基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度测量方法

摘要

一种基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度测量方法。该方法采用双激光三角测距系统，两个激光器发出的激光束分别射向待测油膜任一垂直方向上的上下表面，根据像移大小和成像系统的结构参数，可同时得到这一上下两个表面的离面位移，通过相减即可确定被测油膜厚度，通过多点采样，可得到溢油区域的油膜厚度分布。这种非接触测量方法具有原理简单、测量方便、成本低、精度高、体积小等特点，可用于水溶液表面油膜厚度的动态在线测量。

说明书

【技术领域】：

本发明属于海洋环境立体监测技术领域，特别涉及一种海面溢油油膜厚度测量技术。

【背景技术】：

海面油膜厚度测量是海洋环境管理不可缺少的工作之一，是环境保护、化工分析、油膜动力学研究等领域中一个很重要的问题。海洋监测部门及专家一直在寻求一种精确测量水面油膜厚度的方法，但直到现在还未能找到一种可信的水面油膜厚度测量方法。油膜厚度为溢油治理(如分散剂的正确合理使用和现场焚烧等)提供有效合理的指导，为理解油层扩展动力学的基本理论提供重要的科学依据，对天气、气候和海洋环境处理都有重要的意义。目前已提出并用于水溶液表面的不同油品和不同油膜厚度测量的常见方法有以下几种：

基于光谱分析的水拉曼后向散射法、紫外光照射荧光光谱法，这种方法是通过分析不同油品的荧光寿命和不同油膜厚度下的光谱强度，可以同时实现油品鉴别和油膜厚度的测量，适用于薄油层厚度的测量。

微波辐射计是通过比较测量得到的亮温来获得油层厚度信息，但这种方法需要预先确定一些环境参数和油品特性参数。

多光束干涉法，油膜在海面上形成油/气和油/水两个平行平面层。光入射油气界面，部分光被反射到空气，部分光透射进入油层。进入油层的光束在油水界面发生反射/透射，反射光束经油水界面反射返回油层，再经透射返回到空气。在空气中的这些光波叠加，发生干涉，由干涉位相差计算得到油膜厚度。

扫描白光干涉法，此方法是通过分析不同油品在水面及空气界面形成的干涉包络的峰值比，进行油品鉴定，由油气界面和油水界面各自所形成的两组干涉条纹峰值间距计算油膜厚度。这种基于干涉方法的技术适用于透明的、油水界面平坦的油层厚度测量。

激光声学/激光超声波技术，其基本机理是基于激光雷达和超声波原理，利用声脉冲传播经过油层再返回油气界面的时间和在油层中的声波传播速度计算得到油层厚度。已研制出一种激光超声波遥感油膜厚度测量传感器，这种传感器测量精度高，在航空溢油遥感测量领域具有很大的潜在性，但需要三个激光器：一个CO₂脉冲激光器，一个Nd:YAG激光器和一个He-Ne激光器，并体积很大。

【发明内容】：

本发明的目的是提供一种基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度测量方法，以解决海面溢油油膜厚度测量问题，填补我国海上溢油监测方面的该项技术研究的空白，推进我国现有溢油监测水平的发展，为海面溢油油膜厚度测量、油层扩展动力学及海洋环境科学提供技术基础。

本发明首次提出将激光三角法的测厚技术应用于溢油油膜厚度测量，考虑海水及油膜的波动，采用双光路差分系统，即采用对称的斜射式的双激光三角测距系统。激光器发出的激光束，经汇聚透镜汇聚斜入射油膜上下表面，在油膜上下表面上的入射点处形成一椭圆形的激光斑点。成像系统将该光斑成像于光接收器CCD上形成像点。利用上下表面的双激光三角测量系统，根据像移大小h和成像系统的结构参数k，可同时得到这一点上下两个表面的离面位移，通过相减即可确定被测点的油膜厚度。在光路系统中，保证激光束、成像透镜光轴、CCD在同一平面内，严格保证激光束光轴与成像透镜光轴之间夹角为90°，CCD与成像透镜光轴之间的夹角为90°，就可保证被测表面位置改变后物距不变，以保证一定景深范围内的被测点都能聚焦成像在探测器上，保证了测量精度。

