CN110160452B - 基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法 - Google Patents

基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法，其包括以下步骤：预先测量总衰减系数A；预先测量饱和荧光常数C，其值等于探测系统距离水表面相同距离的有油膜覆盖处的油饱和荧光信号强度与无油膜处的扣除荧光背景后的水拉曼信号强度之比；在待测水域，现场测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处忽略荧光背景后的水拉曼信号强度IR及有油膜覆盖处波长为λf处的荧光信号强度If(d)；根据公式：
Figure DDA0002100080140000011
计算待测水域中油膜的厚度，其中d为油膜厚度，A为总衰减系数，C为饱和荧光常数，
Figure DDA0002100080140000012
上述测量方法可在不同距离获得水面油膜厚度，并且测量油膜厚度的范围较宽，对于非接触水面油膜厚度测量技术实用化具有重要意义。

Description

基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法
技术领域
本发明涉及水面油膜厚度的测量领域，尤其涉及一种基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法。
背景技术
随着近年来海洋资源开发速度的不断提高，大量石油的开采、运输及使用使得海洋石油污染日益严重，其中海上溢油是最严重的污染原因之一。海上溢油事故发生后，及时获取溢油种类及溢油厚度的精确信息，对于制定快速有效的控制措施具有十分重要的指导意义。
激光光谱技术作为一种主动光学探测技术，通过激光入射到有油膜覆盖的水表面时，在激发油类物质辐射荧光的同时，水体会产生拉曼散射光，分析荧光光谱及拉曼散射光谱信息能够实现油膜厚度的定量测量。利用激光光谱技术对油膜厚度进行测量的方法具有非接触、速度快、精度高及目标识别的特性，使得该技术成为目前重要且最有效的水面溢油监测方法之一。
目前常用的水面油膜厚度测量方法有荧光法、拉曼衰减法和荧光拉曼比法。其中荧光法是直接探测油膜的荧光强度，通过荧光强度计算油膜厚度，由于不同距离不同角度探测的荧光强度不同，因此此方法仅适用于固定距离的水面油膜厚度测量；拉曼衰减法是探测水的拉曼散射波长处的光强度，水面无油膜覆盖时，水受激拉曼散射最强，随着油膜厚度增加，水拉曼散射强度减弱，通过水拉曼散射减小程度计算油膜厚度，此种方法在油膜较厚时无水拉曼散射信号，因此这种方法适于测量较薄油膜厚度，油膜测量范围有限。而传统的荧光拉曼比值法也需要测量油膜覆盖后的水拉曼信号，因此也无法对较厚油膜进行测量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法，其可在不同距离获得水面油膜厚度，并且测量油膜厚度的范围较宽。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、预先测量总衰减系数A，A＝ke+kf，其中ke、kf分别为发射激光波长处的油消光系数和第f个波长通道处的油消光系数；
步骤2、预先测量饱和荧光常数C，
Figure BDA0002100080120000021
其中P0表示发射激光强度，ηf表示油膜在第f个波长通道的荧光转换系数；ψr表示在水拉曼波长λr处水拉曼散射转换系数；饱和荧光常数C的值等于探测系统距离水表面相同距离的有油膜覆盖处的油饱和荧光信号强度与无油膜处的扣除荧光背景后的水拉曼信号强度之比；
步骤3、在待测水域，现场测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处忽略荧光背景后的水拉曼信号强度IR及有油膜覆盖处波长为λf处的荧光信号强度If(d)；
步骤4、根据测量油膜厚度的计算公式：
Figure BDA0002100080120000022
计算待测水域中油膜的厚度，其中式中，d为油膜厚度，A为总衰减系数，C为饱和荧光常数，
Figure BDA0002100080120000023
优选的是，所述波长λf的选择方法为：在非水拉曼波长λr处，油荧光信号所对应的任一波长位置。
本发明的该方案的有益效果在于上述基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法可在不同距离获得水面油膜厚度，并且测量油膜厚度的范围较宽，对于非接触水面油膜厚度测量技术实用化具有重要意义。
附图说明
图1示出了水面上有油膜和无油膜时的激光拉曼及激光荧光光谱模型及其参数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
当激光光谱油膜厚度探测系统(或者是现有技术中其他的探测设备)发射激光照射到水面油膜表面时，在激发油类物质辐射荧光的同时，水体会产生拉曼散射光，也就是说会激发出油膜荧光信号(简称油荧光)及水体拉曼散射信号(简称水拉曼)。图1为水面上有油膜和无油膜时的激光拉曼及激光荧光光谱模型及其参数，其中虚线表示有油膜时的光谱曲线，实线表示无油膜时的光谱曲线。
图1中各参数的含义如下：P0：发射激光强度；λr：水拉曼波长；λf：油荧光波长；Ii(d)为水面油膜在波长为λi时，探测仪器接收到的荧光强度；Ir(d)，Ir(0)分别为有无油膜覆盖的水拉曼波长处探测仪器接收到的光强；IR’，IR分别为有无水面覆盖油膜时水拉曼减去荧光背景后的强度；If(d)，If(0)分别是有无油膜覆盖时的荧光强度；ζi：无水拉曼信号时，波长λi处荧光转换系数；Φr为有油膜时，水拉曼波长处的荧光背景强度。
依据图1，当激光照射到水面油膜表面时，探测系统接收到激发出的油膜荧光信号及水体拉曼散射信号在波长i处的荧光强度可以用以下公式表达：
Figure BDA0002100080120000031
其中，ηiP0{1-exp[-(ke+ki)d]}表示的是水面油膜厚度为d时，油的荧光强度；ζiP0exp[-(ke+ki)d]表示的是水面油膜厚度为d时，透过油膜的水体荧光强度；δirψiP0exp[-(ke+ki)d]表示的是水面油膜厚度为d时，透过油膜的水拉曼强度。
公式(1)中相关参数含义如下，ηi：该油膜在第i个波长通道的荧光转换系数；ke、ki：分别为发射激光波长处的油消光系数和第i个波长通道处的油消光系数；d：油膜厚度；ψi：水拉曼散射转换系数；δ：δ函数，当在水拉曼波长λr处时，其为1，当偏离该波长时，其为0。
当激光照射没有油膜存在的水表面时，油膜厚度d＝0，则由公式(1)探测系统接收的水拉曼波长处信号强度可表示为：
Ir＝ζrP0+ψrP0 (2)
其中公式(2)中，扣除荧光背景后的水拉曼强度为：
IR＝ψrP0
当水表面存在厚度为d的油膜时，探测系统接收的波长为λf位置处荧光信号强度If(d)可表示为：
If(d)＝ηfP0{1-exp[-(ke+kf)d]}+ζfP0exp[-(ke+kf)d] (3)
荧光信号强度If(d)与扣除荧光背景后的水拉曼信号强度IR的比值用K(d)表示：
Figure BDA0002100080120000041
在背景荧光较弱时，可以忽略水体荧光信号，因此公式(4)可整理得到：
Figure BDA0002100080120000042
公式(5)可简写为：
K(d)＝C[1-exp(-Ad)] (6)
其中，A＝ke+kf，A为总衰减系数；C为饱和荧光常数，其值等于探测系统距离水表面相同距离的有油膜覆盖处的油饱和荧光信号强度与无油膜处的扣除荧光背景后的水拉曼信号强度之比。
Figure BDA0002100080120000051
上式中转换系数ηf和ψr为常数。因此从公式(6)得出K(d)是一个与厚度d有关的e指数函数，则荧光拉曼比值法测量油膜厚度的表达式可表示为：
Figure BDA0002100080120000052
由上式可知，该方法需要测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处忽略荧光背景后的水拉曼信号强度IR及有油膜覆盖处波长为λf处的荧光信号强度If(d)，这样可通过公式(7)计算得出该油膜厚度。其中，λf的选择方法为：在非水拉曼波长λr处，油荧光信号所对应的任一波长位置。
本发明所涉及的基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法包括以下步骤：
步骤1、预先测量总衰减系数A，A＝ke+kf，其中ke、kf分别为发射激光波长处的油消光系数和第f个波长通道处的油消光系数。具体的总衰减系数A可采用分光光度法或者光衰减法进行测量。
步骤2、预先测量饱和荧光常数C，
Figure BDA0002100080120000053
其中P0表示发射激光强度，ηf表示油膜在第f个波长通道的荧光转换系数；ψr表示在水拉曼波长λr处水拉曼散射转换系数；饱和荧光常数C的值等于探测系统距离水表面相同距离的有油膜覆盖处的油饱和荧光信号强度与无油膜处的扣除荧光背景后的水拉曼信号强度之比；
步骤3、在待测水域，现场测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处忽略荧光背景后的水拉曼信号强度IR及有油膜覆盖处波长为λf处的荧光信号强度If(d)。其中，λf的选择方法为：在非水拉曼波长λr处，油荧光信号所对应的任一波长位置。
步骤4、根据测量油膜厚度的计算公式：
Figure BDA0002100080120000061
计算待测水域中油膜的厚度，其中式中，d为油膜厚度，A为总衰减系数，C为饱和荧光常数，
Figure BDA0002100080120000062
本发明所涉及的基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法可在不同距离获得水面油膜厚度，并且测量油膜厚度的范围较宽，对于非接触水面油膜厚度测量技术实用化具有重要意义。

