CN105758824B

CN105758824B - 基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法

Info

Publication number: CN105758824B
Application number: CN201610101784.6A
Authority: CN
Inventors: 杨俊杰; 史久林; 严峰; 王智炀; 何兴道
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: CN105758824A

Abstract

本发明公开了一种基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法，ICCD分别连接计算机和ICCD控制器，计算机和恒温控制器、数控升降台相连接，比色皿放置在恒温控制器中，反射镜到ICCD之间依次设置准直镜和F‑P标准具，激光器到比色皿之间依次设置二分之一波片、偏振片、四分之一波片、三角棱镜和聚焦系统，聚焦系统由凹透镜和凸透镜组成，偏振片的一侧设置有反射镜；计算机对正常海水样品、石油样品及正常海水与石油的混合液所产生的第一、第二布里渊散射信号进行分析处理，并建立布里渊散射频移数据库；第三布里渊散射信号与之前建立的布里渊散射频移数据库做比较，即可得出检测结果。

Description

基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法

技术领域

本发明涉及光电检测中的布里渊散射检测领域，尤其涉及基于布里渊散射对海洋石油污染的检测方法。

背景技术

随着石油工业的发展，受石油污染的海洋面积不断扩大，污染程度也日益严重，伴随着带来了诸多环境问题。在原油的开采、运输、加工等过程中由于事故、不正常操作及检修等问题，会导致石油的溢出、泄漏、沉降及排放，使周围水体遭受严重污染。显然，找到一种精确、实时的污染检测方法具有重大意义。

本发明介绍了一种新型的海洋石油污染检测技术，为未来海洋石油污染的检测提供了更加有效的方法。布里渊散射激光雷达检测技术是一种新型的检测技术，其探测波长短、能量密度高、波束定向性强，因此,具有探测灵敏度高、空间分辨率高, 能分辨被检测的目标和不存在探测盲区等优点, 已经成为目前高精度遥感检测的有效方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的海洋石油污染检测方法，能够高效、精确的实现对海洋石油污染的探测，这对有效的解决海洋石油污染具有深刻的意义。

本发明采用以下技术方案实现上述目的，基于布里渊散射的海洋石油污染检测装置，主要由激光器、二分之一波片、偏振片、四分之一波片、三角棱镜、比色皿、恒温控制器、计算机、ICCD控制器、反射镜、F-P标准具、ICCD 、数控载物台组成；其特征在于：激光器前方依次设置有二分之一波片、偏振片、四分之一波片及三角棱镜，三角棱另一侧依次设置有聚焦系统、恒温控制器及数控载物台，激光器输出的激光光轴与二分之一波片、偏振片、四分之一波片及三角棱镜共轴，三角棱镜出射激光与聚焦系统共轴，偏振片的另一侧对应装有反射镜，反射镜的一侧依次装有准直系统、F-P标准具及ICCD，经反射镜发射的信号光与准直系统、F-P标准具及ICCD共轴，信号光依次经过聚焦系统、三角棱镜、四分之一波片、偏振片、反射镜、准直系统及F-P标准具，最后由ICCD采集布里渊散射信号并由计算机处理；所述计算机和ICCD、数控载物台及恒温控制器连接，ICCD与ICCD控制器连接，所述恒温控制器内置有比色皿。

基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法，其特征在于检测方法步骤如下：

（1）分别取适量正常海水样品和石油样品装入比色皿中；

（2）打开计算机并启动激光器、数控载物台、恒温控制器、ICCD和ICCD控制器；

（3）打开激光器并使激光经过二分之一波片、偏振片、四分之一波片、三角棱镜、聚焦系统后射入比色皿中；

（4）激光打在分别以海水和石油为散射介质的比色皿中，激发出第一布里渊散射信号；

（5）信号光经过准直系统准直、F-P标准具分光和信号采集器ICCD的记录后，经计算机对第一布里渊散射信号进行分析处理和数据储存；

（6）再取等量的正常海水和石油样品，用超声振荡器充分震荡，形成混合溶液，将此种溶液加入比色皿中并放置在阴凉通风处，恒温控制器控制混合液温度不变，溶液在比色皿中分层，并且石油位于水体上方；

