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

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456;2.哈尔滨工业大学(威海),威海 264200)

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[1-5]。2010年4月,美国墨西哥湾西西比海底峡谷252区块Macondo探区发生严重海洋石油泄漏污染,事故污染近1 500 km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680亿美元的经济损失[6]。为有效提升我国溢油风险防范能力,2022年3月发布的《国家重大海上溢油应急能力发展规划(2021—2035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。

1 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[7]。

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20 μm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[8]。

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[9]。

微波传感测量技术主要利用微波雷达或微波辐射计[10]。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[11-14]。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。

2 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,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。

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Iλ分布模型及基本原理如图1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,拉曼光谱信号强度较高。

图1 基本原理示意图Fig.1 Schematic diagram of basic principle

图中If(0)和If(d)分别为海水被油膜覆盖前后的宽带荧光信号强度;Ir(0)与Ir(d)为在特定波长λr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IR,以及有油膜覆盖海水拉曼信号强度IR′。

当水面覆盖的厚度为d的油膜受强度为I0的激光垂直照射时,在第i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I(d)可以表示为

I(d)=ηiI0{1-exp[-(ke+ki)d]}+ζiI0exp[-(ke+ki)d]+δψI0exp[-(ke+ki)d]

(1)

式中：ηi为油膜在第i个波长的荧光转换效率;ke和ki分别为激发波长λe和任意波长λi处的荧光衰减系数;ζi为波长λi处水的荧光转换效率;ψ为海水在波长λr处拉曼的转换效率;δ函数在波长λr处为1,其他波长处为0。

式(1)中的第一项是海面油膜荧光强度,第二项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(1)中油膜厚度d=0,则式(1)可表示为

Ir(0)=ζiI0+ψrI0

(2)

式中：ζi为在波长λi处的海水荧光转换效率;ψr为在λr处海水拉曼转换效率。通过插值法得到海水的背景荧光强度,扣除背景后海水的拉曼强度可表示为

IR=ψrI0

(3)

当水面覆盖厚度为d的油膜时,接收系统在波长λi处的荧光信号强度可表示为

If(d)=ηiI0{1-exp[-(ke+ki)d]}+ζiI0exp[-(ke+ki)d]

(4)

式中：ki为被测油液光衰减系数,被油膜覆盖的海水荧光信号强度If(d)与无油膜覆盖水拉曼强度IR之比K(d)表示为

(5)

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(5)可简化为

K(d)=C[1-exp(-Ad)]

(6)

式中：A=ke+ki为油的总衰减系数;C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,C=(ηiI0)/(ψrI0)=ηi/ψr,为常数;ηi和ψr分别取决于被测油和海水的自身光学特性。由式(6)得到油膜厚度可表示为

(7)

由式(7)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。

3 溢油监测传感器系统设计

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2所示。激光发射系统主要包括同步控制电路、驱动电路和405 nm激光器;光信号接收系统由望远镜系统、分光系统、像增强器和CCD组成。系统可以通过数据接口连接计算机,实现控制信号输入和图像信息输出等。

图2 传感器系统构成Fig.2 The composition of the sensor system

传感器激光发射系统的激发光源选用405 nm半导体激光器,TTL调制,重频0～100 kHz可调节。控制信号通过串行通讯接口传输到激光发射器,激光器频率和功率由指令控制,激光器发射的激光直接照射到监测水域液面,激发液面产生激光荧光。

计算机控制信号首先传输至同步控制电路,同步控制电路将信号同时分配至激光发射系统和光信号接收系统,确保激光发射与信号接收实现时序同步。

在传感器的光信号接收系统,可利用望远镜接收系统接收远处微弱的荧光信号及水体拉曼散射信号。利用阴极灵敏度较高的像增强器作为光电探测器将微弱荧光信号转换成电信号,并在荧光屏成像。望远镜系统接收光信号经分光系统后,由像增强器和CCD耦合后对光信号进行采集。其中,像增强器可以把亮度较低品质较差的光学图像进行增强处理,CCD图像传感器将像增强器传输的光学信号转换为模拟电流信号传输到计算机。传感器采集的光信号通过CCD转换为数字信号后,可以利用LabVIEW等平台编写的控制软件对信号进行光谱采集、光谱分离、荧光基线提取等处理,同时基于激光荧光与拉曼散射比值耦合理论对提取的水面拉曼信号强度及油膜荧光强度进行算法处理,实现光谱实时显示、数据处理及保存等功能。

为了消除水面波浪叠加阳光产生的背景噪声对光学探测的不利影响,系统可以设定脉冲时间并进行脉冲测量,在一个完整的脉冲周期内,激光发射和关闭交替进行,而CCD和像增强器持续开启。在激光发射时,CCD接收激光激发的荧光信号及背景光信号;在激光关闭时,CCD接收的仅为背景干扰信号。利用算法将激光开启测得的荧光信号扣除背景光信号便获得扣除背景噪声的溢油等荧光物质的荧光信号。

4 设备构成

以溢油监测传感器为核心部件,设计了水上浮动式溢油监测设备。设备综合运用了激光诱导荧光、拉曼散射、自动控制技术、云计算技术、太阳能供电技术等,整合通讯网络组成在线监测体系,可以将监测点位、数量和反馈信号等数据传输至管理系统与数据库,利用所提出的激光荧光与拉曼散射比值耦合理论,实现对港口码头水域溢油的实时监测。

