LIF探测系统主要由激光发射模块、 荧光接收模块和荧光探测处理模块构成。 而收发共轴式LIF探测系统的激光发射与荧光接收共轴, 即激光发射角度与荧光接收角度相同, 如图1所示。 与收发非共轴式系统相比^[13], 共轴式系统的光路容易调节, 且接收回波信号多, 从而提高了系统的灵敏度。 这种易调节、 高精度、 小型化特点是LIF探测系统的发展方向, 在遥感监测中具有更好的应用前景。

图1

Fig.1

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	图1 收发共轴的LIF系统Fig.1 LIF system with coaxial transceiver

f_BRRDF表示目标表面出射微分辐亮度dL_r与入射微分辐照度dE_i比值关系的函数^[14], 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 fBRRDF几何示意图Fig.2 Geometric diagram of fBRRDF

根据水体表面的光学性质算法和收发共轴激光荧光雷达方程可推导出^[15], 在发射接收条件一定情况下, 收发共轴LIF系统接收到某一特定波长下的荧光功率P_r满足

Pr∝fBRRDFcos2θ(1)

式(1)中: θ =θ _i=θ _r。

由式(1)知P_r与f_BRRDFcos²θ (f_BRRDF与天顶角余弦平方的乘积)成正比。 故f_BRRDFcos²θ 可作为通过系统接收的光功率研究分析探测海面乳化溢油时发射接收相关问题的依据。

为获取不同乳化溢油类型的f_BRRDFcos²θ , 采用蒙特卡罗方法建立光子传输模型。 模型建立的条件是: 气水界面水平、 介质内无其他光源。 在一定角度下发射1亿光子到介质层, 模拟光子在介质层传输的整个过程, 通过统计相同角度处所有逸出介质的荧光光子权重进而计算得到f_BRRDFcos²θ 。 蒙特卡罗光子传输模型如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 蒙特卡罗光子传输模型Fig.3 Monte carlo photon transmission model

光子在介质中传输发生的反射、 散射、 辐射荧光等事件由介质的吸收系数、 散射系数、 荧光量子产率等光学参数确定。 介质层由空气层、 溢油乳化层及海水层构成, 溢油乳化层表示油包水或水包油乳化液。 油包水、 水包油乳化液的显微结构图如图4所示, 两者分别是水滴分散到连续相油中和油滴分散到连续相水中。

图4

Fig.4

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	图4 油包水和水包油乳化液的显微结构图 (a): 油包水; (b): 水包油Fig.4 Microstructure diagrams of water-in-oil and oil-in-water emulsions (a): Water-in-oil; (b): Oil-in-water

乳化液液滴粒径集中分布在0.01~10 μm范围, 属Mie散射理论范畴。 故由Mie散射理论计算乳化液的光学参数。 以水包油乳化液为例, 吸收系数、 散射系数表达式分别为^[16]

a(λ)=ρ·ao(λ)+aw(λ)(2)

b(λ)=ρ·bo(λ)+bw(λ)(3)

式(2)和式(3)中: λ 为波长, ρ 为含油率, a_w(λ )和b_w(λ )分别为海水的吸收系数、 散射系数。 a_o(λ )和b_o(λ )分别为单位油滴粒子系中的吸收系数和散射系数, 表达式分别为^[17]

ao(λ)=π∫rminrmaxr2f(r)Qabsdr(4)

bo(λ)=π∫rminrmaxr2f(r)Qscadr(5)

式(4)和式(5)中: r为油滴粒子半径, f(r)为油滴粒径分布函数(油包水粒子分布满足Rosin-Rammler模型)。 Q_abs和Q_sca分别为吸收和散射系数效率因子。

以上为水包油乳化液光学参数公式, 油包水乳化液相应参数则通过改变分散相和连续相介质参数代入相关公式即可得到^[18]。

计算Romashkino和Petrobaltic两种典型油品溢油乳化液的光学参数, 其中Romashkino乳化溢油在激光405 nm荧光500 nm处的荧光量子产率如图5所示, 吸收系数、 散射系数如表1、 表2和表3所示。 由图5可知, 含油率极低(< 80× 10^-6)时, 荧光量子产率为0.243 1, 当含油率高于80× 10^-6时, 荧光量子产率随含油率的升高呈下降趋势。 由表可发现, 油包水的吸收系数随含油率的升高而增大, 散射系数随含油率的升高而减小, 这是因为油品主要表现为吸收作用, 且远大于海水的吸收作用。 水包油的吸收系数、 散射系数随含油率的升高而增大。

