基于电磁能量吸收机理的海洋溢油厚度传感技术研究

李杏华，赵 禹，西 萌

（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）

基于电磁能量吸收机理的海洋溢油厚度传感技术研究

李杏华，赵 禹，西 萌

（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）

在石油生产与运输过程中，溢油事故经常发生，往往对海洋环境和经济造成十分恶劣的影响.通过对油污厚度实时监测可及时发现溢油并定位溢油来源.基于电磁能量吸收机理，推导了油污厚度与电磁能量吸收率之间的数学模型，设计了传感器结构，搭建了油污厚度检测的实验平台.实验结果表明，接收到的电磁能量功率与油污厚度间存在线性关系，传感器的检测分辨率可达0.07,mm，持续工作情况下测量时会产生最大0.57,mm的误差，相当于满量程的1.4%，为海洋油污检测传感器的设计提供了理论基础和实验参考.

电磁波；能量吸收；油污；厚度；检测

海上发生溢油事故后对海面油污的持续实时监测是目前的一个难题，也是海洋环境污染监控研究的重要课题之一.针对此难题葛宝臻等［1-3］提出使用激光三角法对溢油进行检测；Casanella等［4］和Lu等［5］利用电极阵列对水油界面与溢油厚度进行了检测，激光超声遥感进行油污厚度检测也被广泛研究［6］.但是此类设备体积较大，工作时，能量消耗较高，无法长期持续工作.为此，笔者提出了一种基于电磁能量吸收机理对海面油污厚度进行持续实时监测的方法，以实现使用小型传感器在海面环境下对油污厚度的持续高精度测量.

海水是一种导电介质，电磁波在其中传播时，电磁能量会发生损耗.在原油中电磁传播产生的能量损耗极小.本文所述方案主要利用海水、原油、空气3层介质对高频电磁波能量的吸收率不同来对原油厚度进行检测.

1　海洋溢油厚度检测原理

电磁（EM）波在介质中的传播遵循Maxwell理论.以垂直向下发射的电磁波为例，海水中电磁波的电场分量和磁场分量变化分别遵循以下规律：

式中：z为接收天线上各点距海平面的平均距离；γ为传播常数.γ可由介电常数ε、磁导率μ和电导率σ［7-8］表示为

其中

相比于介质带来的损耗，自由空间损耗相对较小.在之前的研究中，电磁波在海水中的自由空间损耗很少被关注.但为了提升设备精度，必须研究自由空间损耗对整个设备的影响.发射天线在水面发射时，自由空间损耗可写为

式中λ为电磁波在介质中的波长.由于自由空间损耗与介质损耗相比较小，为便于计算，不计两天线间介质变化带来的影响，将海水中电磁波波长λS作为电磁波在水油混合介质中的波长.则自由空间损耗仅与天线间距相关.本方案中发射与接收天线间距离不变，根据式（6），两天线间自由空间损耗也不变.电磁波在传播过程中总的衰减［10］可表示为

当两天线间有油污存在时，根据式（7），可得到油污厚度与衰减强度关系，如图1所示.

图1　油污厚度与衰减强度关系（100,MHz）Fig.1Attenuation of different oil thicknessesin seawater at 100,MHz

由于发射和接收天线已固定在传感器浮子上，可以通过对浮子配重，保证在无油的海面时，发射天线恰巧在液面之上.当有油污存在时，由于油污的密度低于海水的密度，浮子相对于液面会下降，其过程如图2所示.

图2　浮子溢油监测示意Fig.2 Schematic of float monitoring the oil spill

当有油污存在时，由于原油密度ρ0要小于海水密度ρS，浮子因受到的浮力减小而下沉，发射天线的一部分（Δh）会浸入油污中，Δh与油污厚度d间的关系为

此时天线可视为两段天线分别在空气与油污两种介质中发射.视天线电阻由辐射电阻Rr和损耗电阻RL两部分构成，即

对于天线浸入油污中的情况，所设计的环形天线阻抗变化为

式中：N与 X分别为天线总匝数和浸没于原油中的天线匝数；λA与λO分别为电磁波在空气与原油中的波长；a为环形天线半径；b为天线导体的线半径；RS为导体表面电阻；RP为临近效应产生的欧姆电阻；RO为单位长度集肤效应电阻.由于发射源提供的功率Pe稳定，天线导体上的电流变化为

电流变化导致其辐射的能量发生变化［11］，该变化规律遵循

式中：S为接收天线处的功率密度；A为发射环形天线的面积.不计电磁波在传播过程中介质损耗［12］，接收天线处接收到的功率可表示为

式中：AR为接收天线的有效口径；D为接收天线方向性；λS为电磁波在海水中波长.将式（10）～式（12）、式（14）代入式（13）可得到发射天线浸没入油污中的天线匝数与接收天线功率的关系，如图3所示.

