基于LIF海面溢油平坦厚油膜区域边缘厚度评估方法研究

谢贝贝，孔令富，孔德明，张晓丹，孔德瀚，袁 丽

(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 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004；3. 河北环境工程学院 信息工程系，河北 秦皇岛 066102)

1 引 言

海上溢油是最常见的海洋污染之一[1,2]。快速高效的溢油探测对于溢油污染的治理和生态环境的恢复具有非常重要的意义[3,4]。

油膜厚度是探测海面溢油的重要参数。目前评估海面油膜厚度的方法有激光三角法[5]、白光扫描干涉法[6]、激光超声法[7]等。激光诱导荧光(laser-induced fluorescence，LIF)技术是目前遥感探测海面溢油的一种有效手段，具有灵敏度高、方便灵活、实时性强、无探测盲区的优点[8,9]。Kung等[10]基于LIF探测水体拉曼散射光在海面油层传输过程中被吸收而按指数衰减原理，提出了一种对连续薄油膜进行远程监测的积分反演算法；Hoge等[11,12]采用该拉曼反演算法利用波长为337.1 nm的激光评估原油油膜厚度，得出该方法可评估厚度小于10～20 μm 的油膜，然而当油膜厚度大于该区域值时会将水体拉曼散射光信号几乎完全吸收，使得该方法无法探测大于10～20 μm的油膜厚度。崔永强等[13]基于LIF技术建立了一种利用油膜荧光信号评估较厚油膜厚度的双波段比值模型。

溢油一旦进入海域，由于自身性质和外界环境的作用与影响，会经历不同程度的扩展过程[14,15]。扩展程度的不同，油膜的扩展形态就会有差异。根据厚油膜区域的形态特点，本文将厚油膜区域分为非平坦厚油膜区域和平坦厚油膜区域。在溢油扩展初期油膜较厚，其分布具有中心厚四周薄的特点[16]，这种油膜区域称为非平坦厚油膜区域；经过长时间的扩展，油膜厚度逐渐均匀至相对平坦的程度[17]，这样的区域称为平坦厚油膜区域。本文针对两种厚油膜区域的形态特点，给出了LIF判定方法，并提出了平坦厚油膜区域边缘厚度评估方法。

2 厚油膜区域判定方法

采用LIF探测海面溢油时，当探测进入厚油膜区通常水体拉曼散射光信号将被油膜吸收，而荧光强度随着油膜厚度的增加而增大。依据LIF探测油膜的基本原理模型[11,18]，可得出接收荧光信号与厚度的关系式为：

K(λi)=P0ηi-P0(ηi-ζi)exp[-(ke+ki)d]

(1)

式中：K(λi)为在波长λi处接收的荧光信号强度；P0为激光荧光雷达发射到海面功率；ζi为波长λi处海水的荧光转换效率；ηi为在波长λi处厚油膜荧光转换效率；ke、ki分别为在激发波长λe和荧光波长λi处油膜消光系数；d为油膜厚度。依据此式可得到荧光强度和油膜厚度关系图，见图1所示。

图1 荧光强度随油膜厚度变化的示意图Fig.1 Schematic diagram of fluorescence intensity changes with oil film thickness

由式(1)可以看出，当油膜厚到一定程度的情况下，即(ke+ki)d≫1，则

exp[-(ke+ki)d]≈0

(2)

此时，荧光强度不再随油膜厚度的增加而变化，即趋于饱和。故利用荧光强度估算油膜厚度需要判定油膜的荧光强度是否未达到饱和。

由式(2)可以看出，激光和荧光在油膜处的消光系数ke、ki以及油膜厚度d是荧光强度趋于饱和的影响因素。而不同的油品，ke与ki是不同的，其饱和荧光强度也不同。所以判定油膜的荧光强度是否达到饱和，需要确定污染区域的饱和荧光强度，若所探测的荧光强度小于该溢油饱和荧光强度，则可采用探测的荧光强度进行估算油膜厚度。

结合LIF探测不同厚度油膜荧光信号的分析，对平坦厚油膜区域进行判别。通常情况下，平坦厚油膜区域的边缘厚度随离油膜中心距离减小逐渐变厚至均匀，其形状如图2所示。

图2 平坦厚油膜区域边缘形态示意图Fig.2 Schematic diagram of edge morphology of even thick oil film area

