基于色散偏振度的乳化油光谱检测系统研究

王 晓， 刘木华， 徐 将

江西农业大学工学院， 江西 南昌 330045

引 言

海上石油运输在原油贸易中占有重要的地位， 直接影响着全球的经济和人民的生活。 近年来， 海上石油运输量急剧上升。 油轮等各类船舶密度不断增加， 造成溢油事故频频发生。 溢油对海洋环境和海洋生物资源的污染十分严重[1]。 因此， 海洋环境面临着严峻的挑战。 在溢油事故发生后， 如何科学、 快速地测量溢油面积及分布浓度， 直接关系到海洋溢油污染的有效控制和回收。

在溢油检测的研究中， 遥感卫星为我们提供了宝贵的空间图像数据。 例如， 美国国家航空航天局(NASA)新千年计划(NMP)的建立为仪器和航天器技术的飞行提供了有效性验证， 这些技术的提出降低了研究成本， 使得地球观测的新方法成为可能[2-3]。

谱分析是遥感检测技术中的重要组成部分， 主要的算法有简单的Beer-Lambert定律、 经典的最小二乘(CLS)重建[4-5]、 逐步多元线性重建(SMLR)[6]、 偏最小二乘(PLS)回归[7]和主成分回归(PCR)[8]。 研究发现， 现有的监测方法对海上厚油膜的测量是非常有效的。 然而， 这些算法是纯粹的大型数据分析工具， 并不涉及媒介的物理机制。 此外， 在光谱测量的研究中， 反射模型的精度还没有满足数据处理的需求[9-10]， 特别是在溢油检测方面。 在海水的强烈运动下， 边缘部分的溢油与海水混合形成乳化油颗粒， 其光学特性比油膜复杂得多， 导致测量精度明显下降。

本文通过研究微颗粒在远场的米散射特性， 将其作为目标识别模型的基础， 推导出了色散偏振度(DODP)。 在远场的不同波长上， DODP可以用来描述不同粒子改变入射场内光波偏振特性的能力。 此外， 还测定了不同粒径乳化油样品的光谱数据。 大量实验结果证明， DODP模型可以作为海上乳化油识别监测的基础， 并且可以较好地反演出乳化油的浓度。

1 米散射测量

米散射理论是单色平面光照下均匀介质中均匀粒子麦克斯韦方程的严格数学解。 根据这一理论， 可以得到在距离观测点r处的散射强度为

(1)

式(1)中，λ为入射光的波长，I0为入射光的强度，Isca为散射光的强度，β为散射角，φ是偏振光的偏振角。 并且

(2)

式(2)中，s1(β)和s2(β)都为振幅函数，an和bn分别是与贝塞尔函数和汉克尔函数有关的参量。πn和τn是与勒让德函数相关的物理量， 只与散射角β有关。 这几种函数之间的关系式可以表示为

(3)

实验分别对两种乳化油样品进行了米散射测量。 在30°散射角下观察了样品表面反射率与入射光波长的关系。 同时， 还对海水的瑞利散射特征进行了分析。 在400～700 nm波长范围内， 301个波段的光谱反射率如图1所示。

图1 入射光反射率与波长的关系

为了获得稳定的实验数据， 在实验中对每个样品进行了5次信号采集， 然后对数据进行平均， 得到样品的光谱反射率。 ND75是由75%的原油和25%的海水组成的乳化油。 ND18由18%的原油和82%的海水组成。 SWB是标准的白板， 用来修正实验数据。 在400～525 nm波段范围内， 乳化油和海水的反射率非常接近， 无法区分。 在525～700 nm波段范围内， 海水和乳化油的反射率差异也不明显， 很难区分。 在整个测量范围内， 乳化油和海水的反射率值基本相同。 由此可见， 在可见光测量范围内， 仅依靠散射强度信息是无法识别出海水中的乳化油污染物的。 因此， 急需一种更加有效、 快速的方法来实现对海洋乳化油的鉴定和监测。

2 实验部分

2.1 装置与方法

为了防止背景光对测量数据的影响， 对不同浓度乳化油样品的DODP模型试验在暗室中进行。 光源为模拟太阳光的卤素灯， 入射角为90°。 探测器为分析光谱仪(FieldSpec 4 350～2 500 nm)， 用于测量米散射的光谱数据， 偏振探头的视角为30°。

如图2所示， 卤素灯发出的平行光垂直照射于样品表面。 根据米散射原理， 在散射角方向， 通过光纤和偏振探针， 由光谱仪获得散射光信号。 在采集偏振信息之前， 用标准白板对光谱测量环境进行校正， 然后采集5次样品信息， 进行平均处理。 利用处理器的MATLAB软件对测量数据和偏振参数进行分析。 应用色散偏振公式计算样品在各测量波长的偏振度。 结合量子力学和波粒二象性， 对分子群样品和晶体结构进行了科学分析， 准确计算出DODP值。 由于模拟光源是自然光， 所以其斯托克斯矢量较为简单， 计算散射光的偏振参数非常方便， 可以大大缩短数据处理时间， 减小实验误差。