图5

Fig.5

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	图5 激光405 nm荧光500 nm时荧光量子产率与含油率的关系曲线Fig.5 The relationship between fluorescence quantum yield and oil content for 405 nm laser and 500 nm fluorescence

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 油包水乳化液的吸收系数和散射系数 Table 1 Absorption and scattering coefficients of water-in-oil emulsions 含油率 /% 405 nm 500 nm 吸收系数 /m-1 散射系数 /m-1 吸收系数 /m-1 散射系数 /m-1 60 236 376.545 337 631.104 89 724.238 335 757.930 70 275 772.351 191 394.775 104 678.153 190 647.719 80 315 168.166 90 143.098 119 632.072 89 756.905

表1 油包水乳化液的吸收系数和散射系数 Table 1 Absorption and scattering coefficients of water-in-oil emulsions

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 高浓度水包油乳化液的吸收系数和散射系数 Table 2 Absorption and scattering coefficients of high concentration oil-in-water emulsions 含油率 /% 405 nm 500 nm 吸收系数 /m-1 散射系数 /m-1 吸收系数 /m-1 散射系数 /m-1 1 20 485.94 67 312.57 10 679.16 74 339.44 10 204 850.63 673 120.63 106 790.27 743 390.45 40 819 400.42 2 692 480.42 427 160.18 2 973 560.3

表2 高浓度水包油乳化液的吸收系数和散射系数 Table 2 Absorption and scattering coefficients of high concentration oil-in-water emulsions

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 低浓度水包油乳化液的吸收系数和散射系数 Table 3 Absorption and scattering coefficients of low concentration oil-in-water emulsions 含油率 /10-6 405 nm 500 nm 吸收系数 /m-1 散射系数 /m-1 吸收系数 /m-1 散射系数 /m-1 1 2.748 52 7.431 19 1.367 89 7.933 89 10 21.184 99 68.011 993 10.979 00 74.838 99 60 123.611 4 405.571 2 64.373 2 446.533 6

表3 低浓度水包油乳化液的吸收系数和散射系数 Table 3 Absorption and scattering coefficients of low concentration oil-in-water emulsions

LIF系统的发射接收方向由发射接收天顶角和方位角表示, 又溢油乳化层涉及其厚度、 浓度和油种等参数。 因此海面乳化溢油探测问题的模拟, 不仅涉及探测时发射接收的天顶角方位角, 同时还需考虑溢油乳化层的各个参数。 在整个仿真过程中始终保持θ _r=θ _i=θ 。

2.2.1 油包水探测方向的仿真与分析

在激光405 nm、 荧光500 nm, 天顶角45° 时仿真获得了不同方位角处油包水的f_BRRDFcos²θ 如图6所示。 可看出各方位角处f_BRRDFcos²θ 值基本相等, 这说明f_BRRDFcos²θ 值与发射接收的方位角无关。

图6

Fig.6

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	图6 乳化溢油在不同方位角处的仿真结果Fig.6 Simulation results of emulsified oil spill at different azimuths

在方位角为0° 条件下, 对两种典型油品的油包水进行天顶角的仿真与分析如图7所示。 图7(a)和(c)分别表示乳化液在厚度30 μm, 含油率为60%, 70%和80%处的f_BRRDFcos²θ , 图7(b)和(d)分别表示含油率60%, 厚度为2, 8和30 μm处的f_BRRDFcos²θ 。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 油包水乳化液在各天顶角处的fBRRDFcos2θ (a), (b): Romashkino油包水; (c), (d): Petrobaltic油包水Fig.7 The fBRRDFcos2θ of different water-in-oil emulsions at each zenith angle (a), (b): Water-in-oil of Romashkino; (c), (d): Water-in-oil of Petrobaltic

由图7(a)和(c)看出, Romashkino和Petrobaltic型油包水乳化液的f_BRRDFcos²θ 随含油率的升高分别表现为整体下降和上升趋势, 这是因为后者属轻质原油, 其油包水的吸收系数小于Romashkino。 由图7(b)和(d)看出, f_BRRDFcos²θ 随乳化液厚度的增加呈上升趋势。 两种原油油包水的f_BRRDFcos²θ 随天顶角的增大整体呈下降趋势, 在小角度范围内取得较大值。 Romashkino型油包水的f_BRRDFcos²θ 对天顶角的变化更敏感, 尤其当乳化液含油率较低或厚度较厚时, f_BRRDFcos²θ 随天顶角的增大其下降速度更快。 而Petrobaltic型油包水的f_BRRDFcos²θ 在0° ~45° 天顶角范围内变化不大, 之后随天顶角的增大迅速减小, 尤其体现在乳化液含油率较高和厚度较薄时。 由此, 利用收发共轴LIF系统进行海面油包水乳化液探测时, 发射接收天顶角应接近0° 处, 且最大不宜超过45° 。