该设备采用大功率发电单晶硅太阳能电池板发电,太阳能电池板设置在设备顶面并倾斜约45°以便更好接收太阳能辐射,平均发电功率约为15 W。太阳能电池板与蓄电池电连接,配备电压转换电路实现电能存储并向传感器和无线数据传输装置供电;电池蓄能可以在夜间及阴雨天为设备供电。

传感器采用设计的溢油监测传感器,利用输出功率可达850 MW的405 nm半导体激光器。传感器设置在设备主体正下方位置,垂直向下照射水面。

实际设备如图3所示,主体采用全铝框架结构[15],通过4个距离直径30 cm的空心浮球为设备提供浮力,结构稳固、重心较低,具备较好乘波性能。相邻浮球之间,利用不透光铝板进行连接,有效阻挡杂光射入设备底部,避免阳光与风浪交互作用下产生的背景噪声扰动。挡板上设置5×10 cm的开孔,不影响监测区域水流流场。

图3 水上浮动式溢油监测设备Fig.3 Floating oil spill monitoring equipment in port and wharf water

设备数据传输采用4G通讯传输装置,与溢油监测传感器系统进行数据连接,可以将传感器原始数据发送至云端服务器,由云端服务器负责存储、分析和发布数据。

5 系统平台

设计了适用于水上浮动式溢油监测设备的溢油监测传感系统平台,整合利用水上浮动式溢油监测设备的云端服务器数据,设置数据地图、数据查询、报警管理及设备管理模块。

系统数据地图模块主要用于显示溢油监测设备工作状态等。在数据地图模块可以选择指定设备,进行地图显示、设备搜索、传感器启停、关闭报警,并显示监测设备的阈值线和实时监测数据曲线。

系统数据查询模块主要用于查询设备实时数据或在特定时间段内的数据信息。在数据查询模块可以通过“时间段”选项选择要查询的时间区间,包括“最近10 min”、“最近3 h”及“最近1 d”等选项。通过“自定义时间段”选项还可以选择要查询的特定时间区间。模块下方表格显示设备的历史报警信息。

系统报警管理模块主要用于展示并处理溢油报警信息。在报警管理模块可以展示报警信息、关闭报警、设置报警处理情况,还可以导出特定时间段内的报警信息报表。

系统设备管理模块主要用于显示并设置设备信息。在设备管理模块可以直观显示设备状态和异常信息,通过“添加设备”选项,可以设置设备名称、设备号、设备序列号、设备位置、报警阈值、收集频率、上报频率、校准频率及报警间隔等信息。

6 应用测试

为了验证水上浮动式溢油监测设备效果,利用柴油油样对设备及系统进行应用测试。

6.1 试验测试

在实验内设置装满纯水的水池,为了控制油液扩散范围,在水池用围油栏圈围油液可扩散面积为2 m2,将设备置于围油栏内进行检测。实验开始时,检测区域内无油液加入,利用电脑记录设备反馈数据,并作为A组试验结果。逐次向围油栏区域内加入柴油100 mL。进行B组实验时,向围油栏区域内累计加入柴油200 mL时,待油液完全扩散,油膜厚度均匀,根据表面积可计算出油膜厚度约0.1 mm,记录此时检测数据并作为B组试验结果。待向围油栏区域内累计加入柴油500 mL时,且油液完全扩散均匀,根据表面积可计算出油膜厚度约0.25 mm,记录此时检测数据并作为C组试验结果。重复以上试验步骤,在加入柴油量累计为700 mL、1 L、1.4 L及2 L时,分别记录试验数据,并作为D、E、F及G组试验结果。

6.2 结果分析

根据油样加入量和实验区域面积,计算得出各组试验的油膜厚度。依据提出的激光荧光与拉曼散射比值耦合理论,利用所记录的试验数据计算反演油膜厚度,作为拉曼荧光比反演结果。将实际油膜厚度与拉曼荧光比反演结果进行误差分析,并绘制图4进行对比。结果表明,拉曼荧光比反演结果与实际油膜厚度误差最小约1.0%,最大不超过7.5%,检测结果基本可信。

图4 油膜厚度与拉曼荧光比反演结果对比Fig.4 Comparison of oil film thickness and Raman fluorescence ratio inversion results

实验过程中,将系统中设备的报警阈值设置为0.08 mm,在检测区域无油样加入时,系统显示实时数据无报警,当向试验区域加入200 mL油样,即进行B组试验结果记录时,系统开始报警并展示报警信息。

7 结论

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。本文针对港口码头离岸开阔水域溢油监测需求,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,推导了拉曼荧光比反演过程,可以有效演算油膜厚度;基于激光荧光与拉曼散射比值耦合理论,进行了传感器系统设计并研发了利用太阳能供电的水上浮动式溢油监测设备,具备良好乘波性能并可以有效屏蔽杂光干扰;设计了与检测设备相匹配的溢油监测传感系统平台,包括数据地图、数据查询、报警管理及设备管理模块,可以对溢油监测实时数据和溢油报警等信息进行展示、设置;最后,通过水池实验对溢油监测设备和溢油监测传感系统进行应用验证,在油膜厚度为0、0.1 mm、0.25 mm、0.35 mm、0.50 mm、0.70 mm及1.00 mm时记录试验数据并反演油膜厚度,反演结果与油膜厚度误差最小约1.0%,最大不超过7.5%,证明理论方法基本正确,设备监测性能和系统报警可靠性较高。

研发的水上浮动式溢油监测设备实现了设备无线缆束缚的高性能溢油监测,可以为溢油监测的全方位应用、全空间覆盖、全角度监测提供有力支撑。