在油-水界面反射并经油-气界面折出的激光离水辐射信号强度增大,从而可获取有效激光强度的范围变大。

由于油-水界面的反射系数较小,只有大幅度的增加激光功率,激光离水辐射信号强度才有较小的提升。然而,气-油界面的反射系数远大于油-水界面反射系数,大幅度增加激光功率势必会导致光谱仪发生饱和现象,从而无法获得有效的光谱数据。由此可知,设计的LDS系统采用增加激光功率的方法来扩大用激光信号探测油膜厚度的范围也有一定的量程限制,所以,合理的LDS系统做好此问题的平衡是必要的。

5 结 论

本文研究了一种可精准定位且能准确接收海面溢油激光反射信号的LDS,并给出其协调控制方法及其探测高度、角度范围。在此基础上,依据激光在无油膜海水和有油膜海水处的反射强度比以及不同厚度油膜对激光吸收程度的差异,提出一种基于激光信号的油膜厚度评估算法。最后,通过采用原油和白油的混合油(1:50)作为实验油品,在不同的激光功率下验证了文中油膜厚度评估算法的有效性,由此也进一步证明了海面溢油LDS的可行性。