水上浮動式溢油監測設備研發與測試

劉連坤,賈建娜,鄭 鵬,田兆碩,彭士濤

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456;2.哈爾濱工業大學(威海),威海 264200)

港口碼頭水域溢油會在水面快速形成油膜,在風力、水流作用下不斷擴散、溶解、乳化,甚至隨食物鏈不斷轉移,嚴重破壞海洋生態環境并造成巨大經濟損失[1-5]。2010年4月,美國墨西哥灣西西比海底峽谷252區塊Macondo探區發生嚴重海洋石油泄漏污染,事故污染近1 500 km海灘,多種物種滅絕,嚴重破壞了墨西哥灣生態平衡,并造成超過680億美元的經濟損失[6]。為有效提升我國溢油風險防范能力,2022年3月發布的《國家重大海上溢油應急能力發展規劃(2021—2035年)》指出,對高風險海域開展常態化監測是降低溢油損失并實現對重大溢油事件的感知向早期延伸的重要手段。為實現對溢油的有效監測,目前已經發展出了包括可見光探測技術、紅外光譜測量技術及激光誘導熒光探測技術等在內的多種技術方法,形成了岸基、船載和浮標式溢油監測設備。但目前的溢油探測技術方法大多容易受環境影響無法準確判斷油膜厚度,設備主要用于港口碼頭等平臺搭載,部分浮標式溢油探測設備也容易受到陽光、風浪的交互影響并干擾探測結果。

本文梳理總結了主要溢油探測技術方法,基于激光熒光與拉曼散射提出了激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,設計了溢油監測傳感器系統并研發了水上浮動式溢油監測設備和溢油監測傳感系統,并通過試驗驗證了設備及系統的應用可靠性,為港口碼頭水域的全方位溢油監測提供有力支撐。

1 溢油探測技術現狀

水面溢油監測方法主要包括可見光探測技術、紅外光譜測量技術、紫外照相技術、微波傳感測量技術以及激光誘導熒光探測技術等。

可見光探測技術屬于被動式監測技術,可以探測水面的所有元素?？梢钥朔癫钆c畸變,但易受波浪反射的日光閃爍影響,無法測量油膜厚度并會因水藻和深色垃圾造成誤報警[7]。

紅外光譜測量技術主要利用油液和水體吸收太陽輻射并釋放熱能的差異,通常油液的紅外發射率高于水,據此在紅外圖像中區分油液和水體。但低于20 μm厚度的油膜紅外輻射是恒定的,紅外光譜技術基本失效,且該技術在夜間效果較差且受到海藻等假目標干擾[8]。

紫外照相技術利用紫外照相機與掃描式空間相機對油膜受光照后反射出的紫外線進行探測。此方法簡單方便,但易受陽光閃爍、水中生物影響且無法測量油膜厚度。此外,紫外分光光度法主要用于在實驗室檢測水中的油含量[9]。

微波傳感測量技術主要利用微波雷達或微波輻射計[10]。微波雷達屬于主動遙感監測技術,通常海洋毛細波反射雷達能量會形成“明亮”圖像,而油膜反之,形成“暗”圖像,根據圖像區別對溢油進行監測。該技術適用于大范圍搜索溢油區域,受夜晚和云霧影響小,但受藻類等因素干擾。微波輻射計利用油膜自發輻射信號強于海水的原理,通過分辨海水表面與油膜表面自發輻射的微波信號大小來實現對海面溢油的監測,但無法測量油膜厚度。信噪比和分辨率低,不適合準確監測。

激光誘導熒光探測技術是一種主動探測技術,不同油膜在激光發射器所發射激光照射下會反射不同強度熒光,據此原理進行溢油監測[11-14]。激光相較于自然光源,具有強度高、單色性好、指向性強等特點,并可以探測油品種類,但在進行油膜厚度的準確探測時,單純的激光熒光探測技術會受到背景熒光影響。

