激光三角法溢油油膜厚度测量技术研究[1].pdf

第29卷第1期海洋技术Vol.29，No.1
2010年3月OCEAN海TECHNOLOGY洋技术Mar，2010第29卷

激光三角法溢油油膜厚度测量技术研究

王春谊1，吕且妮2，王晶1
（1.国家海洋技术中心，天津300112；2.天津大学,天津300072）

摘要：提出一种激光三角法溢油油膜厚度测量方法与海上应用采样池结构设计，针对石油与柴油搭建光学实验
平台进行了油膜厚度测量实验，获得了油膜厚度信息。这种非接触测量方法具有原理简单、测量方便、成本低、精度
高等特点，对实现水溶液表面油膜厚度的动态在线测量有重要意义。
关键词：三角法；溢油油膜；厚度测量
中图分类号：P716+42,x55文献标识码：B文章编号：1003-2029（2010）01-0036-04

1引言制。2005年，ChangsenSun提出了利用白光干涉法，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
海洋溢油污染多为事故引起，是海洋污染中影响范围最油品鉴定，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的新方法但这种技术要求油水界
广，危害时间最长，对生态环境破坏最大的一种。随着海洋运。
输业和海洋石油开采业的迅猛发展，海上溢油污染日益增面平坦，适用于透明油层测量。随着激光器技术、CCD、PSD
及计算机技术的迅速发展，基于光学三角法的测距技术已日
多。溢油对生态环境的巨大破坏作用已引起世界各国政府的
重视，特别在发达国家，政府投入了大量资金，建立常备的探益成熟，并有产品化的测距传感器，其基本机理为激光束投
射到被测物面形成的漫反射光作为传感信号，用透镜成像原
测系统，对溢油污染进行监测和管理。近年来我国科技工作
理将收集到的漫反射光束汇聚到像平面的光接收器上形成
者利用Landsat-TM和NOAA-AVHRR数据相结合共同监测
海面溢油污染取得了成功，但对海面溢油厚度的快速监测手像点。当入射光斑随被测物面移动时，成像点在光接收器上
做相应移动，根据相移大小和传感器的结构参数可确定被测
段还没有。美国、加拿大、挪威、法国和荷兰等国对溢油监测
的研究也大都集中在卫星和航空遥感上，仅可以确定溢油位物面的实时位置。目前已有用于厚度测量的报道，但主要用
于金属板的厚度测量
置和面积。因此开展溢油油膜厚度测量关键技术研究，进而。
实现海面溢油油膜厚度的快速测量传感器研制，在油膜厚度
测量方面具有广阔的应用前景，结合已有的溢油范围测量手3测量光路系统与采样池结构设计
段可以准确估计溢油数量,可以为针对不同程度的溢油事故
制定处理方案提供依据,对溢油事故的快速反应具有重要意3.1光路系统设计
义。激光三角测量方法属于成像测距法，测量精度高、重复
性好。基本原理是激光器发出的光线经会聚透镜聚焦后入射
2国内外发展现状与趋势到被测物体表面，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，
并将其成像在探测器CCD上。物体移动将导致入射光点沿
入射光轴移动，从而导致其像点在探测器光敏面上移动根
水溶液表面的油膜厚度测量是环境保护、化工分析、油。
膜动力学研究等领域中一个很重要的问题，已提出多种测量据像移大小和成像系统的结构参数可以确定被测物面的位
移量由于入射光和反射光构成一个三角形，所以称为三角
方法。如水拉曼后向散射法、紫外光照射荧光光谱法、微波辐。
测量法按入射光线与被测物表面法线的位置关系分为直射
射计法。1999年，Kim等提出利用白光扫描干涉方法测量透。
明薄膜厚度方法，通过对油薄膜的上下表面的多光束干涉所式和斜射式两种(图1)。
形成的干涉图进行分析，得到薄膜厚度分布，但由于油的散由于激光光束入射被测物面，只有一个准确的调焦位
射原因，使这种方法在油膜厚度测量应用中受到一定的限置，其余位置的像点都处于不同程度的离焦状态。离焦将引
起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。因此，θ和φ必
须满足Scheimpflug条件，即tgθ=mtgφ，其中斜射式中θ＝α+β
收稿日期：2009-11-28
(α是入射角)，m是横向放大率。以保证一定景深范围内的被
基金项目：国家海洋局青年海洋科学基金科目（2008418）；天津市
测点都能聚焦成像在探测器上，以保证测量精度当入射光
应用基础和前沿技术研究计划资助项目。
斑沿激光束由点移向点，其成像点在焦平面内沿直线
（08JCYBJC9900）。AB
第1期王春谊等：激光三角法溢油油膜厚度测量技术研究37

浮标在海面随波运动的情况下，油膜均可以顺利进入采样
池。通过合理设计布局调整浮标具有合理的重心与浮心，吃
水线位置处于测量窗口的中间位置（可根据不同海域的海水
密度进行配重调节），当油膜处于测量范围内波动时，便可以
对其进行测量。采样池内壁选用强度高、耐腐蚀、耐冲击的材
料设计制作