摘 要:文章介紹了目前水面溢油探測(cè)的五種方法及其不同的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。主要從激發(fā)光源和探測(cè)望遠(yuǎn)鏡的遮光結(jié)構(gòu)方面討論了溢油探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用365nm的紫外光源激發(fā)熒光,在暗室及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別探測(cè)了汽油、食用油、機(jī)油三種油類(lèi)的熒光強(qiáng)度,歸一化處理得到了熒光與探測(cè)電壓值的關(guān)系,區(qū)分了油膜種類(lèi)。分別探測(cè)了不同厚度的三種油膜熒光電壓變化值,實(shí)驗(yàn)表明隨著油膜厚度的不斷增加,熒光光強(qiáng)呈線性變化,并給出了熒光強(qiáng)度變化的解釋。
關(guān)鍵詞:溢油探測(cè);紫外熒光;溢油厚度;背景光屏蔽
引言
我國(guó)是一個(gè)河流眾多的國(guó)家,如果把我國(guó)的天然河流連接起來(lái),總長(zhǎng)度可達(dá)43萬(wàn)公里。然而在這樣豐富的水資源背景下,不容忽視的是由于各種原因所帶來(lái)的河流污染,惡意的偷排漏排,油品存儲(chǔ)與運(yùn)輸中的泄漏,都危害著水資源的安全,特別是飲用水源的安全。油污染事故危害時(shí)間長(zhǎng),影響范圍廣,給沿岸生產(chǎn)、生活帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也給河流及海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞,生態(tài)恢復(fù)困難。及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢油的存在并預(yù)警對(duì)水資源的保護(hù)具有重要的意義。
1 水面溢油探測(cè)方法
從探測(cè)方法的角度討論,目前可用于溢油探測(cè)的方法有5類(lèi),分別為:(1)被動(dòng)紅外遙感;(2)被動(dòng)紫外遙感;(3)微波輻射遙感;(4)機(jī)載雷達(dá)遙感;(5)紫外熒光遙感[1]。
被動(dòng)探測(cè)方法的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,但是虛警率較高,并且易受氣候影響,提供的油膜信息較少,目前主動(dòng)遙感分為兩大類(lèi),雷達(dá)遙感與紫外熒光遙感,前者主要用于大面積海域的溢油檢測(cè),載具通常為飛機(jī),造價(jià)昂貴但覆蓋面積廣,分辨能力強(qiáng)。紫外熒光遙感主要特點(diǎn)是體積小,成本低,適用于定點(diǎn)監(jiān)測(cè),測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)厚度的油膜(0.3μm),并且可以探測(cè)海岸線以及冰面上的油膜。
2 激發(fā)光源的選擇
從激發(fā)光源的角度討論,目前常用的激發(fā)光源有以下三種。
目前實(shí)驗(yàn)室中常用的激發(fā)光源為激光光源,因?yàn)楣庠礋o(wú)需濾波,準(zhǔn)直擴(kuò)束后即可發(fā)射到溢油表面,激發(fā)熒光的量子效率較高,相應(yīng)的獲得的熒光光譜也相對(duì)準(zhǔn)確,如果利用光譜特性來(lái)分析區(qū)別油膜的種類(lèi),該光源更適用于這樣的定性實(shí)驗(yàn)。
氙氣燈是目前較為成熟的工作光源(例如InterOcean 公司研發(fā)的SS300 溢油探測(cè)系統(tǒng)),工作時(shí)需要保持35v的穩(wěn)定工作電壓,而觸發(fā)電壓則需要瞬間到達(dá)35kv。由于這種光源光強(qiáng)度高,相應(yīng)的激發(fā)熒光的強(qiáng)度也較高,在利用200nm-300nm的紫外光源照射柴油及潤(rùn)滑油時(shí),可得到熒光發(fā)射光譜,熒光波段主要集中在400nm-600nm[4]。
由于氙氣燈的發(fā)光光譜全覆蓋可見(jiàn)光波段且在熒光波段也有很強(qiáng)的發(fā)射光譜,故其在溢油表面的反射光也形成了一種背景光干擾,使用該光源時(shí)對(duì)背景光的屏蔽要求很高。
LED是一種新型光源,其特點(diǎn)是光強(qiáng)穩(wěn)定性高,啟動(dòng)電壓為0.7v 耗能低,噪聲小,目前作為一種新型光源正用于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,隨著LED功率的不斷提高,光強(qiáng)增大,其優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn),LED將替代傳統(tǒng)氙氣燈,作為激發(fā)光源使用。
3 望眼鏡系統(tǒng)的背景光屏蔽
從屏蔽背景光的角度討論,由于背景光在整個(gè)探測(cè)過(guò)程中始終存在,并且強(qiáng)度隨日光的改變而變化,同時(shí)光電探測(cè)器本身的暗電流與散粒噪聲也對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果造成一定的影響,所以背景光的屏蔽可分為兩部分,(1)反射式望遠(yuǎn)鏡遮光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。(2)光電信號(hào)的采集與處理。常見(jiàn)的反射式望眼鏡有牛頓系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)、格雷戈里系統(tǒng)等,采用反射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)在于其主鏡與副鏡的焦距相互重疊,使得鏡筒的長(zhǎng)度縮短,實(shí)驗(yàn)中我們采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),其便于垂直水面觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)遮光結(jié)構(gòu)分為三大部分[5],其屏蔽作用歸納如表3。