（7）重复步骤3）并且通过计算机控制数控载物台，使激光打在混合液体的下层水体中产生第二布里渊散射信号，通过第一、第二布里渊散射信号建立石油污染引起的布里渊散射频移数据库；

（8）重复步骤5）；

（9）取待测海水加入比色皿中，重复步骤3）并将此时激发出的第三布里渊散射信号与先前的布里渊散射频移数据库比较，即可判断待测海水是否有石油污染，得出辨别结果。

所述正常海水和石油样品和所述正常海水与石油样品混合液的所述布里渊散射频移数据库建立时，用所述恒温控制器调控所述正常海水和石油样品和所述正常海洋与石油混合液的温度，从而得到各温度下所述正常海水和石油样品和所述正常海水与石油混合液的所述布里渊散射频移数据库。

所述待测海水的第三布里渊散射信号在检测后，通过比对同温度下正常海水和石油样品和正常海水与石油混合液建立的布里渊散射频移数据库，即可得出待检测结果。

本发明的优点是，不需要对待测海水进行处理，激光打到海水中便产生布里渊信号，且信噪比高、清晰度好，能够快速实时的对海水石油污染进行检测。

附图说明

图1是本发明基于布里渊散射的海洋石油污染检测装置。

图2是本发明基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法的流程图。

在图中，激光器1，二分之一波片2、偏振片3、四分之一波片4，三角棱镜5，聚焦系统6，比色皿7，恒温控制器8，计算机9，ICCD控制器10，反射镜11，准直系统12，F-P标准具13，ICCD 14，数控载物台15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。参见图1和图2，基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法，计算机9和ICCD 14、数控载物台15及恒温控制器8连接，ICCD 14与ICCD控制器10连接，激光器1前方依次设置有二分之一波片2、偏振片3、四分之一波片4及三角棱镜5，三角棱5另一侧依次设置有聚焦系统6、恒温控制器8及数控载物台15，激光器1输出的激光光轴与二分之一波片2、偏振片3、四分之一波片4及三角棱镜5共轴，三角棱镜5出射激光与聚焦系统6共轴，偏振片3的另一侧对应装有反射镜11，反射镜11的一侧依次装有准直系统12、F-P标准具13及ICCD 14，经反射镜11发射的信号光与准直系统12、F-P标准具13及ICCD 14共轴，信号光依次经过聚焦系统6、三角棱镜5、四分之一波片4、偏振片3、反射镜11、准直系统12及F-P标准具，最后由ICCD 14采集布里渊散射信号并由计算机9处理；

检测步骤如下：

1）取适量正常海水样品101和石油样品103装入比色皿7中；

2）打开计算机9并启动激光器1、数控载物台15、恒温控制器8、ICCD 14和ICCD控制器10；

3）打开激光器1并使激光经过二分之一波片2、偏振片3、四分之一波片4、三角棱镜5、聚焦系统6后射入比色皿7中；

4）激光打在分别以正常海水101和石油103为散射介质的比色皿7中，激发出第一布里渊散射信号102；

5）信号光经过准直系统12准直、F-P标准具13分光和信号采集器ICCD 14的记录后，经计算机9对第一布里渊散射信号102进行分析处理104和数据储存105；

6）再取等量的正常海水样品101和石油样品103，用超声振荡器充分震荡，形成混合溶液106，将此种溶液加入比色皿7中并放置在阴凉通风处，恒温控制器8控制混合液温度不变，溶液在比色皿7中分层，并且石油位于水体上方；

