CN113607658B - 一种基于油膜灰度值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灰度值获取油膜衰减系数的方法，包括如下步骤：搭建海水溢油实验模型，计算每组数据的平均值得到海水与油膜的反射灰度值，根据Snell折射定律得到折射角和入射角的关系，再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；将两个不同油膜厚度下的灰度值做比，根据菲涅尔反射率公式推导三层介质双光束干涉模型，获得灰度值的比与衰减系数之间的关系式，从而获得油膜衰减系数；该方法结合溢油模拟实验数据来分析溢油油膜的衰减特性，为提高水面溢油目标的反演精度提供理论和技术基础，为溢油污染区域的有效探测与识别奠定技术和数据基础。

Description

一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法

技术领域

本发明涉及水面环境检测技术领域，尤其涉及一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法。

背景技术

近年来，随着海洋石油勘探开发和海洋石油运输活动日益频繁，溢油事故频发，海洋溢油污染已成为海洋环境的最主要威胁之一。基于双光束干涉模型分析油膜对入射光的辐射传输过程，将均匀分布的浮油膜视为一个平行平板，建立大气-油膜-水面三层介质物理模型，建立油膜反射特性与光束入射角、传感器观测角、光谱波长之间的函数关系，分析光谱反射率的探测影响因素，具有明确的理论意义和良好的模拟精度。基于该理论可以建立浮油厚度与光谱反射率之间的定量关系，可以更好地解释入射光在海面浮油上的光学特性。光学遥感技术是检测海洋表层石油的最常用技术之一。这是因为油具有与水不同的光学特性，有不同的光谱对比度。因此，对被油污染的海水的光学特性的研究将为溢油的探测提供理论依据，对做出应急决策和保护海洋生态环境具有重要意义。光学遥感技术是检测海洋表层石油的最常用技术之一，由于油具有与水不同的光学特性，有不同的光谱对比度。因此，对被油污染的海水的光学特性的研究将为溢油的探测提供理论依据，对做出应急决策和保护海洋生态环境具有重要意义。由于实验仪器响应的存在，导致油膜衰减系数的最终结果不准确

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；另外椭偏仪测量得到的数据需要手工处理，建立模型，很复杂，非专业人员无法处理，暂时没有现成手段可以直接得油膜的衰减系数；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

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法，具体包括如下步骤：

搭建海水溢油实验模型，设置不同的两个油膜厚度d₁和d₂，分别测量两个不同油膜厚度下的油膜表面灰度值；

采用光纤和准直镜头对同一测量目标进行重复测量剔除误差较大的数据，计算每组数据的平均值得到海水与油膜的反射灰度值；

将海水溢油实验模型推导至平静水面上，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，设两种介质的折射率分别为n_i、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，再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；

将两个不同油膜厚度下的灰度值做比，根据菲涅尔反射率公式推导三层介质双光束干涉模型，获得灰度值的比与衰减系数之间的关系式，从而获得油膜衰减系数。

进一步的，所述油膜衰减系数a采用如下方式获取：

油膜表面反射率与仪器响应存在如下关系：

其中R₁，R₂为两个厚度下的反射率，N₁，N₂为两个厚度下的测量灰度值；

根据菲涅尔反射双光束干涉原理，油膜表面反射率与油膜的厚度和衰减系数存在如下关系：

其中E₀为入射光电场强度，E₁、E₂为两道出射光的电场度，E为两束光干涉后的电场强度，Δ＝2n₂d，s＝2d，r和t为反射和透射系数，通过菲涅尔反射公式求得；

将上述两式结合并令将化简得/>因此获得油膜衰减系数a。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法，该方法具体是基于海水溢油实验，然后得到两个油膜厚度下对应的灰度曲线，利用于菲涅尔反射公式的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，为提高水面溢油目标的反演精度提供理论和技术基础，为溢油污染区域的有效探测与识别奠定技术和数据基础，维护海洋安全、提升监测能力等提供理论与技术依据。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明中模拟溢油海表面的光路图。

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所示的一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法，具体包括如下步骤：

S1:搭建实验大致如图2所示，设光辐射照度E_λ，油膜厚度为d₁时，光谱反射率为R₁，仪器响应ρ，仪器灰度值为N₁，则满足如下关系E_λR₁ρ＝N₁；同理，油膜厚度为d₂时，光谱反射率为R₂，仪器响应ρ，仪器灰度值为N₂同样有如下关系E_λR₂ρ＝N₂。上述中反射率是唯一与衰减系数有关的量。

S2:不同厚度油膜反射灰度值数据测量时间选择在密闭的暗室下进行，目的是避免其他杂散光对实验造成干扰，且测量人员着深色服装；光谱测量设备为EDMUND OPTICS光谱仪，光谱范围为350-2500nm,数据采集前，先调试镜头到合适的焦距，目的是为了镜头获得最大范围进光量。测量时探头距离参考板20-50cm且垂直向下，视场角3°-25°；光源是内置原装进口高压短弧氙灯，最大特点是光谱范围宽，可覆盖紫外、可见和近红外，因其色温接近太阳，可用于模拟太阳；由于光源出来的光束是发散的，所以搭配一根长度大约为两米的光纤和准直镜头。准直光斑直径约为10mm，发散角0.2°，焦距40mm。对同一测量目标重复测量10次，剔除误差较大的数据后，计算每组数据的平均值，得到海水与油膜的反射灰度值。

S3:模型推导平静水面上，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。

S4:已知两种介质的折射率分别为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：

S5:设入射光电场强度为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- as}E₀。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,为便于计算方便，取入射角为0°，则油膜反射率R可以计算得到,即，

其中Δ＝2n₂d，s＝2d。

以上模型描述了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，与灰度值得转换如下E_λRρ＝N，E_λ是入射光辐射照度，R是油膜光谱反射率，仪器响应ρ，仪器灰度值为N。

S6:对获得的灰度值左右作比，则可约去辐射照度与仪器响应参数，得到如下关系：将双光束干涉所得的油膜反射率R带入公式，令/>则根据此关系得到油膜的衰减系数a。

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 (1)

1.一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法，其特征在于包括：

搭建海水溢油实验模型，设置不同的两个油膜厚度d₁和d₂，分别测量两个不同油膜厚度下的油膜表面灰度值；

采用光纤和准直镜头对同一测量目标进行重复测量剔除误差较大的数据，计算每组数据的平均值得到海水与油膜的反射灰度值；

将海水溢油实验模型推导至平静水面上，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Snell折射定律得到折射角和入射角的关系再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；

将两个不同油膜厚度下的灰度值做比，根据菲涅尔反射率公式推导三层介质双光束干涉模型，获得灰度值的比与衰减系数之间的关系式，从而获得油膜衰减系数；

所述油膜衰减系数a采用如下方式获取：

油膜表面反射率与仪器响应存在如下关系：

其中R₁，R₂为两个厚度下的反射率，N₁，N₂为两个厚度下的测量灰度值；

根据菲涅尔反射双光束干涉原理，油膜表面反射率与油膜的厚度和衰减系数存在如下关系：

其中E₀为入射光电场强度，E₁、E₂为两道出射光的电场度，E为两束光干涉后的电场强度，Δ＝2n₂d，s＝2d，r和t为反射和透射系数，通过菲涅尔反射公式求得；

将上述两式结合并令将化简得/>因此获得油膜衰减系数a。