Claims (2)

1.一种基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、预先测量总衰减系数A，A＝ke+kf，其中ke、kf分别为发射激光波长处的油消光系数和第f个波长通道处的油消光系数；
步骤2、预先测量饱和荧光常数C，
Figure FDA0002578884910000011
其中P0表示发射激光强度，ηf表示油膜在第f个波长通道的荧光转换系数；ψr表示在水拉曼波长λr处水拉曼散射转换系数；饱和荧光常数C的值等于探测系统距离水表面相同距离的有油膜覆盖处的油饱和荧光信号强度与无油膜处的扣除荧光背景后的水拉曼信号强度之比；
步骤3、在待测水域，现场测量水表面距离探测系统相同距离的无油膜处忽略荧光背景后的水拉曼信号强度IR及有油膜覆盖处波长为λf处的荧光信号强度If(d)；
步骤4、根据测量油膜厚度的计算公式：
Figure FDA0002578884910000012
计算待测水域中油膜的厚度，其中式中，d为油膜厚度，A为总衰减系数，C为饱和荧光常数，
Figure FDA0002578884910000013
2.根据权利要求1所述的基于激光拉曼及激光荧光的水面油膜厚度的测量方法，其特征在于：所述波长λf的选择方法为：在非水拉曼波长λr处，油荧光信号所对应的任一波长位置。
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