2 基本原理

綜合目前已有的溢油探測技術,充分發揮激光誘導熒光探測技術優勢,并消除其在油膜厚度探測時受背景噪聲的影響,本文提出了激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,通過測量水表面距離探測系統相同距離的無油膜處且忽略熒光背景后的水拉曼信號強度及有油膜覆蓋處的熒光信號強度,計算油膜厚度并判斷溢油風險,是溢油監測傳感器設計、油膜厚度判斷及溢油預警的基礎理論方案。

激光在照射海水時會產生彈性及非彈性散射光信號,并激發水中有機物產生熒光信號,光譜信號相對強度Iλ分布模型及基本原理如圖1所示。圖中虛線代表覆蓋油膜時海水光譜信號,其中包括油液及海水中熒光物質受激光誘導產生的寬帶光譜熒光,及海水受激光拉曼散射特征光譜峰;實線為無油膜覆蓋時海水光譜信號,此時熒光信號強度較低,拉曼光譜信號強度較高。

圖1 基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic principle

圖中If(0)和If(d)分別為海水被油膜覆蓋前后的寬帶熒光信號強度;Ir(0)與Ir(d)為在特定波長λr的熒光信號和海水受激光拉曼信號強度的疊加;無油膜覆蓋海水拉曼信號強度IR,以及有油膜覆蓋海水拉曼信號強度IR′。

當水面覆蓋的厚度為d的油膜受強度為I0的激光垂直照射時,在第i個波長通道處所接收到的油膜激光誘導熒光和水體激光拉曼散射信號總強度I(d)可以表示為

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

(1)

式中：ηi為油膜在第i個波長的熒光轉換效率;ke和ki分別為激發波長λe和任意波長λi處的熒光衰減系數;ζi為波長λi處水的熒光轉換效率;ψ為海水在波長λr處拉曼的轉換效率;δ函數在波長λr處為1,其他波長處為0。

式(1)中的第一項是海面油膜熒光強度,第二項和第三項分別為系統接收的海水熒光信號強度和拉曼信號強度。

如果海面上沒有油膜覆蓋,式(1)中油膜厚度d=0,則式(1)可表示為

Ir(0)=ζiI0+ψrI0

(2)

式中：ζi為在波長λi處的海水熒光轉換效率;ψr為在λr處海水拉曼轉換效率。通過插值法得到海水的背景熒光強度,扣除背景后海水的拉曼強度可表示為

IR=ψrI0

(3)

當水面覆蓋厚度為d的油膜時,接收系統在波長λi處的熒光信號強度可表示為

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

(4)

式中：ki為被測油液光衰減系數,被油膜覆蓋的海水熒光信號強度If(d)與無油膜覆蓋水拉曼強度IR之比K(d)表示為

(5)

相比于油膜熒光,海水產生的背景熒光較弱基本可以忽略,但忽略海水背景熒光后,式(5)可簡化為

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

(6)

式中：A=ke+ki為油的總衰減系數;C為激光穿透最大油膜厚度時的熒光強度與無油膜覆蓋時海水拉曼信號強度之比,在同強度激光激發下,C=(ηiI0)/(ψrI0)=ηi/ψr,為常數;ηi和ψr分別取決于被測油和海水的自身光學特性。由式(6)得到油膜厚度可表示為

(7)

由式(7)可知,通過探測無油膜覆蓋海水拉曼信號強度及油膜熒光強度,即可確定油膜厚度,如果設置報警厚度閾值,可在溢油油膜超過閾值時產生溢油報警。

3 溢油監測傳感器系統設計

為實現對溢油的有效探測,基于激光熒光與拉曼散射比值耦合理論設計了溢油監測傳感器系統,主要包括激光發射系統和光信號接收系統,如圖2所示。激光發射系統主要包括同步控制電路、驅動電路和405 nm激光器;光信號接收系統由望遠鏡系統、分光系統、像增強器和CCD組成。系統可以通過數據接口連接計算機,實現控制信號輸入和圖像信息輸出等。

圖2 傳感器系統構成Fig.2 The composition of the sensor system

傳感器激光發射系統的激發光源選用405 nm半導體激光器,TTL調制,重頻0～100 kHz可調節?？刂菩盘柾ㄟ^串行通訊接口傳輸到激光發射器,激光器頻率和功率由指令控制,激光器發射的激光直接照射到監測水域液面,激發液面產生激光熒光。