2.2.2 水包油探测方向的仿真与分析

研究发现, 水包油乳化液的f_BRRDFcos²θ 同样与发射接收的方位角无关。 因此在方位角为0° 条件下, 对高、 低浓度水包油乳化液进行天顶角的仿真与分析如图8所示。 图8(a)和(b)分别表示高浓度水包油在厚度30 μm含油率为1%, 10%和40%和含油率1%厚度为10, 30和90 μm的f_BRRDFcos²θ 。 图8(c)和(d)分别表示低浓度水包油在厚度5 cm含油率为1× 10^-6, 10× 10^-6, 60× 10^-6厚度为5, 30和180 cm含油率为1× 10^-6的f_BRRDFcos²θ 。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 水包油乳化液在各天顶角处的fBRRDFcos2θ (a), (b): 高浓度水包油; (c), (d): 低浓度水包油Fig.8 The fBRRDFcos2θ of different oil-in-water emulsions at each zenith angle (a), (b): High-concentration oil-in-water; (c), (d): Low-concentration oil-in-water

由图8(a)看出, f_BRRDFcos²θ 随含油率的升高呈先上升后下降趋势。 这是高浓度乳化液的消光系数和荧光量子产率共同作用的结果。 图8(c)中f_BRRDFcos²θ 值随含油率的升高呈上升趋势, 符合低浓度乳化液荧光强度与浓度的变化规律。 图8(b)和(d)中f_BRRDFcos²θ 随乳化液厚度的增加呈上升趋势。 f_BRRDFcos²θ 随天顶角的增大整体呈下降趋势, 在0° 处获得最大值。 其中高浓度水包油的f_BRRDFcos²θ 对天顶角小范围(0° ~45° )变化不敏感, 尤其含油率低或厚度较小时, f_BRRDFcos²θ 在小角度范围内基本平稳。 而低浓度水包油的f_BRRDFcos²θ 对天顶角的变化较敏感, 随天顶角的增大而下降。 由此可见, 基于收发共轴的LIF系统对海面水包油进行探测时, 天顶角在0° ~45° 范围内为适宜角度, 其中在0° 处可接收到最大光功率。 这与前面所述油包水探测时表现出相同的角度规律。

以上乳化阶段海面溢油收发共轴LIF探测的角度规律与孙兰君^[15]所研究的未乳化阶段油膜的探测角度不宜高于50° 的结论有一定差别。 这也是本文单独开展基于收发共轴LIF系统海面乳化溢油探测研究的意义所在。

2.2.3 实验与仿真的对比分析

为验证仿真正确性, 选择原油的高浓度水包油乳化液利用实验室便捷式LIF系统进行收发共轴式的荧光光谱测量, 并与仿真结果进行趋势对比与验证。

便捷式LIF系统由NDV4542激光二极管、 AvaSpec-ULS2048光纤光谱仪、 电源和手柄支架组成。 按5∶ 1比例取Span80和Tween80两种乳化剂分别与一定量的原油和水混合溶解, 再将两者混合倒入烧杯, 经高速搅拌机先快速搅拌25 min再慢速搅拌5分钟以制备出含油率为10%的水包油乳化液。

在烧杯中倒入500 mL乳化液采集其在不同天顶角处的荧光光谱。 激光器发射波长为405 nm, 在保持激光二极管、 光纤探头与样本间距离不变的情况下, 改变探测角度。 利用Avasoft8软件进行多点多次采集发射接收角度为0° , 10° , 20° , 40° , 60° , 80° 时乳化液的荧光光谱, 光谱波段范围为420~750 nm, 积分时间为400 ms, 将采集到的每组光谱数据扣除背景光后求取平均值作为最终结果。 荧光光谱如图9(a)所示, 实验与仿真的趋势对比如图9(b)所示。 可看出, 荧光光谱强度随发射接收天顶角的增大逐渐减小, 这与仿真趋势基本一致。 说明基于蒙特卡罗光子传输模型对乳化溢油的BRRDF仿真是正确的, 可利用此仿真研究更多其他相关问题。

图9

Fig.9

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	图9 高浓度水包油的荧光光谱和与仿真结果对比 (a): 不同天顶角处的荧光光谱; (b): 趋势对比Fig.9 Fluorescence spectra of high-concentration oil-in-water emulsion and comparison with simulation results (a): Fluorescence spectra at different zenith angles; (b): Trend comparison