水上浮动式溢油监测设备研发与测试.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目(,);中央级公益性科研院所基本科研业务费项目()作者简介:刘连坤(),男,河北乐亭人,助理工程师,主要从事水污染防治相关研究。:(),水上浮动式溢油监测设备研发与测试刘连坤,贾建娜,郑鹏,田兆硕,彭士涛(交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 ;哈尔滨工业大学(威海),威海 )摘要:港口码头水域溢油监测是溢油突发环境事件应急能力建设的关键环节,为向早期延伸对重大溢油事件的感知响应,有必要实现全方位立体化溢油有效监测。以提升浮动式溢油监测设备的有效性和抗干扰性为目标,简述了目前主要的溢油探测技术方法,提出了激光荧
2、光与拉曼散射比值耦合理论,有效克服阳光及风浪造成的背景噪声干扰反演推导油膜厚度;设计了溢油监测传感器,研发了水上浮动式溢油监测设备,开发了溢油监测传感系统平台;通过柴油试验对设备监测有效性和系统平台报警可靠性进行了验证测试。结果表明:利用所提理论方法反演的油膜厚度与实际油膜厚度的误差不超过 ,其理论方法正确,设备监测有效性和系统报警可靠性较高。关键词:溢油监测;激光荧光;拉曼散射;水上;浮动式中图分类号:;文献标识码:文章编号:()港口码头水域溢油会在水面快速形成油膜,在风力、水流作用下不断扩散、溶解、乳化,甚至随食物链不断转移,严重破坏海洋生态环境并造成巨大经济损失 。年 月,美国墨西哥湾西
3、西比海底峡谷 区块 探区发生严重海洋石油泄漏污染,事故污染近 海滩,多种物种灭绝,严重破坏了墨西哥湾生态平衡,并造成超过 亿美元的经济损失 。为有效提升我国溢油风险防范能力,年 月发布的 国家重大海上溢油应急能力发展规划(年)指出,对高风险海域开展常态化监测是降低溢油损失并实现对重大溢油事件的感知向早期延伸的重要手段。为实现对溢油的有效监测,目前已经发展出了包括可见光探测技术、红外光谱测量技术及激光诱导荧光探测技术等在内的多种技术方法,形成了岸基、船载和浮标式溢油监测设备。但目前的溢油探测技术方法大多容易受环境影响无法准确判断油膜厚度,设备主要用于港口码头等平台搭载,部分浮标式溢油探测设备也容
4、易受到阳光、风浪的交互影响并干扰探测结果。本文梳理总结了主要溢油探测技术方法,基于激光荧光与拉曼散射提出了激光荧光与拉曼散射比值耦合理论,设计了溢油监测传感器系统并研发了水上浮动式溢油监测设备和溢油监测传感系统,并通过试验验证了设备及系统的应用可靠性,为港口码头水域的全方位溢油监测提供有力支撑。溢油探测技术现状水面溢油监测方法主要包括可见光探测技术、红外光谱测量技术、紫外照相技术、微波传感测量技术以及激光诱导荧光探测技术等。可见光探测技术属于被动式监测技术,可以探测水面的所有元素。可以克服像差与畸变,但易受波浪反射的日光闪烁影响,无法测量油膜厚度并会因水藻和深色垃圾造成误报警 。水道港口第 卷
5、第 期红外光谱测量技术主要利用油液和水体吸收太阳辐射并释放热能的差异,通常油液的红外发射率高于水,据此在红外图像中区分油液和水体。但低于 厚度的油膜红外辐射是恒定的,红外光谱技术基本失效,且该技术在夜间效果较差且受到海藻等假目标干扰 。紫外照相技术利用紫外照相机与扫描式空间相机对油膜受光照后反射出的紫外线进行探测。此方法简单方便,但易受阳光闪烁、水中生物影响且无法测量油膜厚度。此外,紫外分光光度法主要用于在实验室检测水中的油含量 。微波传感测量技术主要利用微波雷达或微波辐射计 。微波雷达属于主动遥感监测技术,通常海洋毛细波反射雷达能量会形成“明亮”图像,而油膜反之,形成“暗”图像,根据图像区别
