CN113433077A - 一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法，包括：获取实测海水以及等差厚度下不同油种的光谱反射率数据，利用电磁场的连续条件推导出反射波、折射波与入射波的振幅和相位关系；根据麦克斯韦方程组计算推导平行和垂直偏振光的菲涅尔反射公式，从而获得最终的菲涅尔反射率；当光束从空气进入油膜层时存在透射现象，则获取菲涅尔透射率；分析油膜反射率与油膜厚度、入射光折射角、各界面反射率和透过率之间的理论关系；设定同一油膜且厚度分别为d₁，d₂，d₃，则获取其对应的反射率分别为R₁，R₂，R₃的关系，使用换元法简化并获得油膜衰减系数。

Description

一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法

技术领域

本发明属于水面溢油检测技术领域，涉及一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法。

背景技术

水面溢油是造成海洋环境污染的一个重要来源，海洋溢油事故会造成严重的水域污染和经济损失，溢油事故发生后，溢油量估算是后期事故评估、处理的重要指标，通过光谱的反射分析可以判断海面上是否有漂浮油膜，以及厚度，可以用于海上油污染的实时测量。而且水面上漂浮的油膜由于不同的产地，其折射率、吸收系数、荧光光谱等会有明显的不同，且原油的折射率以及对光的吸收皆大于海水；在紫外光的激发下，不同类别的油膜所发出的荧光光谱互不相同，油膜有无、薄厚以及油种类不同，都会给光线在不同波长的反射率造成差异，通过比对，分析即可更进一步获得所需信息。此外，高光谱遥感数据在进行溢油油膜以及水体探测时，光束在油膜以及海水中会出现由散射和吸收造成的能量损失即光的衰减，即有一部分光子的能量转换为其他形式的能量，如热动能等。光学遥感探测器如地物光谱仪等为海洋溢油检测等提供了便利，且应用较为普遍。

对于传统介质的衰减系数主要是用椭偏仪测得的，如果样品是有机物薄膜，椭偏仪很难测出结果，而石油等产品中主要成分是烷烃、环烷烃、芳香烃等有机物的混合物；另外椭偏仪测量得到的数据需要手工处理，很复杂，非专业人员无法处理，暂时没有软件可以直接得薄膜的厚度、折射率、吸收系数值；测量衰减系数时不能同时测量透射光与反射光，所以得到的吸收系数存在一定误差。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法，具体是基于水面溢油实验，然后获取不同油膜厚度下的对应的不同光谱反射率曲线，利用上述物理模型并结合溢油模拟实验数据来分析溢油油膜的衰减特性，具体包括以下步骤：

获取实测海水以及等差厚度下不同油种的光谱反射率数据，采用ASD地物光谱仪自动进行暗电流校正，在测量海水和油膜前分别测量参考白板的反射率光谱数据；

利用电磁场的连续条件推导出反射波、折射波与入射波的振幅和相位关系；

设在平静水面上发生溢油情况下，从上到下依次有空气、油膜和海水三层介质，设空气折射率是n₁；油膜折射率是n₂，油膜厚度为d；海水折射率是n₃；

根据麦克斯韦方程组计算推导平行和垂直偏振光的菲涅尔反射公式，从而获得最终的菲涅尔反射率；

当光束从空气进入油膜层时存在透射现象，则获取菲涅尔透射率；

分析油膜反射率与油膜厚度、入射光折射角、各界面反射率和透过率之间的理论关系；

设定同一油膜且厚度分别为d₁，d₂，d₃，则获取其对应的反射率分别为R₁，R₂，R₃的关系，使用换元法简化并获得油膜衰减系数。

设两种介质的折射率分别为n_i和n_t，根据Snell折射定律得到折射角和入射角的关系：n_isinθ_i＝n_tsinθ_t，根据麦克斯韦方程组计算推导，平行和垂直偏振光的菲涅尔反射公式:

则最终的菲涅尔反射率为：

包含空气层、油膜层和海水层，所以当光束从空气进入油膜层时存在透射现象，则菲涅尔透射率为

则菲涅尔透射率为：

设定同一油膜且厚度分别为d₁，d₂，d₃(d₁<d₂<d₃)，则其对应的反射率分别为R₁，R₂，R₃则有以下关系:

由于相同油种在不同的厚度下r₁₂、t₁₂、r₂₃、t₂₁是相等的，取

最后化解得到

该式中仅有衰减系数a一个未知数，存在理论解，但求解繁琐。若实验时三次测量的油膜厚度差相等(s₁-s₂＝s₂-s₃)，则可使用换元法简化并获得算数解，具体方法如下：

令L₁＝cos(kΔ₁)、L₂＝cos(kΔ₂)、L₃＝cos(kΔ₃)，均为已知，且等式左边上下同除以

化解得：

令s₁-s₂＝D,s₁-s₃＝2D,

得

综上可知油膜衰减系数

本发明公开的一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法，从结果来看只需获得三种不同厚度下油膜的反射率即可求解油膜衰减系数，若厚度为等差则可相对简单的获得衰减系数的算术解。结果表明基于双光束干涉物理模型的油膜衰减特性研究不仅具有明确的理论意义，也具有良好的模拟精度，而且效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明流程图

图2为本发明模拟溢油海表面光路图

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1和图2所示，测海水以及不同厚度不同油种下的光谱反射率数据，实验开始前ASD地物光谱仪自动进行暗电流校正，在测量海水和油膜前分别测量参考白板的反射率光谱数据。

反射系数的平方即为反射率，可以由麦克斯韦方程组直接推导，利用电磁场的连续条件可以导出表示反射波、折射波与入射波的振幅和相位关系，具体推导形式比较复杂。它描述一个完全平坦的，由两个不同折射率介质组成的表面对光的反射率，在不同折射率的介质相交表面，光会部分反射且部分折射，反射的比例就是菲涅尔反射率。菲涅尔反射率R满足：

0≤R≤1

平静水面上，在发生溢油情况下，从上到下依次有空气、油膜和海水三层介质，由于不同介质所对应的不同折射率，所以会导致入射光在油膜层内折射并反射。假设空气折射率是n₁；油膜折射率是n₂，油膜厚度为d；海水折射率是n₃。

质的折射率分别为n_i、n_t首先根据Snell折射定律得到折射角和入射角的关系:n_isinθ_i＝n_tsinθ_t，然后根据麦克斯韦方程组计算推导，平行和垂直偏振光的菲涅尔反射公式:

则最终的菲涅尔反射率为：

包含空气层、油膜层和海水层，所以当光束从空气进入油膜层时存在透射现象。则菲涅尔透射率为

则菲涅尔透射率为：

油膜反射率与油膜厚度、入射光折射角、各界面反射率和透过率之间的理论关系如下：

电场强度为E₀，波数为k＝2π/λ，当入射光射入油膜层时，油膜上表面透射系数为t₁₂，反射系数为r₁₂，如图2所示，则入射光在油膜上表面的第一次反射的电场强度E₁＝r₁₂E₀；第一次透射入油膜的光电矢量强度为t₁₂E₀；油膜层内的透射光射入油膜与海水界面时，即射入油膜层下表面后光的电场强度为t₁₂r₂₃E₀，油膜层内透射光经过油膜下表面反射后，从油膜层的上表面透射入空气油膜层中透射光经油膜下表面的反射,又经过油膜上表面透射至空气层,其电场强度为E₂。考虑到E₁和E₂在传播路径上有长度为Δ的差别,两束光之间则存在相位延迟kΔ,若光束在油膜层传播过程中的消光系数为a,从油膜下表面反射回空气的光束在油膜中传播路径长度为s,则透射光电场强度为E₂＝t₁₂r₂₃t₂₁e^ikΔ-asE₀。平行平板干涉也就是反射光E₁与油膜出射光E₂,两者的电矢量叠加后产生双光束干涉。对于探测器,E₁与E₂叠加产生干涉,进入遥感器系统的电场E＝E₁+E₂,则油膜反射率R可以计算得到,即、

其中Δ＝2n₂dcosθ₂，s＝2d/cosθ₂。

设定同一油膜且厚度分别为d₁，d₂，d₃(d₁<d₂<d₃)，则其对应的反射率分别为R₁，R₂，R₃则有以下关系:

这里d₁，d₂，d₃是油膜厚度，k为波数，由于r₁₂、t₁₂、r₂₃、t₂₁只与折射率和入射角有关，所以相同油种在不同的厚度下r₁₂、t₁₂、r₂₃、t₂₁是相等的。本文中光束垂直照射到液面上时有s＝d。上述式中等号左右开方，用(1)-(2)得到