計算機控制信號首先傳輸至同步控制電路,同步控制電路將信號同時分配至激光發射系統和光信號接收系統,確保激光發射與信號接收實現時序同步。

在傳感器的光信號接收系統,可利用望遠鏡接收系統接收遠處微弱的熒光信號及水體拉曼散射信號。利用陰極靈敏度較高的像增強器作為光電探測器將微弱熒光信號轉換成電信號,并在熒光屏成像。望遠鏡系統接收光信號經分光系統后,由像增強器和CCD耦合后對光信號進行采集。其中,像增強器可以把亮度較低品質較差的光學圖像進行增強處理,CCD圖像傳感器將像增強器傳輸的光學信號轉換為模擬電流信號傳輸到計算機。傳感器采集的光信號通過CCD轉換為數字信號后,可以利用LabVIEW等平臺編寫的控制軟件對信號進行光譜采集、光譜分離、熒光基線提取等處理,同時基于激光熒光與拉曼散射比值耦合理論對提取的水面拉曼信號強度及油膜熒光強度進行算法處理,實現光譜實時顯示、數據處理及保存等功能。

為了消除水面波浪疊加陽光產生的背景噪聲對光學探測的不利影響,系統可以設定脈沖時間并進行脈沖測量,在一個完整的脈沖周期內,激光發射和關閉交替進行,而CCD和像增強器持續開啟。在激光發射時,CCD接收激光激發的熒光信號及背景光信號;在激光關閉時,CCD接收的僅為背景干擾信號。利用算法將激光開啟測得的熒光信號扣除背景光信號便獲得扣除背景噪聲的溢油等熒光物質的熒光信號。

4 設備構成

以溢油監測傳感器為核心部件,設計了水上浮動式溢油監測設備。設備綜合運用了激光誘導熒光、拉曼散射、自動控制技術、云計算技術、太陽能供電技術等,整合通訊網絡組成在線監測體系,可以將監測點位、數量和反饋信號等數據傳輸至管理系統與數據庫,利用所提出的激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,實現對港口碼頭水域溢油的實時監測。

該設備采用大功率發電單晶硅太陽能電池板發電,太陽能電池板設置在設備頂面并傾斜約45°以便更好接收太陽能輻射,平均發電功率約為15 W。太陽能電池板與蓄電池電連接,配備電壓轉換電路實現電能存儲并向傳感器和無線數據傳輸裝置供電;電池蓄能可以在夜間及陰雨天為設備供電。

傳感器采用設計的溢油監測傳感器,利用輸出功率可達850 MW的405 nm半導體激光器。傳感器設置在設備主體正下方位置,垂直向下照射水面。

實際設備如圖3所示,主體采用全鋁框架結構[15],通過4個距離直徑30 cm的空心浮球為設備提供浮力,結構穩固、重心較低,具備較好乘波性能。相鄰浮球之間,利用不透光鋁板進行連接,有效阻擋雜光射入設備底部,避免陽光與風浪交互作用下產生的背景噪聲擾動。擋板上設置5×10 cm的開孔,不影響監測區域水流流場。

圖3 水上浮動式溢油監測設備Fig.3 Floating oil spill monitoring equipment in port and wharf water

設備數據傳輸采用4G通訊傳輸裝置,與溢油監測傳感器系統進行數據連接,可以將傳感器原始數據發送至云端服務器,由云端服務器負責存儲、分析和發布數據。

5 系統平臺

設計了適用于水上浮動式溢油監測設備的溢油監測傳感系統平臺,整合利用水上浮動式溢油監測設備的云端服務器數據,設置數據地圖、數據查詢、報警管理及設備管理模塊。

系統數據地圖模塊主要用于顯示溢油監測設備工作狀態等。在數據地圖模塊可以選擇指定設備,進行地圖顯示、設備搜索、傳感器啟停、關閉報警,并顯示監測設備的閾值線和實時監測數據曲線。