图3　浸没入油污中的天线匝数与接收天线功率的关系Fig.3 Relationship between the power of receiving antenna and the turns immersed in the oil of transmitting antenna

比较图1与图3，发射天线浸没入油中产生的影响最大可达2,dBm，油污厚度变化带来的衰减产生的影响最大可达到30,dBm.根据上述理论，当油污厚度增大时，没入油污中的天线匝数增加，发射源功率增大.同时，电磁波在水油两介质中传播的衰减降低，接收天线接收到的总功率PR为接收到的功率P与总衰减LT之差，即

发射天线相邻两匝间距为1.4,mm，用浮子下沉的距离Δh来表示发射天线浸没入油中的匝数X，根据式（8）将X与接收天线接收功率关系转化为油污厚度与接收天线接收功率的关系，从而得到图4所示的天线接收总功率与油污厚度间的关系（ρS= 1.025,g/cm3，ρ0=0.85,g/cm3）.

图4　油污厚度与天线接收总功率的关系Fig.4Relationship between the total power of receiving antenna and oil thicknesses in seawater

2　实验装置设计与系统构建

偶极子天线、环形天线、折叠天线在其表面覆盖一层绝缘层后均可用于水下电磁波传播［7,13-14］.在此将接收天线设计为环形天线，与之匹配的发射天线也设计为环形天线.由于发射天线的工作环境有可能在空气或海面油污中，需针对电磁波在空气与原油中的波长来综合设计发射天线的尺寸，根据海水中电磁波波长设计接收天线.发射天线直径122,mm，接收天线直径35.6,mm.使用聚氨酯涂料作为天线表面的绝缘层，以达到绝缘和抵抗海水油污侵蚀的效果，并根据天线尺寸设计浮子.图5即为所设计的浮子，发射天线与接收天线固定于其上，两天线间距为40,mm（即为油污厚度的检测量程）.

图5　实验浮子装置Fig.5 Experimental float

根据天津市近海情况［15］，该浮子设计为随波型浮子，可以随着海面的波浪而倾斜，以保证发射与接收天线相对于海面平行.

本文通过建立一个实验平台来对理论进行验证.将传感器发射端连接DDS正弦波发生模块，通过发射天线进行发射，接收端使用安捷伦公司的N9320B频谱分析仪对信号功率进行监测，其分辨率可达0.01,dBm.传感器测试工作在一个1.45,m× 1.45,m×1.20,m的水箱中进行，工作情况见图6.

图6　传感器海水环境工作测试Fig.6 Sensor work test in the seawater

在油污厚度测量实验中，为了使得测量的结果更准确，在更小型的玻璃容器（0.50,m×0.50,m× 0.45,m）中进行实验，使用米铱公司的optoNCDT-1401激光三角反射式位移传感器对油污厚度进行检测，其动态分辨率可达5,µm，测量产生的绝对误差小于18,µm.实验环境下液面是平静的，将位移传感器安置在容器边缘，所测得的液面高度即为浮子处液面高度.

3　实验研究与分析

本实验通过optoNCDT-1401对油污厚度进行标定，检测结果表明静止的油面存在一定的波动，该波动幅值小于0.02,mm.将静止液面单点波动视为±0.02,mm，由于传感器直径为122,mm，可认为传感器检测范围内的液面是完全水平的.油污厚度标定实验情况如图7所示.

图7　油污厚度标定实验Fig.7 Calibration experiment of oil thickness

选择100,MHz 为发射模块发射频率，该频率下发射模块功率为-13,dBm.实验中使用航空煤油来代替原油，配置海水的电导率σ=3.1,S/m.每次将250,mL油污加入容器内，液面上升1,mm，待液面完全静止，记录1组数据.