本发明测量方法的具体测量过程包括：

第一、光路系统搭建

按照图1搭建对称的斜射式的双激光三角测距系统，各激光三角测距系统包括激光器和汇聚透镜组成的光源部分，以及由成像透镜、探测器CCD或位置探测器PSD(PositionSensitive Detector)和数据采集与处理模块组成的接收成像系统；附图中相同的部件用相同的标记表示；

第二、光斑图像采集

第一路激光器发出的激光束经汇聚透镜汇聚斜入射待测油膜上表面，在油膜上表面上的入射点处形成一椭圆形的激光斑点(调节透镜位置，使焦点位于被测油膜的上表面附近，则此时光斑有很强的亮度和很小的半径，形成一亮点)，接收成像系统中的成像透镜将该光斑成像于CCD上；第二路激光器发出的激光束经汇聚透镜汇聚由空气斜入射海水，在气水界面处发生反射和折射，折射光斜入射油膜下表面，在油膜下表面上的入射点处也形成一椭圆形的激光斑点(调节透镜位置，使焦点位于被测油膜的下表面附近，则此时光斑有很强的亮度和很小的半径，形成一亮点)，成像系统将该光斑成像于CCD上，并使上下两个照明点对应于被测物体任一点垂直方向上的上下表面。采集两路系统在CCD上的光斑像点。基准平面设为虚拟的基准平面，选取理论上可任意；

第三、像位移量测量

对采集到的光斑图像采用形态滤波等滤波技术进行图像处理，利用质心法、Hough变换等方法得到CCD上两个像点的质心，再利用两点之间的距离公式进而可得到上下两个光斑像点相对基准平面光斑像点的像位移量h₁和$h_2=h_1^{\prime }-h_2^{\prime }.$

第四、建立离面位移计算的数学模型

根据上步得到的光斑在CCD上相应的位移h₁和h₂，建立离面位移计算的数学模型，经数据处理模块进行计算，可得到这一点上下两个表面距离假定的基准平面的离面位移d₁和d₂(位移方向如图所示，向上的箭头为正方向，向下则为负方向)。其中对第一光路系统采用d₁＝k₁h₁式计算，式中k₁＝(u-f)·cosα/f。对第二光路系统$d_2=l_1-l_2=k_1^{\prime }{h}_1^{\prime }-k_2^{\prime }{h}_2^{\prime },$式中$k_1^{\prime }=(a-f)·\cos {\theta }_1/f,$$k_2^{\prime }=(a-f)\sqrt{n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\theta }_1}/(n_0,f),$u、a为两路成像系统的物距，α是激光束光轴与被测面法线的夹角，θ₁是激光束入射于空气海水界面的入射角，n₀为空气折射率，n₁为海水折射率，f是成像透镜的焦距；

第五、数据处理与输出

对获得的两个离面位移d₁和d₂，相减即可得到该点的油膜厚度d＝d₁-d₂。

本发明方法的测量原理：

图2为基本原理图。在图2(a)所示的斜射式中，激光束以α角度入射于测量点A处并在该处形成一椭圆形光斑。在A处法线的另一侧，成像透镜光轴与其法线成β角度，摄像机摄取光斑的图像并成像于CCD上的a处。当入射光斑沿激光束由A点移向M点，像机在不做任何变动的情况下摄取激光照射在被测物面M处的激光光斑而成像于CCD的m处。激光束光轴、CCD与成像透镜光轴垂直。根据像移大小h和成像系统的结构参数k，可以确定被测物面的位移量。

