CN104713851A - 小型化实时在线海上溢油检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角度调制型的小型化表面等离子体共振技术的实时在线海上溢油检测系统，该系统由光学模块、传感模块、检测模块、再生模块、供电模块及控制模块六部分组成；所述光学模块采用半导体激光模组具有较大发散角满足对光源的角度控制，传感模块采用高折射率重火石玻璃材料棱镜及同材料的金膜传感玻片，检测模块采用无线传输模式线阵CCD探测器采集图像，传输给控制模块的计算机数据采集部分，进行数据图像处理。本发明主要针对小面积不宜被发现的早期海上溢油进行检测，通过系统封装定位，分布式网络布置实现多传感数据融合，对溢油位置、漂移速度、方向、轨迹的实时跟踪和信息显示进行监测，为判断泄漏地点提供了重要信息。

Description

小型化实时在线海上溢油检测系统

技术领域

本发明涉及一种角度调制型的小型化表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance,SPR)技术的实时在线海上溢油的检测系统，涉及到海上溢油检测领域中对会产生小面积溢油区域，如海底油井溢油、海底油气藏的微泄露以及输油管道泄漏等有着高效的检测精度，为判断泄漏地点提供了重要信息。

技术背景

我国海上石油工业的发展和对原油需求的持续增长，促使着海上石油运输的发展和海上钻井平台、输油管道运输网的建设。但是由于技术、自然灾害等原因造成的石油污染也相当严重。因此，海上溢油问题的预防、应急处置成为大家日益关注的焦点，我国虽然在不断完善应急体系和技术，但同时也存在着风险因素。

2011年6月4日，我国最大的海上油气田—蓬莱19-3油田发生了泄油事故，事发近两个月导致5500平方公里海域水质被污染，870平方公里海水从一类水质下降到了劣四类，近3个月后康菲宣布油田全部停产。到2011年12月止，海洋污染面积达到6200公里，这也是近年来中国内地第一起大规模海底油井溢油事件。同时，责任方出资10亿元人民币，用来赔偿和补偿养殖生物遭受的损失以及渤海天然渔业资源受到的损害，出资1亿元进行渔业资源的修复和环境测评、科研等方面工作。尽管如此，彻底清除海上油污往往需要几年甚至十几年的时间，花费的人力、精力和财力都无法估量。据报道，近50年来因油污染已有1000多种海生生物灭绝，海洋生物已减少了40％。另外，石油挥发的有机蒸汽扩散到大气中同样污染环境。引发光化学烟雾，刺激人类视觉，损害环境中的有机物，引起植物坏死等。若能在漏油早期及时发现漏油现象，则可采取有效措施避免如此巨大的灾难发生。但目前海上早期漏油检测非常困难，缺乏有效的检测方法与设备。

表面等离子体共振传感技术因其对外界介质折射率的微小变化极其敏感、可实现实时过程检测、无需标记、耗样最少等特点而广泛应用于物质浓度、含量、温度以及能够引起折射率变化的相关参数等物理量的测量与检测，在生物医学、环境污染、食品安全以及石油化工等方面应用前景广阔。这些特点使其具备了海上早期小面积溢油检测的条件，但采用SPR传感报警海上溢油的技术和设备，目前我国还是空白，这是由于目前SPR体积大，不适于海上溢油检测，国内小型化SPR仪尚不成熟，且没有针对小面积、高精度的溢油检测仪器装置，如国内研制的海洋浮标检测装置，只适用于溢油跟踪，不具备溢油检测的功能。与此同时，国内所进口的溢油报警装置在其检测范围和检测准确度等方面受到一定的限制。因此研制小型化SPR实时在线海上溢油检测系统，检测小面积溢油达到提早预防、预警、应急处理，目前在国内尚属空白，具有很好的市场前景。

发明内容

本发明所述目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于角度调制型的小型化表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术的实时在线海上溢油的检测系统装置；其溢油检测系统装置示意图如图1所示。