6、对溢油进行监测。该技术适用于大范围搜索溢油区域,受夜晚和云雾影响小,但受藻类等因素干扰。微波辐射计利用油膜自发辐射信号强于海水的原理,通过分辨海水表面与油膜表面自发辐射的微波信号大小来实现对海面溢油的监测,但无法测量油膜厚度。信噪比和分辨率低,不适合准确监测。激光诱导荧光探测技术是一种主动探测技术,不同油膜在激光发射器所发射激光照射下会反射不同强度荧光,据此原理进行溢油监测 。激光相较于自然光源,具有强度高、单色性好、指向性强等特点,并可以探测油品种类,但在进行油膜厚度的准确探测时,单纯的激光荧光探测技术会受到背景荧光影响。基本原理综合目前已有的溢油探测技术,充分发挥激光诱导荧光探测技术优势,
7、并消除其在油膜厚度探测时受背景噪声的影响,本文提出了激光荧光与拉曼散射比值耦合理论,通过测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处且忽略荧光背景后的水拉曼信号强度及有油膜覆盖处的荧光信号强度,计算油膜厚度并判断溢油风险,是溢油监测传感器设计、油膜厚度判断及溢油预警的基础理论方案。图 基本原理示意图 激光在照射海水时会产生弹性及非弹性散射光信号,并激发水中有机物产生荧光信号,光谱信号相对强度 分布模型及基本原理如图 所示。图中虚线代表覆盖油膜时海水光谱信号,其中包括油液及海水中荧光物质受激光诱导产生的宽带光谱荧光,及海水受激光拉曼散射特征光谱峰;实线为无油膜覆盖时海水光谱信号,此时荧光信号强度较低
8、,拉曼光谱信号强度较高。图中()和()分别为海水被油膜覆盖前后的宽带荧光信号强度;()与()为在特定波长 的荧光信号和海水受激光拉曼信号强度的叠加;无油膜覆盖海水拉曼信号强度,以及有油膜覆盖海水拉曼信号强度 。当水面覆盖的厚度为 的油膜受强度为 的激光垂直照射时,在第 个波长通道处所接收到的油膜激光诱导荧光和水体激光拉曼散射信号总强度 ()可以表示为()()()()()式中:为油膜在第 个波长的荧光转换效率;和 分别为激发波长 和任意波长 处的荧光衰减系数;为波长 处水的荧光转换效率;为海水在波长 处拉曼的转换效率;函数在波长 处为 ,其他波长处为 。式()中的第一项是海面油膜荧光强度,第二项
9、和第三项分别为系统接收的海水荧光信号强度和拉曼信号强度。如果海面上没有油膜覆盖,式()中油膜厚度 ,则式()可表示为()()式中:为在波长 处的海水荧光转换效率;为在 处海水拉曼转换效率。通过插值法得到海水的背景 年 月刘连坤,等 水上浮动式溢油监测设备研发与测试荧光强度,扣除背景后海水的拉曼强度可表示为()当水面覆盖厚度为 的油膜时,接收系统在波长 处的荧光信号强度可表示为()()()()式中:为被测油液光衰减系数,被油膜覆盖的海水荧光信号强度()与无油膜覆盖水拉曼强度 之比()表示为()()()()()相比于油膜荧光,海水产生的背景荧光较弱基本可以忽略,但忽略海水背景荧光后,式()可简化为
10、()()()式中:为油的总衰减系数;为激光穿透最大油膜厚度时的荧光强度与无油膜覆盖时海水拉曼信号强度之比,在同强度激光激发下,()(),为常数;和 分别取决于被测油和海水的自身光学特性。由式()得到油膜厚度可表示为 ()()由式()可知,通过探测无油膜覆盖海水拉曼信号强度及油膜荧光强度,即可确定油膜厚度,如果设置报警厚度阈值,可在溢油油膜超过阈值时产生溢油报警。溢油监测传感器系统设计图 传感器系统构成 为实现对溢油的有效探测,基于激光荧光与拉曼散射比值耦合理论设计了溢油监测传感器系统,主要包括激光发射系统和光信号接收系统,如图 所示。激光发射系统主要包括同步控制电路、驱动电路和 激光器;光信号
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