若光点在成像面上的位移为h₁，则被测物面的位移为

$d_1=\frac{(u-f)h_1}{f}\cos \alpha =k_1{h}_1---\left(1\right)$

式中u为成像系统的物距，f为成像透镜的焦距。在上式中只要测得了h₁，即可求得d₁。

对图2(b)，激光器发出的激光束以入射角θ₁由空气斜入射于空气海水界面上的A点处，在气水界面处发生反射和折射。摄像机摄取该反射光斑的图像并成像于CCD上的D点处。折射光斜入射油膜下表面，在油膜下表面上的入射点B处也形成一椭圆形的激光斑点，摄像机摄取该光斑的图像并成像于CCD上的C点处。若C点和D点在成像面上的位移为CCD与成像透镜光轴之间的夹角为90°，则

$l_2=\frac{(a-f)\sqrt{n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\theta }_1}}{n_{0}f}{h}_2^{\prime }=k_2^{\prime }{h}_2^{\prime }$

式中n₀为空气折射率，n₁为海水折射率，a为成像系统的物距，f为成像透镜的焦距。

当入射光斑由A点移向M点，成像点在CCD上作相应移动。由图2(a)分析可知，被测物面的位移量

$l_1=\frac{(a-f)h_1^{\prime }}{f}\cos {\theta }_1=k_1^{\prime }{h}_1^{\prime }$

其中为像移大小。

则，油膜下表面相对于点M的位移为

$d_2=l_1-l_2=k_1^{\text{′}}{h}_1^{\prime }-k_2^{\text{′}}{h}_2^{\prime }=\frac{(a-f)\cos {\theta }_1}{f}{h}_1^{\prime }-\frac{(a-f)\sqrt{n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\theta }_1}}{n_{0}f}{h}_2^{\prime }---\left(2\right)$

在式(2)中只要测得了和即可求得d₂

本发明的优点和有益效果：

本发明提供的是一种非接触测量方法，该方法具有原理简单、测量方便、成本低、体积小，可消除由成像系统、液面变化、油膜表面光泽和颜色、外界环境所引入的误差，及有效的克服背景光对测量精度的影响等特点，可用于水溶液表面油膜厚度的动态在线测量。

该测量方法可以快速、精确、定量地实现海面溢油油膜厚度的动态在线自动测量，为海洋溢油检测提供了可靠的测量工具，推进我国现有溢油监测水平的发展，对溢油治理提供重要依据和技术支持。

【附图说明】：

图1为本发明的对称的斜射式的双激光三角测距光路系统；

图2为本发明的激光三角法测量原理图，图2(a)为斜射式第一路单光路系统，图2(b)为斜射式第二路单光路系统；

图3为对称的斜射式的双激光三角法测量系统实验光路图。

图4为对称的斜射式的双激光三角法测量系统得到的光斑像的实例图，图4(1)为第一路系统采集的图像，图4(2)为第二路系统采集的图像。

其中，1为激光器，2为汇聚透镜，3为成像透镜，4为CCD，5为虚拟的基准平面，6为数据采集与处理模块，7为样品池，8为分光镜，18、19、28、29均为反射镜。

【具体实施方式】：

实施例1

下面以图3所示的实验光路为例，阐述本发明测量方法的具体测量过程；

①光路系统搭建

搭建图3所示的对称的斜射式的双激光三角测距系统，系统光源部分包括激光器1、汇聚透镜2、分光镜3、反射镜18、19、28、29。激光器1为波长λ＝632.8nm的He-Ne激光器，汇聚透镜2为焦距f＝300mm的汇聚透镜。接收(成像)系统是由成像透镜3、探测器CCD 4和数据采集与处理模块6组成。成像透镜3为f＝250mm的成像透镜，探测器CCD 4为面阵CCD，数据采集与处理模块6包括图像采集卡和计算机。样品池7为透明无盖的玻璃池，池中盛有水，油漂浮在水面上。在光路系统中，保证激光束、成像透镜光轴、CCD在同一平面内，严格保证激光束光轴与成像透镜光轴垂直，CCD与成像透镜光轴垂直。调节光路使第一路光束与第二路光束在空气中相交，并使上下两个照明点对应于被测物体的任一点垂直方向上的上下表面；