基于角度调制型小型化SPR技术的海上溢油实时在线的检测系统的组件包括光学模块、传感模块、检测模块、再生模块、供电模块及控制模块六个部分组成，系统框图如图2所示；其中，所述的光学模块采用具有较大发散角的半导体激光模组来满足对角度范围需求的控制，传感模块采用高折射率重火石玻璃材料的棱镜及相应材料的制作的50nm厚的金膜传感玻片，其中棱镜与传感金膜玻片通过匹配液或匹配胶粘合，检测模块包括自检装置和线阵CCD探测器，其中自检装置通过对系统工作环境进行自检，判定该系统是否处于正常工作状态；而线阵CCD检测器采用具有灵敏度高、噪声低以及动态范围宽的内置采样保持电路的无线传输模式线阵CCD器件及驱动，高效的采集有效的光斑。将其采集的数据图像传输给控制模块中的数据采集部分计算机进行数据图像处理，判别是否有溢油出现，并确定溢油区域。在海上检测时有供电模块来提供系统保持正常工作状态下所需的电能，其中供电模块采用海上漂浮行太阳能光伏电池装置供电。

本发明由红光激光模组LD光源发出一束具有发散角的光，并且该光束的发散范围需覆盖海上溢油在其折射率条件下所需光源的范围，该光束穿透棱镜照射到金膜的传感玻片表面，由于是具有一定发散角的宽光束入射，当入射角大于临界角使入射光发生全反射，而当入射角等于共振角的部分发生表面等离体激元共振，光强急剧减小产生衰减式全内反射，其中传感棱镜有一边附有内反射镜面，光束通过该内反射镜面反射到探测器线阵CCD上，线阵CCD将接受到的光强信号转换成电信号，并通过控制模块中的数据采集部分在计算机上进行数据图像处理，最后分析处理得到表面等离子体共振光谱曲线，通过对光谱曲线判定来判别检测的结果是否有溢油出现，并确定出溢油的区域。

本发明基于角度调制的Kretschmann型结构，其主要的结构特点有以下四个方面：

(1)光源采用宽光束红光LD，中心波长为635nm+/-5nm左右；

(2)传感部分由棱镜和金膜传感玻片组成，对棱镜结构重新进行了设计，利用ZEMAX仿真分析得出棱镜的形状为四边形-六面体有利于小型化的结构设计，大大减小了装置的体积；

其中棱镜的一边镀上反射率能达到90％的内反射面，这样可以使得光源和检测器位于同一平面内；

棱镜的另一边传感面安置金膜传感玻片，金膜的厚度为40-60nm。由于当金属薄膜厚度的增加时，共振深度逐渐减小，其最小反射系数将增大，而当膜厚度超过某一值时，共振峰便会消失，故金属薄膜的厚度对等离子共振深度有重要影。

当膜厚在某一数值时，反射光强度近似为零，共振深度达到最大，所以金属薄膜厚度为50nm左右时，可达到最佳状态。

金膜传感玻片利用超声波震荡的方式清洗金膜表面污染物，有利于延长金膜的使用寿命，保证检测的重复性与可靠性。

(3)检测部分利用自检装置判定工作状态，同时采用改制传输模式为无线传输模式的线阵CCD探测器TCD1501，具有5000像素点的，且灵敏度高、检测精度高，可高效的采集数据图像；

(4)控制部分是将线阵CCD采集的数据图像以无线传输的模式通过卫星等方式，传输给计算机数据采集部分，然后进行数据图像处理，分析判别是否有溢油出现，并判断其溢油位置。

本发明对比其他海上溢油检测装置的优点在于以下几个方面：

(1)实现了海上溢油检测装置的小型化设计，可实现高效、快速的对小面积不宜被发现的溢油检测，提高了检测效率；

(2)弥补了卫星、航空和航海溢油检测的时空限制，可实现以分布式网络的形式部署到相应海域的钻井平台、输油管道等进行示范应用；

(3)可实现在监测点较大区域范围的全天候、实时在线、高效快速的溢油检测，对会产生小面积溢油区域，如海底油井溢油、海底油气藏的微泄露等有着高效的检测精度，为判断泄漏地点提供了重要信息；

