專利名稱：基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度測量方法
基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度測量方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種海面溢油油膜厚度 測量技術(shù)。背景技術(shù)：
海面油膜厚度測量是海洋環(huán)境管理不可缺少的工作之一，是環(huán)境保護、化 工分析、油膜動力學研究等領(lǐng)域中一個很重要的問題。海洋監(jiān)測部門及專家一直在尋求一 種精確測量水面油膜厚度的方法，但直到現(xiàn)在還未能找到一種可信的水面油膜厚度測量方 法。油膜厚度為溢油治理(如分散劑的正確合理使用和現(xiàn)場焚燒等)提供有效合理的指導， 為理解油層擴展動力學的基本理論提供重要的科學依據(jù)，對天氣、氣候和海洋環(huán)境處理都 有重要的意義。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測量的常見方法 有以下幾種基于光譜分析的水拉曼后向散射法、紫外光照射熒光光譜法，這種方法是通過分析不 同油品的熒光壽命和不同油膜厚度下的光譜強度，可以同時實現(xiàn)油品鑒別和油膜厚度的測 量，適用于薄油層厚度的測量。微波輻射計是通過比較測量得到的亮溫來獲得油層厚度信息，但這種方法需要預先確 定一些環(huán)境參數(shù)和油品特性參數(shù)。多光束干涉法，油膜在海面上形成油/氣和油/水兩個平行平面層。光入射油氣界面， 部分光被反射到空氣，部分光透射進入油層。進入油層的光束在油水界面發(fā)生反射/透射， 反射光束經(jīng)油水界面反射返回油層，再經(jīng)透射返回到空氣。在空氣中的這些光波疊加，發(fā) 生干涉，由干涉位相差計算得到油膜厚度。掃描白光干涉法，此方法是通過分析不同油品在水面及空氣界面形成的干涉包絡(luò)的峰 值比，進行油品鑒定，由油氣界面和油水界面各自所形成的兩組干涉條紋峰值間距計算油 膜厚度。這種基于干涉方法的技術(shù)適用于透明的、油水界面平坦的油層厚度測量。激光聲學/激光超聲波技術(shù)，其基本機理是基于激光雷達和超聲波原理，利用聲脈沖 傳播經(jīng)過油層再返回油氣界面的時間和在油層中的聲波傳播速度計算得到油層厚度。已研 制出一種激光超聲波遙感油膜厚度測量傳感器，這種傳感器測量精度高，在航空溢油遙感 測量領(lǐng)域具有很大的潛在性，但需要三個激光器 一個C02脈沖激光器， 一個Nd:YAG 激光器和一個He-Ne激光器，并體積很大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度測量方法，以解決海面溢油油膜厚度測量問題，填補我國海上溢油監(jiān)測方面的該項技術(shù)研究的空白，推進我國現(xiàn)有溢油監(jiān)測水平的發(fā)展，為海面溢油油膜厚度測量、油層擴展動力學及海 洋環(huán)境科學提供技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明首次提出將激光三角法的測厚技術(shù)應(yīng)用于溢油油膜厚度測量，考慮海水及油膜 的波動，采用雙光路差分系統(tǒng)，即采用對稱的斜射式的雙激光三角測距系統(tǒng)。激光器發(fā)出 的激光束，經(jīng)匯聚透鏡匯聚斜入射油膜上下表面，在油膜上下表面上的入射點處形成一橢圓形的激光斑點。成像系統(tǒng)將該光斑成像于光接收器CCD上形成像點。利用上下表面的雙激光三角測量系統(tǒng)，根據(jù)像移大小A和成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)"可同時得到這一點上下兩 個表面的離面位移，通過相減即可確定被測點的油膜厚度。在光路系統(tǒng)中，保證激光束、 成像透鏡光軸、CCD在同一平面內(nèi)，嚴格保證激光束光軸與成像透鏡光軸之間夾角為90°， CCD與成像透鏡光軸之間的夾角為卯。，就可保證被測表面位置改變后物距不變，以保證 一定景深范圍內(nèi)的被測點都能聚焦成像在探測器上，保證了測量精度。