②光斑图像采集

He-Ne激光器1发出的激光束经分光镜3后，分别经反射镜18、19和28、29反射，经第一路的汇聚透镜2汇聚由空气斜入射待测油膜上表面的点S处，在气油界面处发生散射和折射。调节汇聚透镜2的位置，使焦点位于被测油膜的表面附近，则此时光斑有很强的亮度和很小的半径，形成一亮点。点S处的散射光形成一椭圆形的激光斑点，成像透镜3将该光斑成像于CCD 4上。反射光经第二路的汇聚透镜2汇聚由空气斜入射经玻璃(容器底表面)进入水，在空气与玻璃界面点A处发生反射和折射，折射光在玻璃水界面点C处反射和折射，点A、C处的反射光各形成一椭圆形的激光斑点，成像透镜3将该光斑成像于CCD 4上。折射光斜入射油膜下表面点B处，在油水界面处发生散射。调节汇聚透镜2的位置，使焦点位于被测油膜的下表面附近，在油膜下表面上的入射点B处也形成一椭圆形的激光斑点，成像系统将该光斑成像于CCD上。采集两路系统在CCD上的光斑像点，如图4所示。实验所用的油为石油，第一路采集的图像如图4(1)所示，第二路采集的图像如图4(2)所示。图中a所示对应空气玻璃界面的像点，b所示对应油水界面的像点，c所示为玻璃水界面的像点(在图1和图2中未标出，若所选的样品池材料的折射率与水/海水接近，则点A与点C重合)，s所示对应油气界面的像点，基准平面选在油层中的M点，为虚拟的基准平面，是通过对实验系统的标定获得的。同时在测量过程中，固定两个测距系统相对空间位置保持不变；

③像位移测量

对采集到的光斑图像采用形态滤波等滤波技术进行图像处理，利用质心法得到CCD上像点的质心坐标。图4(1)采集的点S处的光斑的质心坐标为(1896.9，1186.2)，预先标定的基准平面点M处的光斑的质心坐标为(1581.1，1127.6)。图4(2)采集的光斑的质心坐标点B处为(941.1，1302.1)、点A处为(1669.3，1352.1)，点C处为(1511.1，1321.2)，标定点M处的光斑的质心坐标为(205.0，1159.3)。利用两点之间的距离公式进而可得到上下两个光斑像点相对于基准点的像位移量分别h₁＝2.3768mm和$h_2=h_1^{\prime }-h_2^{\prime }=10.9293\mathrm{mm}-1.1928\mathrm{mm}$$-4.2204\mathrm{mm}=5.5162\mathrm{mm}(h_2^{\prime }=h_{\mathrm{bc}}^{\prime }+h_{\mathrm{ac}}^{\prime }).$

④数据处理

根据上步得到的光斑在CCD上相应的位移h，数据处理模块利用式d＝kh进行计算，可得到油膜上下表面相对于点M的位移d₁和d₂，式中d₁＝(u-f)h₁ cosα/f＝k₁h₁，$d_2=l_1-l_2=k_1^{\prime }{h}_1^{\prime }-k_{\mathrm{bc}}{h}_{\mathrm{bc}}^{\prime }-k_{\mathrm{ac}}{h}_{\mathrm{ac}}^{\prime },$其中，$l_1=k_1^{\prime }{h}_1^{\text{′}}=(a-f)\cos {\theta }_1{h}_1^{\prime }/f,$$l_2=k_{\mathrm{bc}}{h}_{\mathrm{bc}}^{\prime }+k_{\mathrm{ac}}{h}_{\mathrm{ac}}^{\prime }=(a-f)\sqrt{n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\theta }_1}{h}_{\mathrm{bc}}^{\prime }/n_{0}f-(a-f)\sqrt{n_3^2-n_0^2{\sin }^2{\theta }_1}{h}_{\mathrm{ac}}^{\prime }/n_{0}f.$通过标定获得成像系统的物距a＝u＝508.38mm，α＝44.24°，θ₁＝44.45°，f＝250mm，空气折射率n₀＝1，水的折射率为n₁＝1.33，玻璃折射率为n₃＝1.5，计算得到图4中的d₁＝1.7599mm，d₂＝1.4963mm，石油油膜厚度d＝3.26mm。