(4)通过系统封装定位，实现多传感数据融合，对溢油位置、漂移速度、轨迹、方向的实时跟踪和信息显示进行监测，利用卫星、GPRS等无线传输形式实时传输在线监测的数据图像传输回监控中心工作站，对数据进行快速分析判定出溢油区域，使得应急人员可及时、准确、实时地跟踪处理溢油事故，从而达到减少重大经济损失的目的，同时可以减少溢油事故对海洋生态环境和周边海岸造成的严重危害。

附图说明

图1小型化SPR海上溢油检测系统装置示意图

图2小型化检测系统框图；

图3技术路线框图；

图4ZEMAX仿真光路图

具体实施方式

本发明是一种角度调制型的小型化表面等离子体共振技术的海上溢油实时在线检测系统，该系统尤其针对实现海上溢油检测领域中会产生小面积溢油区域有着高效的检测精度，具有灵敏度高、成本低、体积小，封装后便于将其抛洒在各个海域监测点进行全天候、实时在线、高效可靠的溢油检测。

小型化SPR海上溢油实时在线检测系统由光学模块、传感模块、检测模块、再生模块、供电模块及控制模块六个部分组成，该系统装置示意图如图1所示；

1.光学模块包括半导体激光模组(LD)1，并将其改制成具有较大发散角度的入射角、中心波长定在红光波段的尽量变化范围较小的单一波长、功率不大于5mw。LD出的光从棱镜2底边前段进入，入射到有金膜传感玻片4的一边上，为保证入射光能全部将金膜传感玻片4的原油5样品检测到，LD的发散角度计算公式为

$\frac{n_1}{n_2}=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_2}{\sin {\mathrm{\α}}_1}$

其中，n₁为空气的折射率，n₂为棱镜的折射率，sinα₁为空气入射到棱镜上的角度，sinα₂为在棱镜2内部中出射的角度。

2.传感模块包括棱镜2和金膜传感玻片4，光源LD发出的光从棱镜2底边的前段入射，光首先入射到附有金膜传感玻片4的一边，金膜传感玻片4是通过匹配液或者匹配胶3粘附到棱镜上，其中匹配液或匹配胶的折射率比棱镜的折射率要高一些，以保证光能够完全打到金膜传感玻片4上，由于是具有一定发散角的宽光束入射，当入射角大于临界角使入射光发生全反射，而当入射角等于共振角的部分发生表面等离体激元共振，产生衰减式全内反射。

3.检测模块包括自检装置嵌对系统工作环境进行自检，判定该系统是否处于正常工作状态；以及改制的无线传输模式具有5000像素点的线阵CCD探测器8，其中自检装置嵌入到线阵CCD探测器8的电路板中，光从附有金膜传感玻片4的一边发生全反射产生表面等离子体共振后，出射的光入射到棱镜2的另一镀有内反射面7的边上，其反射率能达到90％的以上，便使光在此边再产生一次全反射，再次反射出的光到达棱镜2底边的后端，后端放置线阵CCD探测器8对光进行检测，这便使光源和检测器位于同一平面内，减小该系统的体积便于小型化。

4.控制模块利用线阵CCD探测器8采集的数据图像以无线传输的模式通过卫星10等方式，传输给计算机数据采集部分11，然后进行数据图像处理，分析判别是否有溢油出现，并判断其溢油位置进行实时的海上溢油检测。

5.再生模块是对样品进行检测与清洗的部分，针对样品清洗采用的是便于对金膜表面原油5进行清洗的样品槽装置，可利用超声波震荡方式6进行清洗金膜表面的原油5，延长金膜寿命保证检测的重复性与可靠性。