7）重复步骤3）并且通过计算机9控制数控载物台15，使激光打在混合液106的下层水体中产生第二布里渊散射信号107，通过第一、第二布里渊散射信号102、107建立石油污染引起的布里渊散射频移数据库110；

8）重复步骤5）；

9）取待测海水11加入比色皿中，重复步骤3）并将此时激发出的第三布里渊散射信号112与先前的布里渊散射频移数据库110比较，即可判断待测海水是否有石油污染，得出辨别结果115；

所述正常海水样品101和石油样品103和所述正常海水与石油样品混合液106的所述布里渊散射频移数据库110建立时，用所述恒温控制器15调控所述正常海水样品101和石油样品103和所述正常海洋与石油混合液106的温度，从而得到各温度下所述正常海水样品101和石油样品103和所述正常海水与石油混合液106的所述布里渊散射频移数据库110。

所述待测海水111的第三布里渊散射信号112在检测后，通过比对同温度下正常海水样品和石油样品和正常海水与石油混合液建立的布里渊散射频移数据库110，即可得出待检测结果115。

实施例：下面介绍本发明的一个较佳的实施方式，本发明的装置如图1所示，采用一台计算机9通过线路控制ICCD 14、数控载物台15和恒温控制器8，恒温控制器8连接比色皿7，恒温控制器8的型号为SLDX-25控制器，计算机9通过恒温控制器8控制比色皿7的温度；种子注入式Nd:YAG激光器1射出光束依次通二分之一波片2、偏振片3、四分之一波片4、三角棱镜5、聚焦系统6并射到比色皿7中的检测液中，产生后向受激布里渊散射信号，散射信号按原路返回，再经过偏振片3与反射镜11的反射通过准直系统12、F-P标准具13并由ICCD 14和计算机9记录数据并分析光谱。

本发明的工作原理：种子注入式Nd:YAG激光器1发出532nm的竖直偏振光由实线代表光路；竖直偏振光经二分之一波片2后以水平偏振光透射并透过具有高透过率的偏振片3；水平偏振光以椭圆偏振态透过四分之一4波片并经过三角棱镜5的反射后射入聚焦系统6，经聚焦系统6的扩束与聚焦射到盛有待测样品的比色皿7中并激发出后向受激布里渊散射信号；散射信号按原光路返回，当再次透过四分之一波片4时以竖直偏振态射出；竖直偏振的散射光经只对水平偏振态具有高度透过率的偏振片3时反射到反射镜11并依此透过准直系统12和F-P标准具后，由ICCD 14记录下光谱信息并由计算机9对信号进行处理。

本发明的操作过程：

1）打开计算机9,及恒温控制器8、数控载物台15，通过计算机设定恒温控制器的温度为20⁰C；

2)分别将正常海水样品101和石油样品103放入比色皿7中，待待测液体到达恒温控制器设定的温度20⁰C后，打开种子注入式Nd:YAG激光器1输出激光；

3）计算机9通过控制ICCD 14对第一布里渊散射信号102进行信号采集；

4）计算机9对第一、第二布里渊散射信号102进行分析处理104，并进行布里渊散射信号频移量的储备105；

5）将正常海水与石油的混合液106放入比色皿7中，待其温度达到设定温度20⁰C后重复3)、4)步骤，建立起布里渊散射频移数据库110；

6)对待测海水111进行检测，将待检测海水111加入比色皿7中，待其温度达到设定温度20⁰C后重复3)、4)步骤；

7）通过对待检测海水111的第三布里渊散射信号112的分析处理113得到信号数据114并与建立的布里渊散射频移数据库作比对，即可辨别待检测海水是否存在石油污染。

采用调Q种子注入式Nd:YAG激光器1，激光光源波长为532nm，F-P标准具的平面镜反射率为99.5%，自由光谱范围为19.8GHz，ICCD 14型号为Princeton Instruments PI-MAX1024B。