为了探测方便，本文将LIF探测方向设为由油膜边缘指向中心。LIF在最初探测油膜边缘时会产生水体拉曼散射光信号，其拉曼峰强度随着探测方向上距离的增加而下降直到几乎被油膜完全吸收；而其荧光强度随着探测方向上距离的增加而增大，到达一定探测距离进入平坦厚油膜区域后荧光强度变化的不再明显，而且该荧光强度小于溢油饱和荧光强度，说明此时油膜厚度为均匀的平坦厚油膜区域。

根据上述分析，本文给出具体的厚油膜区域判定方法：

第一步：LIF探测海面油膜区域，若接收光谱中没有海水拉曼散射光信号，且荧光强度较清洁海水和一般薄油膜的强度高时，则可以判断该区域为厚油膜区域；

第二步：确定厚油膜区域的溢油饱和荧光强度；

第三步：将LIF探测方向由油膜边缘指向中心，若接收的多个边缘的荧光光谱中随着探测方向上距离的增加，水体拉曼峰强度逐渐减小至0，荧光强度逐渐增大至变化不明显，且该强度小于溢油饱和荧光强度时，则说明该区域为平坦厚油膜区域，否则为非平坦厚油膜区域。

3 平坦厚油膜区域评估方法

本文以LIF探测薄油膜的方法为基础，依据平坦厚油膜区域多个边缘探测点反映厚度的荧光强度来估算油膜厚度。

首先，针对已判定为平坦厚油膜区域的一个边缘，利用LIF系统获取同一探测方向上多个探测点的荧光强度，如图3所示，即KA，KB，…，KC，KE，KF，…，对相邻两探测点的荧光强度做差，即KB-KA，…，KE-KC，KF-KE，…，并与δ值(δ值是以LIF系统获取的荧光强度的差值大小而定)进行比较，直到连续几个探测点间的荧光强度变化均小于δ值，即(KE-KC)<δ且(KF-KE)<δ，…，此时点C为待估算探测点。

图3 连接检测点及评估方法计算过程示意图Fig.3 Schematic diagrams of connecting detection points and evaluation method calculation process

利用式(1)中油膜荧光强度与油膜厚度之间的关系，可得不同厚度油膜的荧光强度与相同探测条件下该区域清洁海水荧光强度的比值Rd为：

(3)

然后，估算探测点C的厚度d1：

(4)

当然，油膜边缘厚度的变化并不是完全相同的，根据式(4)的计算方法估算厚油膜区域n个边缘厚度，并将估算的厚度从小到大进行排序,分别为d1,d2,…,dn，取前k个厚度的平均值作为区域的最小厚度，取后k个厚度的平均值作为区域的最大厚度。那么区域厚度d的范围为：

(5)

式中:k以探测边缘点的个数而定，n≥2k。当LIF探测油膜区域多个边缘，若估算其最小厚度与最大厚度相近，说明该油膜分布较为平坦。

4 实验部分

实验系统如图4所示，主要由波长405 nm激光光源、光纤准直镜、AvaSpec-ULS2048光谱仪3部分构成。

图4 实验系统示意图Fig.4 Schematic diagram of experimental system

光谱仪的波长范围为200～1 100 nm，测量波长间隔为0.59 nm，波长准确度为±0.03 nm。石英光纤用于连接光谱仪与光纤准直镜。激光器与准直镜同时安装在可调传动滑台上，用于获取油膜边缘的拉曼散射光和荧光信号的变化。采用1 600倍电子显微镜，用于观察油膜边缘的扩展形态。实验油品采用原油、工业白油与海水。其中，原油来自大港油田，由于粘度较高，将原油与白油以1:20的比例进行混合，使其能够在水面自然扩展。海水来自秦皇岛市渤海水域。

实验采用1 m×1 m×0.3 m装满海水的容器。为了构建海面不同情况下的厚油膜区域，在容器的一侧设计斜面，将实验油品倒入该斜面，使实验油品顺着斜面缓缓流入水中，扩展油膜近似于海面油膜区域靠近边缘的部分，进而来模拟海面溢油的一部分油膜区域。

油膜边缘扩展的前后形态变化如图5所示。在油膜扩展初期，如图5(a)所示，油膜边缘薄，越靠近油膜中心方向越厚，且厚度增长较快;油膜扩展到一定时间后形成平坦的厚油膜，如图5(b)所示，平坦厚油膜边缘由薄到厚变化较为缓慢，该图与图2油膜边缘形态的描述一致。

图5 油膜扩展前后边缘形态变化的显微图Fig.5 Micrograph of the change of oil film diffusion morphology

