CN111735399B - 一种基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水质监测领域，涉及一种油膜厚度测量装置及方法。该装置包括：激发光源系统、光路探测系统和数据采集处理系统组成；所述的激发光源系统固定于海面上方，垂直照射海面，用于激发油膜发射荧光；所述管路探测系统固定于海面上方的旋转位移台上，用于探测所述油膜的荧光信号，并将荧光光斑数据传输至数据采集处理系统；所述数据采集处理系统用于接收荧光光斑数据，并进行处理计算，得到海面油膜厚度。本发明与现有技术相比，有益效果是：利用荧光成像的原理，通过测量油膜上下表面激光光斑在CCD探测器上的成像位置，利用三角函数和几何关系计算出上、下表面之间的距离即为油膜的厚度，计算公式简单、油膜厚度范围大，误差小，准确度高；装置原理、结构简单，成本低，使用操作简单，自动化程度高。

Description

一种基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置及方法
技术领域
本发明属于水质监测领域，涉及一种油膜厚度测量装置及方法。
背景技术
海上溢油污染已成为海洋主要污染源，溢油量是海上溢油事故评估的关键参数，而油膜厚度是估算溢油量的必需参数之一，油膜厚度的准确测量可为溢油治理提供合理有效的指导，也可为油层扩展动力学及海洋环境科学技术提供技术基础，对海洋环境监测和修复具有重要意义。
溢油量对于溢油事故处理的意义很大。获得溢油面积和溢油厚度即可估算出溢油量。因此获取到海面溢油油膜厚度信息，就能确定海上溢油油膜总量，从而为溢油治理提供相关数据，对海洋环境检测与修复具有重要意义。
目前常用的水面油膜厚度测量方法有电学法，声学法，微波法，光学法等等。油膜与水具有不同的电学特性，可以利用油和水电导率的不同测量油膜厚度，此原理设计的装置测量受环境影响较大；基于红外探测原理研制的油膜厚度传感器，在空中或者利用卫星观测油膜吸收太阳辐射放出热量后在红外成像中呈现的不同状态，测量油膜厚度，此方法不易标定，精度较低。实际应用中，红外传感器主要应用于确定溢油地点；激光诱导荧光法根据不同油种的荧光强度与光谱分布不同，可用于油种识别，但当油膜厚度大于10μm-20μm时，紫外光能量被油膜完全吸收，不能观测到拉曼散射散射光的光波长偏移。因此该方法对厚油膜不适用。
发明内容
为了解决现有技术中油膜厚度测量存在的问题，本发明提供一种基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量方法及装置，在不同距离获得水面油膜厚度，并且测量的厚度范围较广。
本发明解决其技术问题所采用的其中一个技术方案是：基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置，包括：激发光源系统、光路探测系统和数据采集处理系统组成；所述的激发光源系统固定于海面上方，垂直照射海面，用于激发油膜发射荧光；所述管路探测系统固定于海面上方的旋转位移台上，用于探测所述油膜的荧光信号，并将荧光光斑数据传输至数据采集处理系统；所述数据采集处理系统用于接收荧光光斑数据进行处理计算，得到海面油膜厚度。
作为本发明的一种优选方式，所述的激发光源系统包括激光器，及激光器控制开关。
作为本发明的一种优选方式，所述的光路探测系统由光学透镜、带通滤光片及CCD探测器组成；油膜的荧光信号依次经过光学透镜、带通滤光片，在CCD探测器上形成荧光成像。
进一步地，所述的光路探测系统还包括旋转位移台控制器，用于控制所述旋转位移台的旋转。
作为本发明的一种优选方式，所述的数据采集处理系统包括图像处理芯片、激光器控制模块和旋转位移台控制模块；激光器控制模块与激光器控制开关通过导线连接；旋转位移台控制模块与旋转位移台控制器连接。
进一步地，所述的图像处理芯片用于接收CCD采集的荧光成像数据，通过图像处理算法判断成像光斑位置，进而通过旋转位移台控制模块控制旋转位移台旋转；当成像光斑位于CCD中心时，按照油膜厚度计算公式对油膜荧光光斑数据进行处理，得到海面油膜厚度。