图2 测量示意图

2.2 光波传播路径

(4a)

(4b)

图3 单一乳化油粒子的偏振散射理论

将折射定律代入式(4a)和式(4b)， 得到

(5a)

(5b)

因为θi和θt都是实数， 所以式(5a)和式(5b)等式右边的三角因子也是实数。 因此， 反射波或透射波的每个分量的相位要么等于入射波对应分量的相位， 要么相差π。 由于T∥和T⊥具有与A∥和A⊥相同的符号， 所以发射波的相位实际上等于入射波的相位。 然而， 在反射波的情况下， 相位将取决于θi和θt的相对大小。 在本次研究中， 第二种介质(油膜)比第一种介质(空气)在光学特征上要更为致密， 即θi>θt。 根据式(4b)，R⊥和A⊥的符号不同， 因此相位相差π。 同样，R∥和A∥的相位也相差π。

2.3 色散偏振理论

研究发现： 虽然米散射的解是由单个球体的衍射推导出来的， 但是也适用于任意数量的球的衍射。 只要它们的直径和组成相同， 且是随机分布的， 彼此之间的距离比波长大。 在这种情况下， 被不同球体散射的光之间没有相干的相位关系， 总散射能量等于被一个球体散射的能量乘以它们的整数。 因此， 在远场(r≫λ)中， 散射光偏振分量的光强可以表示为

(6)

式(6)中，k是波数的平方(球面内实外复)。 球体周围介质的量用上标Ⅰ标记， 球体的量用上标Ⅱ标记。l是电波系列。θ是入射光传播的方向。

系数eBl和mBl的表达式如式(7)所示

(7)

在式(7)中

(8)

式(8)中，Nl+1/2(q)是纽曼常数。

此时， 勒让德多项式可以改写成

(9)

在远离球体处(r≫λ)， 它可以近似地表示为

(10)

因此， 观测平面(由入射光传播方向和观测方向组成的平面)上的波电场矢量可以表示为

(11)

3 结果与讨论

(12)

但是， 式(12)是对均匀光的讨论。 本次研究将分析不同波长处散射偏振光的变化。 当光通过介质时， 其频率不会改变， 因此可以得到

(13)

式(13)中，c是光在真空中的传播速度，ω是光在介质中的传播频率。 通过公式推导， 发现在偏振度方程中， 只有系数eBl和mBl的表达式和波长有关。 因此， 将色散偏振度(DODP)定义为

DODP(λ)=

(14)

在相同的实验条件下， 对两种乳化油样品进行了DODP的测量实验。 实验光谱数据如图4所示。

图4 不同波长处的DODP趋势图

图4中， 粉色三角形点是标准白板的DODP。 因为标准白板是朗伯函数， 可见光带中的测量值几乎都为零。 红色圆点为ND18的DODP， 黑色正方形为ND75的测量值。 在测量过程中， 由于ND18的粒径比ND75的粒径小， 所以ND18的前向散射与后向散射的比值更小， 前向散射波瓣更大。 在相同光照条件下， ND75的多次散射比ND18严重。 根据路径相干矩阵理论， 多次散射容易引起退偏振， 二次辐射波会在角域内扩散和分布。 被测介质表面产生的散射次数与入射光能的阻尼能力成正比[11-12]。 根据光电效应， 乳化油表面入射光的能量耗散存在差异。 当光照条件相同时， 能量耗散率与入射波矢量方向的前向散射振幅的分量成正比。 因此， 乳化油的偏振散射程度不同于入射光的偏振散射程度。 DODP反映了乳化油由多次色散引起的去偏振能力。 可作为区分不同浓度、 不同粒径乳化油的重要参数。

蓝色三角点是海水的斑点。 海水的粒径很小， 散射效应可视为瑞利散射， DODP公式可进一步简化为

(15)

由此可见， 海水的DODP只与散射光的传播方向有关。 在本次测量条件下， 它们具有固定的值。 在可见光范围内， DODP可用于区分乳化油和海水， 且效果明显。 图4中的DODP可用于监测海上乳化油的污染情况， 并能够准确地反映出乳化油的污染程度， 这一优势弥补了传统的光学检测技术的不足。

4 结 论

建立了乳化油偏振光学检测技术的分析方法， 并通过测量不同波长下米散射光的偏振状态， 验证了被测乳化油样品的偏振特性。 将偏振光分为三部分， 分别考虑分子间的路径。 结合贝塞尔函数和汉克尔函数， 推导出了米散射光偏振振幅矢量与入射光波长的关系。 最后， 通过实际乳化油样品的测量对检测系统进行了验证， 利用MATLAB软件计算出了色散偏振度。 结果表明， DODP可以快速高效地对海水中的乳化油进行鉴别， 同时也可用于检测不同浓度的乳化油污染物。 该光谱测量技术准确、 高效， 适合于海面溢油的识别和评价。