本發(fā)明測量方法的具體測量過程包括第一、光路系統(tǒng)搭建按照圖1搭建對稱的斜射式的雙激光三角測距系統(tǒng)，各激光三角測距系統(tǒng)包括激光器 和匯聚透鏡組成的光源部分，以及由成像透鏡、探測器CCD或位置探測器PSD (Position Sensitive Detector)和數(shù)據(jù)采集與處理模塊組成的接收成像系統(tǒng)；附圖中相同的部件用相 同的標記表示；第二、光斑圖像采集第一路激光器發(fā)出的激光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚斜入射待測油膜上表面，在油膜上表面上 的入射點處形成一橢圓形的激光斑點(調(diào)節(jié)透鏡位置，使焦點位于被測油膜的上表面附近， 則此時光斑有很強的亮度和很小的半徑，形成一亮點)，接收成像系統(tǒng)中的成像透鏡將該光斑成像于CCD上；第二路激光器發(fā)出的激光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚由空氣斜入射海水，在氣水界面處發(fā)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點處也形 成一橢圓形的激光斑點(調(diào)節(jié)透鏡位置，使焦點位于被測油膜的下表面附近，則此時光斑有很強的亮度和很小的半徑，形成一亮點)，成像系統(tǒng)將該光斑成像于CCD上，并使上 下兩個照明點對應(yīng)于被測物體任一點垂直方向上的上下表面。采集兩路系統(tǒng)在CCD上的 光斑像點?；鶞势矫嬖O(shè)為虛擬的基準平面，選取理論上可任意；第三、像位移量測量對采集到的光斑圖像采用形態(tài)濾波等濾波技術(shù)進行圖像處理，利用質(zhì)心法、Hough變 換等方法得到CCD上兩個像點的質(zhì)心，再利用兩點之間的距離公式進而可得到上下兩個 光斑像點相對基準平面光斑像點的像位移量年和& =^-^。第四、建立離面位移計算的數(shù)學模型根據(jù)上步得到的光斑在CCD上相應(yīng)的位移年和/v建立離面位移計算的數(shù)學模型， 經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊進行計算，可得到這一點上下兩個表面距離假定的基準平面的離面位移《 和^ (位移方向如圖所示，向上的箭頭為正方向，向下則為負方向)。其中對第一光路 系統(tǒng)采用《式計算，式中、=("—/)-cosa// 。對第二光路系統(tǒng)d2 = A —/2 = A:〖/ 〖一 A;/i;，式中女〖=(a —/).cos0！//， =-/)V"i2 — "3 sin2 A /("。 /)， "、fl為兩路成像系統(tǒng)的物距，a是激光束光軸與被測面法線的夾角，0,是激光束入射于 空氣海水界面的入射角，"。為空氣折射率，",為海水折射率，/是成像透鏡的焦距；第五、數(shù)據(jù)處理與輸出對獲得的兩個離面位移《和^ ，相減即可得到該點的油膜厚度d =《。 本發(fā)明方法的測量原理圖2為基本原理圖。在圖2(a)所示的斜射式中，激光束以a角度入射于測量點A處并 在該處形成一橢圓形光斑。在A處法線的另一側(cè)，成像透鏡光軸與其法線成j8角度，攝像 機攝取光斑的圖像并成像于CCD上的a處。當入射光斑沿激光束由A點移向M點，像機 在不做任何變動的情況下攝取激光照射在被測物面M處的激光光斑而成像于CCD的m 處。激光束光軸、CCD與成像透鏡光軸垂直。根據(jù)像移大小A和成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)/t， 可以確定被測物面的位移量。若光點在成像面上的位移為&，則被測物面的位移為《=c畫=仏 (1)式中"為成像系統(tǒng)的物距，/為成像透鏡的焦距。在上式中只要測得了年，即可求得《。 對圖2(b)，激光器發(fā)出的激光束以入射角^由空氣斜入射于空氣海水界面上的A點 處，在氣水界面處發(fā)生反射和折射。攝像機攝取該反射光斑的圖像并成像于CCD上的D 點處。折射光斜入射油膜下表面，在油膜下表面上的入射點B處也形成一橢圓形的激光斑 點，攝像機攝取該光斑的圖像并成像于CCD上的C點處。若C點和"點在成像面上的位 移為/ ;， CCD與成像透鏡光軸之間的夾角為90。，貝ij(of-/)^/w，2-"^ sin2 0,, ,, "。/式中"。為空氣折射率， 為海水折射率，a為成像系統(tǒng)的物距，/為成像透鏡的焦距。當入射光斑由A點移向M點，成像點在CCD上作相應(yīng)移動。由圖2(a)分析可知，被 測物面的位移量/1 = ("-"—=^其中年'為像移大小。