[发明专利]基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度测量方法

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，经会聚透镜会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会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会聚透镜会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会聚透镜会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