穩(wěn)壓電路及信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)是屏蔽背景信號(hào)的關(guān)鍵,首先應(yīng)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源,為光電探測(cè)器、集成運(yùn)放等元件提供穩(wěn)定的工作電壓。其次在探測(cè)系統(tǒng)中外加反向偏壓的PIN光電二極管將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流,其中包括直流光電流和交流光電流,分別通過(guò)電感與電容傳輸,在取樣電阻上呈現(xiàn)電壓差,直流分量隨入射光強(qiáng)度變化而變化,反應(yīng)入射光強(qiáng)度的大小,噪聲光電流通過(guò)電容傳輸,從而達(dá)到降低噪聲的目的。
4 紫外熒光探測(cè)溢油實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為365nm的LED紫外光源作為激發(fā)光源,對(duì)光源進(jìn)行濾光,紫外光垂直照射在油膜表面,在暗室環(huán)境下分別探測(cè),機(jī)油、汽油、食用油的熒光強(qiáng)度,對(duì)照組為純水,如圖1。
由于探測(cè)器及激發(fā)光源放置高度與位置的不同,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的整體變化。在實(shí)驗(yàn)中為了保證激發(fā)強(qiáng)度以及探測(cè)效率,設(shè)定探測(cè)器與光源等高平行,互不遮擋。
由于探測(cè)器距離油面垂直距離越遠(yuǎn),探測(cè)光強(qiáng)越弱,實(shí)驗(yàn)選定探測(cè)器距離油膜5cm作為探測(cè)高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2所示,在探測(cè)器中,光強(qiáng)的變化可以直接反應(yīng)為光電流的大小,而電流通過(guò)取樣電阻產(chǎn)生電壓差值,通過(guò)讀取取樣電阻兩端的電壓值則可以判斷光強(qiáng)的大小,光強(qiáng)與電壓值成正比[6]。實(shí)驗(yàn)中,探測(cè)純水的電壓值為激發(fā)光在水面反射后的光強(qiáng)。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,即有背景光的條件下,不改變其他測(cè)量條件,再次探測(cè)不同油類(lèi)的電壓值。如圖3所示,此時(shí)探測(cè)純水的電壓值為0.0087v,其中包括背景光與激發(fā)光源的反射光。此時(shí)背景光的電壓值為0.0040v,而通過(guò)照度計(jì)探測(cè)到背景光的強(qiáng)度為45.6lx。由此可見(jiàn),通過(guò)改變?nèi)与娮璧闹导纯墒固綔y(cè)電壓值與光強(qiáng)近似相等[7-8]。
通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。
(1)探測(cè)器與光源位置的變化將整體改變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(2)在實(shí)際環(huán)境中探測(cè)到的熒光光強(qiáng)近似等于背景光強(qiáng)度與無(wú)背景光條件下熒光強(qiáng)度之和。
(3)在無(wú)背景光條件下,通過(guò)反復(fù)測(cè)試油膜(約0.02mm)的熒光強(qiáng)度,可以歸納化簡(jiǎn)出以下關(guān)系式,設(shè)純水的反射光強(qiáng)度為1,則不同油類(lèi)的熒光強(qiáng)度有以下取值關(guān)系范圍。
(4)在有背景光條件下,設(shè)探測(cè)到的純水電壓值為v1,油類(lèi)的電壓值v2,為歸一化強(qiáng)度S,則不同探測(cè)高度下歸一化公式應(yīng)該為
(5)通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的取值范圍則可以區(qū)分不同種類(lèi)的油膜。
不同油膜厚度的熒光強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),以厚度為0.02mm的油膜作為測(cè)量起始點(diǎn),使用滴管依次添加油品,直到油膜厚度達(dá)到0.3mm,記錄該探測(cè)過(guò)程中的電壓值如圖4,圖5。
通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可得:(1)探測(cè)純水的電壓值基本保持不變,這是由于光源的強(qiáng)度始終保持不變。(2)隨著油膜厚度的增加,機(jī)油與食用油的熒光強(qiáng)度逐漸減弱,這是因?yàn)橛湍ず穸仍黾訒r(shí),較底層油膜發(fā)出的熒光被上層油膜再次吸收,而光源強(qiáng)度不變這就使得量子效率反而降低。(3)汽油與其他油類(lèi)相反,這是由于汽油中的飽和烴類(lèi)物質(zhì)有助于激發(fā)熒光。
5 結(jié)束語(yǔ)
熒光探測(cè)法是目前綜合性能最優(yōu)的一種探測(cè)方法,其不但具有區(qū)分油膜與非油膜的特點(diǎn),這種技術(shù)還可以探測(cè)出油膜的種類(lèi),通過(guò)探測(cè)到的電壓值,改變光電探測(cè)器的取樣電阻大小,即可將光強(qiáng)與電壓數(shù)值對(duì)應(yīng)起來(lái),根據(jù)不同的電壓值區(qū)間即可辨別油膜的種類(lèi),同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢油厚度的變化,可探測(cè)到微米級(jí)別厚度的油膜。該方法適應(yīng)多種極端天氣環(huán)境,也是唯一一種適用于冰面以及雪地條件下的探測(cè)技術(shù)??深A(yù)見(jiàn)水面油污染預(yù)警系統(tǒng)未來(lái)將向遠(yuǎn)程無(wú)人探測(cè)、小型化、便捷化、低成本、網(wǎng)絡(luò)化、以及多油種識(shí)別的方向發(fā)展。
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作者簡(jiǎn)介:黨晨(1990,06-),男,漢族,西安工業(yè)大學(xué)研究生,研究方向:光學(xué)。