系統數據查詢模塊主要用于查詢設備實時數據或在特定時間段內的數據信息。在數據查詢模塊可以通過“時間段”選項選擇要查詢的時間區間,包括“最近10 min”、“最近3 h”及“最近1 d”等選項。通過“自定義時間段”選項還可以選擇要查詢的特定時間區間。模塊下方表格顯示設備的歷史報警信息。

系統報警管理模塊主要用于展示并處理溢油報警信息。在報警管理模塊可以展示報警信息、關閉報警、設置報警處理情況,還可以導出特定時間段內的報警信息報表。

系統設備管理模塊主要用于顯示并設置設備信息。在設備管理模塊可以直觀顯示設備狀態和異常信息,通過“添加設備”選項,可以設置設備名稱、設備號、設備序列號、設備位置、報警閾值、收集頻率、上報頻率、校準頻率及報警間隔等信息。

6 應用測試

為了驗證水上浮動式溢油監測設備效果,利用柴油油樣對設備及系統進行應用測試。

6.1 試驗測試

在實驗內設置裝滿純水的水池,為了控制油液擴散范圍,在水池用圍油欄圈圍油液可擴散面積為2 m2,將設備置于圍油欄內進行檢測。實驗開始時,檢測區域內無油液加入,利用電腦記錄設備反饋數據,并作為A組試驗結果。逐次向圍油欄區域內加入柴油100 mL。進行B組實驗時,向圍油欄區域內累計加入柴油200 mL時,待油液完全擴散,油膜厚度均勻,根據表面積可計算出油膜厚度約0.1 mm,記錄此時檢測數據并作為B組試驗結果。待向圍油欄區域內累計加入柴油500 mL時,且油液完全擴散均勻,根據表面積可計算出油膜厚度約0.25 mm,記錄此時檢測數據并作為C組試驗結果。重復以上試驗步驟,在加入柴油量累計為700 mL、1 L、1.4 L及2 L時,分別記錄試驗數據,并作為D、E、F及G組試驗結果。

6.2 結果分析

根據油樣加入量和實驗區域面積,計算得出各組試驗的油膜厚度。依據提出的激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,利用所記錄的試驗數據計算反演油膜厚度,作為拉曼熒光比反演結果。將實際油膜厚度與拉曼熒光比反演結果進行誤差分析,并繪制圖4進行對比。結果表明,拉曼熒光比反演結果與實際油膜厚度誤差最小約1.0%,最大不超過7.5%,檢測結果基本可信。

圖4 油膜厚度與拉曼熒光比反演結果對比Fig.4 Comparison of oil film thickness and Raman fluorescence ratio inversion results

實驗過程中,將系統中設備的報警閾值設置為0.08 mm,在檢測區域無油樣加入時,系統顯示實時數據無報警,當向試驗區域加入200 mL油樣,即進行B組試驗結果記錄時,系統開始報警并展示報警信息。

7 結論

港口碼頭水域溢油監測是溢油突發環境事件應急能力建設的關鍵環節。本文針對港口碼頭離岸開闊水域溢油監測需求,基于激光熒光與拉曼散射提出了激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,推導了拉曼熒光比反演過程,可以有效演算油膜厚度;基于激光熒光與拉曼散射比值耦合理論,進行了傳感器系統設計并研發了利用太陽能供電的水上浮動式溢油監測設備,具備良好乘波性能并可以有效屏蔽雜光干擾;設計了與檢測設備相匹配的溢油監測傳感系統平臺,包括數據地圖、數據查詢、報警管理及設備管理模塊,可以對溢油監測實時數據和溢油報警等信息進行展示、設置;最后,通過水池實驗對溢油監測設備和溢油監測傳感系統進行應用驗證,在油膜厚度為0、0.1 mm、0.25 mm、0.35 mm、0.50 mm、0.70 mm及1.00 mm時記錄試驗數據并反演油膜厚度,反演結果與油膜厚度誤差最小約1.0%,最大不超過7.5%,證明理論方法基本正確,設備監測性能和系統報警可靠性較高。

研發的水上浮動式溢油監測設備實現了設備無線纜束縛的高性能溢油監測,可以為溢油監測的全方位應用、全空間覆蓋、全角度監測提供有力支撐。