本发明还提供一种基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量方法，包括：
(1)、搭建基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置，启动激光器；
(2)、激光器输出的激光束垂直射向油膜，在油膜上、下表面分别形成光斑，通过光路探测系统，将光斑成像在CCD探测器上；
(3)、分别通过旋转平移台将上、下表面的光斑由初始成像位置移到CCD探测器的成像中心，并记录油膜上、下表面两个光斑像点在CCD探测器基准平面上的像位移h1、h2；
(4)、根据公式：d＝L1*[tan(θ+θ1)-tan(θ-θ2)]计算出油膜的厚度；其中：d表示油膜的厚度；L1为激光束到透镜中心的距离；L2是成像透镜与CCD的距离；θ为成像透镜与CCD探测器成像中心连接线的延长线与成像透镜中心到激光束垂直连线的夹角；θ1＝arc tan(h1/L2)、θ2＝arc tan(h2/L2)。
本发明与现有技术相比，有益效果是：利用荧光成像的原理，通过测量油膜上下表面激光光斑在CCD探测器上的成像位置，利用三角函数和几何关系计算出上、下表面之间的距离即为油膜的厚度，计算公式简单、油膜厚度范围大，误差小，准确度高；装置原理、结构简单，成本低，使用操作简单，自动化程度高。
附图说明
图1是本发明实施例中基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置的结构连接图；
图2是本发明实施例中基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量方法的原理示意图；
图3是数据采集处理系统工作流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明提供的第一个实施例是：基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置，该装置的结构如图1所示，主要包括：激光器1，激光器控制开关2、带通滤光片7，CCD探测器8，成像透镜9、旋转位移台和旋转位移台控制器10。
激光器1为266nm连续单频激光器，固定于海面上方，垂直照射海面，激发油膜发射荧光。激光器控制开关2与激光器1连接，控制机关器的开启和关闭系。
由成像透镜9、带通滤光片7及CCD探测器8组成的光路探测系统，固定于海面上方的旋转位移台。油膜发射的荧光经成像透镜9、窄带滤光片7后，在CCD探测器对油膜的荧光成像，并将荧光光斑数据传入数据采集系统。旋转位移台与旋转位移台控制器10连接，能在其控制下做旋转运动。
数据采集处理系统用于接收CCD探测器8上传的数据，对油膜荧光光斑数据进行处理，得到海面油膜厚度，主要由数据采集处理控制器5。其中，数据采集处理控制器5包括图像处理芯片4、激光器控制模块3和旋转位移台控制模块6。
图像处理芯片4主要有两个功能：一是用于接收CCD探测器8采集的荧光光斑成像数据，通过图像处理算法判断成像光斑位置，通过旋转位移台控制模块6对旋转位移台角度做出调整，使光斑移到CCD探测器的中心；二是当成像光斑位于CCD探测器中心时，按照油膜厚度计算公式，计算得到海面油膜厚度。
激光器控制模块3与激光器控制开关2通过导线连接，用于在开始测量时启动激光器1，在测量完成后关闭激光器1。
旋转位移台控制模块6与旋转位移台控制器10连接。旋转位移台控制模块6用于接收图像处理芯片4传输的角度调整数字信号，对角度调整信号进行数模转换后，控制旋转位移台控制器10对旋转平移台做出角度调整。
本发明提供的第二个实施例是：基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)、按照图1所示，搭建基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置，数据采集处理系统控制启动激光器；
(2)、激光器开启，输出的激光束垂直射向海面上的油膜，在油膜上、下表面分别形成荧光光斑，通过光路探测系统，将荧光光斑成像在CCD探测器上；
