CN107101948B - 一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法。采集不同角度下海水与溢油的光信号，得到多组海面溢油图像；每一组具有相同数量的多幅原始图像；对原始图像进行数据处理，得到每一组海面溢油图像的穆勒矩阵；分解穆勒矩阵，从中提取出偏振特征信号值；根据偏振光强值计算出等效偏振吸收率；将不同观测角度下海水与溢油的等效偏振吸收率作为识别依据，实现海面溢油的检测。本发明方法精度高、可靠性好、效率高。

Description

一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法

技术领域

本发明属于目标检测技术领域，具体涉及一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法。

背景技术

海面溢油对海洋环境会生成许多有害物质，导致大量海洋生物的死亡，进而危害整个海洋生态系统和沿海滩涂环境，造成了不可估量的损失。在海水影响较强的情况下，偏振光谱作为一种新型的检测手段可以对薄油和浓度较低的油水乳化物进行测量，弥补了常规测量方式的一些缺点。

海面溢油的基本检测方法主要有可见光法、红外分光光度法、微波辐射计法、气相色谱法和荧光法等。但是，这些传统的测量方法都需要对实验样品进行预处理，并且需要昂贵的实验仪器作为支撑，在数据分析和处理上比较单一，无法做到多角度大视场对海面溢油进行无损检测，从而无法对海面溢油的物理机理做出科学可靠的分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法，该方法精度高、可靠性好、效率高。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法，包括如下步骤：

步骤一，采集不同角度下海水与溢油的光信号，得到多组海面溢油图像；每一组具有相同数量的多幅原始图像；

步骤二，对原始图像进行数据处理，得到每一组海面溢油图像的穆勒矩阵；

步骤三，分解穆勒矩阵，从中提取出偏振特征信号值；

步骤四、根据偏振光强值，按照如下公式计算出等效偏振吸收率A，

其中，A_in为入射偏振光的光强值，k₀＝ω/c是自由空间波数，ω是波场的频率，c为光速，n(r)为海水与溢油介质中r处的折射率，κ₁(r)为r处的衰减指数；p₁和p₂为光线的起点和终点，o₁为偏振光线进入液体表面的入口点，o₂为海水与溢油分子后项散射后经过海面溢油的出口点，l₁用来表示p₁点到o₁点的距离，l₂用来表示o₂点到p₂点的距离；

步骤五，将不同观测角度下海水与溢油的等效偏振吸收率作为识别依据，实现海面溢油的检测。

进一步，步骤一中，采用632.8nm的偏振激光器作为采样时的入射光源，采用加有偏振片、波片的CCD探测器对海面溢油表面散射的光信号进行采集。

进一步，利用如下公式计算出穆勒矩阵，

S_out＝M·S_in，

其中，M为穆勒矩阵，S_in为入射偏振光斯托克斯矢量，S_out为采集到的出射偏振光斯托克斯矢量。

进一步，步骤三中，偏振特征信号包括入射光强辐照度、出射光强辐照度、振幅比、相位差和偏振度。

进一步，步骤四所述计算等效偏振吸收率A的公式中加入参数||A_e||，具体为，

其中，参数||A_e||为修正用误差值。

进一步，步骤五具体为：分别计算出对应角度下海水和溢油的等效偏振吸收率；根据等效偏振吸收率绘制出观测曲线用于观察不同海面溢油的变化趋势；在变化趋势中寻找特征信号，实现海面原油的识别。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明建立了水面、油膜的偏振光学检测技术分析方法，利用入射偏振光与散射偏振光偏振态的不同，确定了测量样品的对偏振态的改变能力。从光线路径出发，将偏振光在油膜分子与水分子团内的传播路径单独考虑，得到了水面、油膜对入射偏振光偏振态的改变能力，具有精度高、可靠性好的特点。同时结合海面溢油的偏振吸收特性，使用激光光源作为主动光源，利用CCD探测器作为光电检测装置，主动光条件下的海面溢油检测，使得测量效率高。