6.供电模块采用海上漂浮型太阳能光伏电池装置9对该系统供电。

7.本发明封装材料采用聚四氟乙烯。

本发明的系统框图如图2所示；

1.首先，通过光学模块采用设计制作的具有较大发散角的半导体激光模组LD，LD发出一定发散角度的光束；

2.光束通过传感模块的棱镜前段入射，传输到传感模块棱镜附有金膜传感玻片的一边，发生表面等离子体共振产生全内反射，然后，光束反射到镀有全内反射的一边，再次发生全反射，将光束反射到传感模块棱镜底边的末端；

3.其中，在金膜传感玻片处有再生模块对样品进行检测与清洗处理；

4.最后，从末端传输出的光束通过检测模块的线阵CCD探测器进行检测，将检测到的数据图像通过无线传输的方式，传输回控制模块中的计算机数据采集部分进行数据图像处理。

本发明的技术路线框图如图3所示；

1.首先，通过对多种物理性质不同的碳氢化合物混合构成的原油进行检测，判定出原油的折射率范围；

2.其次，通过原油折射率范围根据表面等离子体共振的原理计算，确定出所需光源的中心波长和入射角的范围；

3.与此同时，通过原油折射率范围也可找出符合检测原理以及检测精度的传感模块中棱镜的折射率范围，并确定符合检测要求的棱镜材料；

4.再次，通过对光源中心波长及入射角范围的确定，利用zemax非序列模拟仿真，确定出满足检测要求的棱镜的各个边长、角度的尺寸以及最终的尺寸形状；

5.同时也确定出所需的金膜传感玻片的厚度在50nm左右，得到符合检测要求的共振峰深度；

6.最后，通过对以上的确定便可得出符合的线阵CCD探测器以及控制模块中的计算机数据采集部分。

本发明的ZEMAX光路仿真如图4所示；

LD光源1从棱镜2的前段入射，为保证光能覆盖到原油6样品的折射率范围，所以会用具有较大发散角的宽光束LD，为保证接收完全，通过计算得出该光束入射角的范围。

由于多种物理性质不同的碳氢化合物混合构成的原油有着不同的折射率，故会分别取某一值进行仿真，该仿真取折射率为1.48的原油，当对该原油样品进行仿真检测时，会存在不属于本次检测范围的杂散光从边缘溢出。

与此同时，杂散光对检测的结果是没有影响，因为会产生表面等离子体激元共振的光束会在金膜传感玻片5产生全内反射，其中金膜传感玻片5由匹配胶(液)4粘合到棱镜2上，该光束到达镀有全内反射镜面7再次发生全内反射将光束反射到棱镜底边的后端，被线阵CCD探测器3所接收。

Claims (1)

1.一种小型化实时在线海上溢油检测系统，包括光学模块、传感模块、检测模块、再生模块、供电模块及控制模块，其特征在于：

所述的光学模块采用宽光束半导体激光模组LD；传感模块包括不规则的重火石玻璃棱镜和金膜传感玻片；检测模块包括自检装置和无线传输模式的线阵CCD探测器；再生模块采用超声波清洗装置；供电模块采用海上漂浮型太阳能光伏电池装置；控制模块采用与线阵CCD探测器相匹配的数据采集部分；

所述的光源半导体激光模组LD发出一束覆盖原油折射率范围的宽光束，该光束由不规则棱镜底边前端照射到金膜传感玻片表面，光束入射角等于共振角的部分将发生表面等离体激元共振，光强急剧减小产生衰减式全内反射，其中棱镜有一边附有内反射镜面，光束通过内反射镜面反射到无线传输探测器线阵CCD上采集数据图像，再通过卫星无线传输回数据采集部分处理分析，最后得到表面等离子体共振光谱曲线，判别检测是否有溢油出现，并确定溢油区域；与此同时，整个系统由太阳能光伏电池装置供电，并由自检装置实时检测系统是否处于正常工作状态；

所述的系统封装定位，实现分布式网络布置以便多传感数据融合，对溢油位置、漂移速度、方向、轨迹的实时跟踪监测。