(3)、数据采集处理系统控制旋转平移台将上、下表面的光斑由初始成像位置移到CCD探测器的成像中心，并记录油膜上、下表面两个光斑像点的像位移h1、h2；数据采集处理系统采集光斑数据的具体流程如图3所示；
(4)图像处理芯片4利用采集到的上述数据，根据公式：d＝L1*[tan(θ+θ1)-tan(θ-θ2)]计算出油膜的厚度
如图2所示，L1是激光器与成像透镜中心的距离，L2是成像透镜与CCD的距离，B为激光器发出的激光束在油膜上表面的入射点，C为激光束在油膜下表面的入射点，M为成像透镜与CCD成像光斑中心连接线的延长线与激光器的交点。
根据激光束在油膜上、下表面在CCD上的光斑像点，确定上、下表面两个光斑像点相对基准平面光斑像点的像位移h1、h2，即相应光斑在CCD探测器上的初始成像位置移动到CCD成像中心的位移。
θ是成像透镜与CCD探测器中心连接线的延长线与透镜中心到激光束垂直连线的夹角，为定值。
根据公式θ1＝arc tan(h1/L2)、θ2＝arc tan(h2/L2)，即可求得θ1、θ2；再根据公式AM＝L1*tan(θ)、AB＝L1*tan(θ-θ2)，得到BM＝AM–AB、AC＝L1*tan(θ+θ1)、MC＝AC–AM，最终得到油膜厚度d＝BM+MC＝AC–AB，即d＝L1*[tan(θ+θ1)-tan(θ-θ2)]。
采用本发明提供的基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置及方法，进行实验验证，具体为：
将本发明的装置安装在水池上方，(水池内水平面面积已知或者可以测量计算准确值)，加入一定量的水。量取一定体积的石油，倒入水池中，尽可能使石油分散均匀，平铺于整个水平面上。
采用本发明的装置及方法，测量7组石油油膜厚度，每组重复多次测量，取平均值作为石油油膜厚度测量值。其中，油膜厚度的真值，通过石油的体积和水平面的面积计算得到。实验结果如表1所示。
表1本发明的装置及方法测量油膜厚度的验证实验结果
Figure BDA0002508343740000051
结果表明，通过本发明的装置及方法测定石油膜厚度结果相对误差在10％以内，准确度较高。
本发明的装置结构简单，易于操作，测量方法简单，测量结果准确度高，油膜厚度范围不限，应用范围广。

Claims (1)

1.一种基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量方法，其特征在于，包括：
（1）、搭建基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置，启动激光器；
（2）、激光器输出的激光束垂直射向油膜，在油膜上、下表面分别形成光斑，通过光路探测系统，将光斑成像在CCD探测器上；
（3）、分别通过旋转平移台将上、下表面的光斑由初始成像位置移到CCD探测器的成像中心，并记录油膜上、下表面两个光斑像点在CCD探测器基准平面上的像位移h1、h2；
（4）、根据公式：d=L1*[tan (θ + θ1) - tan (θ - θ2)]计算出油膜的厚度；其中：d 表示油膜的厚度；L1为激光束到透镜中心的距离；L2是成像透镜与CCD的距离；θ为成像透镜与CCD探测器成像中心连接线的延长线与成像透镜中心到激光束垂直连线的夹角；θ1=arctan(h1/L2)、θ2=arc tan(h2/L2)；
其中，基于激光诱导荧光成像的油膜厚度测量装置包括：激发光源系统、光路探测系统和数据采集处理系统组成；所述的激发光源系统固定于海面上方，垂直照射海面，用于激发油膜发射荧光；所述光路探测系统固定于海面上方的旋转位移台上，用于探测所述油膜的荧光信号，并将荧光光斑数据传输至数据采集处理系统；所述数据采集处理系统用于接收荧光光斑数据，并进行处理计算，得到海面油膜厚度；
所述的激发光源系统包括激光器，及所述激光器控制开关；
所述的光路探测系统由光学透镜、带通滤光片及CCD探测器组成；油膜的光斑信号依次经过光学透镜、带通滤光片，在CCD探测器上形成荧光光斑成像；
光路探测系统还包括旋转位移台控制器，用于控制所述旋转位移台的旋转。
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