附图说明

图1为本发明基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法的主流程图。

图2为用于实现本发明方法的一种的海面溢油检测系统的结构示意图。

图3是测量样品原始图像与偏振穆勒矩阵图像对比图。

图4中，(a)是各测量角度下入射偏振光与散射偏振光的振幅比示意图；(b)是各测量角度下入射偏振光与散射偏振光的相位差示意图。

图5是各测量角度下水面、油膜表面的退偏振能力示意图。

图6是各测量角度下水面、油膜表面对偏振光的吸收能力示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

如图1所示，本发明基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法，包括如下步骤：

步骤10，样品信号采集：采集不同角度下海水与溢油样品的光信号，得到七组36张海面溢油原始图像；

所述10样品信号采集步骤中，采用激光光源作为采样时的入射光源，采用加有滤波片和波片的CCD探测器对目标表面散射的光信号进行采集。

图2为用于实现本发明方法的一种的海面溢油检测系统的结构示意图。应用多视场角度二向反射分布函数(BRDF)测量系统，可完整地表示待测量目标的光学特性，精确地描述目标的反射信号在2π空间内的分布情况和目标反射信号的空间结构信息，如天顶角、方位角和辐射亮度等。实验装置主要由光源、偏振片、λ/4波片和光度计组成。透镜将激光光束聚焦为平行光束入射，利用一孔径为1.88mm的圆形光阑调节入射平行光束直径，偏振光通过入射系统照射到被测量目标表面，根据光的散射原理，再由光度计接收散射偏振光强度信号，利用Matlab软件分析测量数据，得到各测量角度下海水与溢油样品的偏振特性参量和穆勒矩阵M，以达到海面溢油检测的目的。图3是用上述方法获得的原始图像与穆勒矩阵图像。

步骤20，数据处理：利用MATLAB软件编写程序，对原始图像进行数据处理，得到每一组样品的穆勒矩阵；

所述(20)数据处理的具体方法为：

S_out＝M·S_in，

其中，M为目标4×4的穆勒矩阵，S_in为已知的入射光4×1斯托克斯矢量，S_out为采集到的4×1斯托克斯矢量。利用采集到的36个数据求解16个未知参数，可以精确地计算出穆勒矩阵M。

步骤30，特征信号提取：分解目标的穆勒矩阵，从中提取相关信息，获得光强值、振幅比、相位差和偏振度等偏振特征信号值；

所述步骤30特征信号提取步骤具体为：

其中，A_in为入射光强辐照度，A_out为测量光强辐照度。

振幅比P方程为：

P＝r_v/r_h，

其中，r_v为垂直反射振幅系数，r_h为水平反射振幅系数。

折射率n和消光系数k分别为：

其中，θ_i为偏振片转动的角度，Δ为相位差。

根据菲涅尔公式计算各测量角度下海水与油膜表面的折射率，值如表1所示。表1.水、油膜表面各测量角度(θ_i)下的折射率(n)和折射角(θ_t)

图4中，(a)是各测量角度下入射偏振光与散射偏振光的振幅比；(b)是各测量角度下入射偏振光与散射偏振光的相位差。

随着测量角度的增加，振幅比和相位延迟在布鲁斯特角处发生变化，通过计算得到水与油膜的布鲁斯特角分别为：θ_B-water＝53.06°，θ_B-oil＝56.83°。研究发现，在小角度测量时，三种偏振光的振幅比较为相似，而水面和油膜表面散射偏振光的相位延迟相差π，在布鲁斯特角处两个偏振参量的数值发生突变，振幅比达到最大值，相位延迟降到0°。本发明发现偏振光照射在水面和油膜表面后，后项散射偏振光的偏振态都会发生改变，因此需要找到一种合理的方式对被测量目标的偏振特性进行讨论。

图5是各测量角度下水面、油膜表面的退偏振能力。

水分子与石油分子的直径都在几十个纳米，小于为入射光波长的1/10倍，很容易产生瑞利散射，但是由于入射光的波长为632.8nm，很难产生明显的瑞利散射，因此在测量条件下水与石油的完全退偏振系数都较低，几乎不退偏。但是从微观角度研究，发现油膜分子间作用力要大于水分子，使得油膜表面更近似于镜面反射，散射效果较差，因此在测量范围内水面的完全退偏振系数都大于油膜表面，这一结论与实验结果也非常吻合。