5 结果与讨论

本文方法进行厚度评估的关键在于利用荧光强度估算油膜厚度。为了验证估算方法的正确性，实验系统中激光器采用连续脉冲信号，功率P0为0.2 W，波长带宽Δλ为3 nm，光纤准直镜的直径D为5 mm，准直镜距液面高度H为10 cm，光谱仪的积分时间t设为0.5 s。根据式(3)，通过测量实验油品厚油膜与清洁海水的荧光强度之比可得厚油膜荧光转换效率与清洁海水荧光转换效率的比值，即：

(6)

式中：Ki为厚油膜的荧光强度，也就是系统探测油膜时荧光强度不再随油膜厚度增加而变化的点；Kw为清洁海水的荧光强度。

选取荧光波长为438 nm的荧光强度进行估算，可得ηi/ζi=9.67，实验油品的ke与ki之和为 0.05 μm-1。根据上述各个参数可得油膜厚度d和不同厚度油膜的Rd的表达式为：

(7)

采用LIF实验系统获取不同厚度油膜的荧光光谱，将获取的荧光光谱减去背景光信号，并利用Savitzky-Golay滤波器进行平滑处理，如图6所示。油膜的荧光光谱有2个峰值波段，位于波长430～440 nm和波长450～460 nm，荧光特征明显的覆盖范围是波长420～500 nm。由图6可看出，随着油膜厚度的增加，荧光强度逐渐增大至平缓。

图6 不同厚度的油膜荧光光谱Fig.6 Fluorescence spectra of oil film with different thickness

选取实验获取的波长为438 nm的不同油膜厚度油膜荧光强度与海水荧光强度比值Rd和对应的油膜厚度，与本文估算的油膜厚度相比,结果见图7所示。由图7可以看出，本文方法估算的油膜厚度与实验结果具有较好的一致性。

图7 估算方法与实验对比结果Fig.7 Comparison of estimation method and experimental results

将实测厚度与估算结果进行对比，结果见表1。从表中可以看出：油膜较薄时，估算的厚度与实测厚度之间的相对偏差较大；当厚度大于20 μm时，相对偏差较小，在±10%左右。相对偏差不仅来源于估算方法的误差，还来源于实验系统所带来的误差，以及由于溢油自身张力等性质难以获得理想厚度的油膜等。结果表明，本文方法适用于厚油膜的估算。

表1 实测厚度与估算结果对比Tab.1 Comparison between theoretical thickness and estimated results

利用本文提出的对平坦厚油膜区域的判定与评估方法，采用LIF实验系统依次获取平坦厚油膜多个边缘的荧光光谱，根据荧光光谱评估区域厚度。为了分析不同边缘个数以及不同油膜扩展情况对评估方法的影响，本文实验对同一油膜分别采集3，4，5与6个边缘，以及不同扩展面积的油膜进行估算，结果见表2。

表2 平坦厚油膜的评估结果Tab.1 Evaluation results of even thick oil film

由表2中可以看出：针对同一油膜区域，随着边缘个数的增加，厚度估算的分布范围也一直在变化，这是因为油膜边缘厚度的变化并不是完全相同的，探测的边缘个数越多，越能反映整体油膜区域的厚度；随着时间的推移，油膜扩展面积增大，厚度估算的分布范围明显缩小，这是因为油膜扩展的时间越长，油膜的分布越平坦。

6 结 论

本文依据LIF探测油膜的水体拉曼散射光和荧光的信号特点，给出了海面平坦和非平坦两种厚油膜区域的判定方法。针对平坦厚油膜区域，提出了基于LIF技术的荧光强度边缘厚度评估方法，解决了目前LIF技术对厚油膜区域监测方法的难题。

(1) 实验观察了厚油膜的边缘形态，验证了本文对平坦厚油膜边缘形态的描述。采用波长为 405 nm 的激光光源，原油和白油的混合油作为实验油品对估算方法进行了验证，实验结果表明，采用LIF探测海面油膜时，荧光强度可有效估算油膜厚度。

(2) 基于本文评估方法对油膜样品的多个边缘厚度进行了评估，获取了不同面积油膜区域的评估结果，验证了所提出方法的正确性与合理性。研究结果表明边缘个数的增加，更易贴近油膜区域的实际厚度，且评估结果可体现海面溢油油膜分布的平坦程度。

(3) 本文方法为海面溢油厚油膜区域厚度的评估提供了一种新的方法，也为LIF探测海面溢油开辟了新的思路。