如图2所示，分别以正常海水样品101和石油样品103以及正常海水与石油的混合液106作为光散射介质，通过ICCD 14对散射信号102、107的记录，计算机9对信号的自动分析处理104、108和储存105、109并建立布里渊散射频移数据库110。然后，以待检测海水111作为光散射介质，计算机9对产生的散射信号作自动处理并与数据库作比较，即可得出检测结果115。

布里渊散射激光探测技术是一种有效的主动探测方式，它能探测较大面积的海洋区域，与常规的幅度探测方法不同之处在于，它是一种调频探测技术，即探测回波信号中发生频移的布里渊信号成分，此种方法的精确度更高、信噪比更高。若改变正常海水与石油混合液中石油的比例，可制成不同程度的海洋石油污染的布里渊散射频移数据库，从而可检测出实际海域中海水的石油污染程度。

Claims

1.基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法，该检测方法是基于一种检测装置实施，所述检测装置主要由激光器、二分之一波片、偏振片、四分之一波片、三角棱镜、比色皿、恒温控制器、计算机、ICCD控制器、反射镜、F-P标准具、ICCD、数控载物台组成；其特征在于：激光器前方依次设置有二分之一波片、偏振片、四分之一波片及三角棱镜，三角棱镜另一侧依次设置有聚焦系统、恒温控制器及数控载物台，激光器输出的激光光轴与二分之一波片、偏振片、四分之一波片及三角棱镜共轴，三角棱镜出射激光与聚焦系统共轴，偏振片的另一侧对应装有反射镜，反射镜的一侧依次装有准直系统、F-P标准具及ICCD，经反射镜反射的信号光与准直系统、F-P标准具及ICCD共轴，信号光依次经过聚焦系统、三角棱镜、四分之一波片、偏振片、反射镜、准直系统及F-P标准具，最后由ICCD采集布里渊散射信号并由计算机处理；所述计算机和ICCD、数控载物台及恒温控制器连接，ICCD与ICCD控制器连接，所述恒温控制器内置有比色皿；

检测方法步骤如下：

(1)分别取适量正常海水样品和石油样品装入比色皿中；

(2)打开计算机并启动激光器、数控载物台、恒温控制器、ICCD和ICCD控制器；

(3)打开激光器并使激光经过二分之一波片、偏振片、四分之一波片、三角棱镜、聚焦系统后射入比色皿中；

(4)激光打在分别以海水和石油为散射介质的比色皿中，激发出第一布里渊散射信号；

(5)信号光经过准直系统准直、F-P标准具分光和信号采集器ICCD的记录后，经计算机对第一布里渊散射信号进行分析处理和数据储存；

(6)再取等量的正常海水和石油样品，用超声振荡器充分震荡，形成混合溶液，将此种溶液加入比色皿中并放置在阴凉通风处，恒温控制器控制混合液温度不变，溶液在比色皿中分层，并且石油位于水体上方；

(7)重复步骤3)并且通过计算机控制数控载物台，使激光打在混合液体的下层水体中产生第二布里渊散射信号，通过第一、第二布里渊散射信号建立石油污染引起的布里渊散射频移数据库；

(8)重复步骤5)；

(9)取待测海水加入比色皿中，重复步骤3)并将此时激发出的第三布里渊散射信号与先前的布里渊散射频移数据库比较，即可判断待测海水是否有石油污染，得出辨别结果。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法，其特征在于：所述正常海水和石油样品和所述正常海水与石油样品混合液的所述布里渊散射频移数据库建立时，用所述恒温控制器调控所述正常海水和石油样品和所述正常海水与石油混合液的温度，从而得到各温度下所述正常海水和石油样品和所述正常海水与石油混合液的所述布里渊散射频移数据库。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的海洋石油污染检测方法，其特征在于：所述待测海水的第三布里渊散射信号在检测后，通过比对同温度下正常海水和石油样品和正常海水与石油混合液建立的布里渊散射频移数据库，即可得出待检测结果。