步骤40，等效吸收率：带入偏振光强信号，利用本发明推导的等效吸收率方程对特征信号进行优化，得到等效偏振吸收率；

为了更有效地对水面与油膜表面的偏振特性进行区分，本发明从穆勒矩阵中提取偏振信息来实现水面溢油的检测。根据比尔(Beer)定律，定义

其中，A_in为入射偏振光的光强值，k₀＝ω/c是自由空间波数(ω是波场的频率)，n(r)为介质中r处的折射率，κ(r)为r处的衰减指数；p₁，p₂为光线的起点和终点，o₁为偏振光线进入液体样品表面的入口点，o₂为液体样品分子后项散射后进过表面的出口点。本发明中，p₁点到o₁点的距离l₁和o₂点到p₂点的距离l₂都为固定值，且光线进过的介质为均匀介质，因此在整个实验过程中，与为特定值，不会随着测量角度与样品的变化而变化。定义等效偏振吸收率为：

则上式可以改写成：

步骤50，样品识别：通过计算，得到不同观测角度下海水与溢油的等效偏振吸收率，将其作为识别依据，实现海面溢油的检测；

图6是各测量角度下水面、油膜表面对偏振光的吸收能力示意图。

油膜与水溶液分子团的不同，使得光在分子间传播时，瑞利散射的方向和光强分布各不相同。如图6所示，随着测量角度的增大，液体样品对入射偏振光的吸收能力呈下降趋势，并且呈线性关系。在整个测量过程中，水溶液对偏振光的吸收能力要大于油膜，这是因为测量各处的油膜折射率都大于水溶液，且衰减指数也比水溶液的大。该结论与光度计测量的液体样品表面散射光强值信号相一致。

步骤60，完善测量系统：进行户外的校正实验，按照步骤10-50得到户外海面溢油的等效偏振吸收率值，将其与室内理想数据进行比较，完善实验模型，获得最佳的测量系统。

本发明建立了水面、油膜的偏振光学检测技术分析方法，利用入射偏振光与散射偏振光偏振态的不同，确定了测量样品的对偏振态的改变能力。从光线路径出发，将偏振光在油膜分子与水分子团内的传播路径单独考虑，得到了水面、油膜对入射偏振光偏振态的改变能力。结果表明应用样品分子团对光线的吸收能力可以有效快速地对水面油膜进行测量，结合穆勒矩阵偏振信号进行结果验证，使偏振测量技术的特征性更强，更适合于水面油膜的鉴别与评定。

本发明的理论依据可进一步进行如下说明：

偏振光入射样品表面后，在表面上层产生散射现象。根据折射定律，假设偏振光(A_//,A_⊥,Φ)照射到厚度为h的海面溢油(折射率为n₂)表面产生反射偏振光(R_//,R_⊥,Φ′)和折射偏振光(T_//,T_⊥,Φ)。根据光的弹性理论及麦克斯韦关系得：

将折射定律代入上面两式，得：

上式中θ_i和θ_t为实数，及θ_i+θ_t，θ_i-θ_t也为实数。因此，反射波和折射波各分量的位相与入射波相应分量的相位或是相等，或是相差π。因为T_//和T_⊥与A_//和A_⊥同号，所以透射波的相位总与入射波的相等。但是，反射波的相位与θ_i和θ_t的相对大小有关。在本实验中，第二媒质(油膜)比第一媒质(空气)光密(ε₂＞ε₁)，则θ_i＞θ_t，及R_⊥和A_⊥异号，因此两个位相差π；同理，R_//和A_//的位相也相差π。