(2)-(3)得到

取

最后化解得到

该式中仅有衰减系数a一个未知数，存在理论解，但求解繁琐。若实验时三次测量的油膜厚度差相等(s₁-s₂＝s₂-s₃)，则可使用换元法简化并获得算数解，具体方法如下：

令L₁＝cos(kΔ₁)、L₂＝cos(kΔ₂)、L₃＝cos(kΔ₃)，均为已知，且等式左边上下同除以

化解得：

令s₁-s₂＝D,s₁-s₃＝2D,

得

综上可知油膜衰减系数

实施例：

S1:本次模拟溢油实验选择在是暗室内进行，目的是消除其他杂散光对实验数据准确性的影响，具体过程如图2所示，单向准直光源照向液面经过反射进入光谱仪镜头。入射光电场强度为E₀，光强为I₀，反射光电场强度分别为E₁、E₂，光强分别为I₁、I₂。

S2:选一个直径为1米的水槽，其内部模拟水面溢油环境，水面浮油膜视为一层平行的平板，探讨入射光在油膜以及海水中的传输过程，构建油膜反射光的双光束干涉模型，研究油膜的衰减系数特性；结合油膜光谱响应实验获取的不同油膜厚度与反射率光谱数据，开展模型以及实验的数据分析与验证。

S3:取四个水槽装入适量海水，分别编号a、b、c、d，其中a、b、c水槽分别先滴入厚度为10μm的重油、柴油、润滑油，d水槽不滴油仅作为对比。然后将光谱仪分别对准每个水槽采集光谱数据。

S4:(a)(b)(c)分别获取厚度为10μm、30μm、50μm的原油、柴油、润滑油油膜的光谱数据，(d)水槽获取的海水的光谱反射率数据。对于同一油种，将不同油膜厚度下对应的不同反射率数据带入上述模型，通过对模型建立方程组，即可解出不同波长下对应的油膜衰减系数。基于此模型即可获得不同厚度下油膜光谱反射率的仿真结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于油膜相对厚度获取油膜衰减系数的方法，其特征在于：

获取实测海水以及等差厚度下不同油种的光谱反射率数据，采用ASD地物光谱仪自动进行暗电流校正，在测量海水和油膜前分别测量参考白板的反射率光谱数据；

利用电磁场的连续条件推导出反射波、折射波与入射波的振幅和相位关系；

设在平静水面上发生溢油情况下，从上到下依次有空气、油膜和海水三层介质，设空气折射率是n₁；油膜折射率是n₂，油膜厚度为d；海水折射率是n₃；

根据麦克斯韦方程组计算推导平行和垂直偏振光的菲涅尔反射公式，从而获得最终的菲涅尔反射率；

当光束从空气进入油膜层时存在透射现象，则获取菲涅尔透射率；

分析油膜反射率与油膜厚度、入射光折射角、各界面反射率和透过率之间的理论关系；

设定同一油膜且厚度分别为d₁，d₂，d₃，则获取其对应的反射率分别为R₁，R₂，R₃的关系，使用换元法简化并获得油膜衰减系数。

2.根据权利要求1所示的方法，其特征在于：设两种介质的折射率分别为n_i和n_t，根据Snell折射定律得到折射角和入射角的关系：n_i sinθ_i＝n_t sinθ_t，根据麦克斯韦方程组计算推导，平行和垂直偏振光的菲涅尔反射公式:

则最终的菲涅尔反射率为：

包含空气层、油膜层和海水层，所以当光束从空气进入油膜层时存在透射现象，则菲涅尔透射率为

则菲涅尔透射率为：

3.根据权利要求1所示的方法，其特征在于：设定同一油膜且厚度分别为d₁，d₂，d₃(d₁<d₂<d₃)，则其对应的反射率分别为R₁，R₂，R₃则有以下关系:

由于相同油种在不同的厚度下r₁₂、t₁₂、r₂₃、t₂₁是相等的，取

最后化解得到

该式中仅有衰减系数a一个未知数，存在理论解，但求解繁琐，若实验时三次测量的油膜厚度差相等(s₁-s₂＝s₂-s₃)，则可使用换元法简化并获得算数解，具体方法如下：

令L₁＝cos(kΔ₁)、L₂＝cos(kΔ₂)、L₃＝cos(kΔ₃)，均为已知，且等式左边上下同除以

化解得：

令s₁-s₂＝D,s₁-s₃＝2D,

得

综上可知油膜衰减系数

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