实验结果如表1所示.图8为理论计算与实验结果的对比.

表1　油污厚度测量实验结果Tab.1 Experimental results of oil thickness detection

图8　理论计算与实验结果的对比Fig.8Comparison between theoretical calculation and experimental results

油污厚度测量的实验结果证明了在空气油污海水分层的情况下，油污厚度增加导致接收天线接收到的能量提高.图8中实验结果与理论计算结果有差距，其主要原因是实验所使用的航空煤油与原油之间物理性质（密度、电导率）存在差异，导致实验测得的变化不如理论计算明显.根据实验结果拟合的曲线表达式为

为了验证传感器可持续稳定地测量油污厚度，对此进行了实验，浮子持续漂浮在液面之上，油污厚度为9,mm，海水界面与油污层无波动.浮子持续工作15,min后开始记录数据，每隔5,min记录1次数据.实验中使用航空煤油，所配制的海水电导率σ=3.25S/m ，故接收天线在9,mm处的接收功率降低，实验结果如图9所示.

图9　持续测量实验数据Fig.9 Experimental results of continuous measurement

根据图9，不同时间接收功率的极大值与极小值间相差0.3,dBm.根据实验结果可知发射模块发射功率随时间而减小，如针对拟合曲线进行补偿，可以减小绝对误差至0.08,dBm，相当于将油污厚度检测的绝对误差降至0.57,mm.,此误差相当于满量程的1.4%.

4　结　语

本文尝试提出一种基于电磁能量吸收机理对海面油污进行监测的方案.分析并建立了油污厚度与电磁能量吸收率的数学模型.搭建了油污测量的实验平台.从实验结果可以看出，本文研制的基于电磁能量吸收机理的海洋油污传感器分辨率为0.07,mm，但持续工作会带来最高0.57,mm的误差.传感器实际工作的环境往往是有波浪的海面，根据式（7）、式（10）可知电磁能量衰减与传感器天线范围内介质的平均厚度有关，传感器的倾斜不影响衰减，只会因发射天线浸没于油污中对发射能量造成影响，而衰减产生的能量变化要比后者大一个数量级.故波浪不会使传感器不能工作.所设计的随波型浮子定倾中心高于浮子重心，定倾半径为19.8,mm，可以有效地随着波面倾斜而倾斜.实际的应用中，应使用大型浮标搭载该传感器.该浮标结构中包含一个封闭的采样池，油污与海水可以通过海平面位置的采样口进入或流出采样池，传感器工作于采样池相对稳定的环境中，可进一步减小海水波浪的影响，防止定倾重心过高导致的浮子倾覆.

该传感器用于海上全天候实时油污厚度监测，可增强我国对海上溢油的持续监测与应急能力.未来的研究应着重于提升传感器稳定性、减小误差.

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（责任编辑：赵艳静）

Oil Spill Thickness Sensing Technology Based on Electromagnetic Energy Absorption

Li Xinghua，Zhao Yu，Xi Meng
（State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Oil spill occurs frequently in the oil production and transportation process. Marine oil pollution often has a very bad impact on the marine environment and economy. Real-time monitoring the thickness of oil can detect and locate the source of oil spill. Based on electromagnetic energy absorption mechanism，the mathematical model ofthe relationship between oil thickness and electromagnetic energy absorption rate was established in this paper. Then the sensor structure we designed，and an experimental platform for detecting the thickness of the oil were built. Experimental results show that reception power has a linear relationship with oil thickness，and that detection resolutionof the sensor is up to 0.07,mm. Continuous work will produce a maximal measuring error of 0.57,mm，which represents 1.4%FS（full scale）. The study in this paper provides a theoretical basis and experimental reference for the designof marine oil pollution detection sensor.

electromagnetic waves；energy absorption；oil；thickness；detection

TP212.1

A

0493-2137（2016）05-0548-06

10.11784/tdxbz201407008

2014-07-03；

2014-11-03.

李杏华（1976—），男，博士，副教授.

李杏华，li.xinghua@126.com.

网络出版时间：2014-12-05. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20141205.0903.001.html.