假设进入油膜d(原油分子团直径)处的折射偏振光(T_//,T_⊥,Φ)经过路径h/cosθ_t传播后成为油膜下表面的入射偏振光(A′_//,A_⊥′,Φ)，根据折射定律得到反射偏振光(R′_//,R_⊥′,Φ″)和折射偏振光(T′_//,T_⊥′,Φ)。同理反射偏振光(R′_//,R_⊥′,Φ″)经过路径h/cosθ_t传播后成为油膜上表面的入射偏振光(A″_//,A_⊥″,Φ″)，折射后得到折射偏振光(T″_//,T_⊥″,Φ″)。通过研究发现，当油膜的厚度h超过原油分子团直径d的100倍时，折射偏振光(T″_//,T_⊥″,Φ″)的光强值非常微弱，只有反射偏振光(R_//,R_⊥,Φ′)光强的万分之一。因此，本实验中对油膜表面光强信息的采集只考虑一阶反射偏振光(R_//,R_⊥,Φ′)和二阶折射偏振光(T″_//,T_⊥″,Φ″)的光强值，对后面的多阶散射作用不做讨论。

根据光的弹性理论和传播定律可得：

根据倍角公式和折射定律，对公式进行优化处理可得：

根据实验测量，测得本次发明中空气的折射率n₁＝1.00，油膜的折射率n₂＝1.53，水的折射率n₃＝1.33。当偏振光以角θ_i(0°≤θ_i＜90°)入射油膜表面时，得到折射角θ_t的范围为0°至40.81°，及0≤tanθ_t＜0.8636。因此可得研究表明，在油膜厚度远大于原油分子团直径时二阶折射偏振光(T″_//,T_⊥″,Φ″)对采集信号的影响非常弱，信号主要以一阶反射偏振光(R_//,R_⊥,Φ′)为主，这为本发明光路理论模型的优化提供了强有力的依据。

本发明针对海面溢油现象，得到海水与油膜具有明显的偏振特性，结合菲涅尔公式和比尔定律，将偏振光线的传播路径进行分段积分，着重研究测量样品中光线传播的路径，利用穆勒矩阵中的偏振信息，验证海水与原油薄膜之间不用的偏振特性。研究表明样品中偏振光线的传播路径与样品分子团结构以及分子间相互作用力存在关联，在不同的测量角度下，对入射偏振光的吸收能力存在规律和差异，从而实现海面溢油的检测。

Claims (5)

1.一种基于偏振吸收特性的海面溢油检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，采集不同角度下海水与溢油的光信号，得到多组海面溢油图像；每一组具有相同数量的多幅原始图像；

步骤二，对原始图像进行数据处理，得到每一组海面溢油图像的穆勒矩阵；

步骤三，分解穆勒矩阵，从中提取出偏振特征信号值；

步骤四、根据偏振光强值，按照如下公式计算出等效偏振吸收率A，

其中，A_in为入射偏振光的光强值，A_out为测量的出射偏振光的光强值，k₀＝ω/c是自由空间波数，ω是波场的频率，c为光速，n₁(r)为海水与溢油介质中r处的折射率，κ₁(r)为r处的衰减指数；p₁和p₂为光线的起点和终点，o₁为偏振光线进入液体表面的入口点，o₂为海水与溢油分子后项散射后经过海面溢油的出口点，l₁用来表示p₁点到o₁点的距离，l₂用来表示o₂点到p₂点的距离；

步骤五，将不同观测角度下海水与溢油的等效偏振吸收率作为识别依据，实现海面溢油的检测。

2.根据权利要求1所述的海面溢油检测方法，其特征在于：步骤一中，采用632.8nm的偏振激光器作为采样时的入射光源，采用加有偏振片、波片的CCD探测器对海面溢油表面散射的光信号进行采集。

3.根据权利要求1所述的海面溢油检测方法，其特征在于，利用如下公式计算出穆勒矩阵，

S_out＝M·S_in，

其中，M为穆勒矩阵，S_in为入射偏振光斯托克斯矢量，S_out为采集到的出射偏振光斯托克斯矢量。

4.根据权利要求1所述的海面溢油检测方法，其特征在于，步骤三中，偏振特征信号包括入射光强辐照度、出射光强辐照度、振幅比、相位差和偏振度。

5.根据权利要求1所述的海面溢油检测方法，其特征在于，步骤五具体为：

分别计算出对应角度下海水和溢油的等效偏振吸收率；

根据等效偏振吸收率绘制出观测曲线用于观察不同海面溢油的变化趋势；

在变化趋势中寻找特征信号，实现海面原油的识别。