貝U，油膜下表面相對于點M的位移為i/2 = - /2 =允(/l]' - KW = -y-^(a-/)cos^ (a-/)V"i2 -"o2 sin20,"0/% (2)在式(2)中只要測得了年'和& ，即可求得&本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果本發(fā)明提供的是一種非接觸測量方法，該方法具有原理簡單、測量方便、成本低、體 積小，可消除由成像系統(tǒng)、液面變化、油膜表面光澤和顏色、外界環(huán)境所引入的誤差，及 有效的克服背景光對測量精度的影響等特點，可用于水溶液表面油膜厚度的動態(tài)在線測該測量方法可以快速、精確、定量地實現(xiàn)海面溢油油膜厚度的動態(tài)在線自動測量，為 海洋溢油檢測提供了可靠的測量工具，推進我國現(xiàn)有溢油監(jiān)測水平的發(fā)展，對溢油治理提 供重要依據(jù)和技術(shù)支持。
圖1為本發(fā)明的對稱的斜射式的雙激光三角測距光路系統(tǒng)；圖2為本發(fā)明的激光三角法測量原理圖，圖2(a)為斜射式第一路單光路系統(tǒng)，圖2(b) 為斜射式第二路單光路系統(tǒng)；圖3為對稱的斜射式的雙激光三角法測量系統(tǒng)實驗光路圖。圖4為對稱的斜射式的雙激光三角法測量系統(tǒng)得到的光斑像的實例圖，圖4(1)為第一 路系統(tǒng)釆集的圖像，圖4(2)為第二路系統(tǒng)采集的圖像。其中，l為激光器，2為匯聚透鏡，3為成像透鏡，4為CCD， 5為虛擬的基準平面， 6為數(shù)據(jù)采集與處理模塊，7為樣品池，8為分光鏡，18、 19、 28、 29均為反射鏡。
具體實施方式
實施例l下面以圖3所示的實驗光路為例，闡述本發(fā)明測量方法的具體測量過程；① 光路系統(tǒng)搭建搭建圖3所示的對稱的斜射式的雙激光三角測距系統(tǒng)，系統(tǒng)光源部分包括激光器1、 匯聚透鏡2、分光鏡3、反射鏡18、 19、 28、 29。激光器1為波長義=632.8腿的He-Ne 激光器，匯聚透鏡2為焦距戶300mm的匯聚透鏡。接收(成像)系統(tǒng)是由成像透鏡3、探 測器CCD4和數(shù)據(jù)采集與處理模塊6組成。成像透鏡3為戶250mm的成像透鏡，探測器 CCD 4為面陣CCD，數(shù)據(jù)采集與處理模塊6包括圖像采集卡和計算機。樣品池7為透明 無蓋的玻璃池，池中盛有水，油漂浮在水面上。在光路系統(tǒng)中，保證激光束、成像透鏡光 軸、CCD在同一平面內(nèi)，嚴格保證激光束光軸與成像透鏡光軸垂直，CCD與成像透鏡光 軸垂直。調(diào)節(jié)光路使第一路光束與第二路光束在空氣中相交，并使上下兩個照明點對應(yīng)于 被測物體的任一點垂直方向上的上下表面；② 光斑圖像采集He-Ne激光器l發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡3后，分別經(jīng)反射鏡18、 19和28、 29反射， 經(jīng)第一路的匯聚透鏡2匯聚由空氣斜入射待測油膜上表面的點S處，在氣油界面處發(fā)生散 射和折射。調(diào)節(jié)匯聚透鏡2的位置，使焦點位于被測油膜的表面附近，則此時光斑有很強 的亮度和很小的半徑，形成一亮點。點S處的散射光形成一橢圓形的激光斑點，成像透鏡 3將該光斑成像于CCD 4上。反射光經(jīng)第二路的匯聚透鏡2匯聚由空氣斜入射經(jīng)玻璃(容 器底表面)進入水，在空氣與玻璃界面點A處發(fā)生反射和折射，折射光在玻璃水界面點C 處反射和折射，點A、 C處的反射光各形成一橢圓形的激光斑點，成像透鏡3將該光斑成 像于CCD4上。折射光斜入射油膜下表面點B處，在油水界面處發(fā)生散射。調(diào)節(jié)匯聚透 鏡2的位置，使焦點位于被測油膜的下表面附近，在油膜下表面上的入射點B處也形成一6橢圓形的激光斑點，成像系統(tǒng)將該光斑成像于CCD上。采集兩路系統(tǒng)在CCD上的光斑像 點，如圖4所示。實驗所用的油為石油，第一路采集的圖像如圖4(1)所示，第二路采集的 圖像如圖4(2)所示。圖中a所示對應(yīng)空氣玻璃界面的像點，6所示對應(yīng)油水界面的像點，c 所示為玻璃水界面的像點(在圖1和圖2中未標出，若所選的樣品池材料的折射率與水/ 海水接近，則點A與點C重合)，s所示對應(yīng)油氣界面的像點，基準平面選在油層中的M 點，為虛擬的基準平面，是通過對實驗系統(tǒng)的標定獲得的。同時在測量過程中，固定兩個 測距系統(tǒng)相對空間位置保持不變； ③像位移測量
對采集到的光斑圖像采用形態(tài)濾波等濾波技術(shù)進行圖像處理，利用質(zhì)心法得到CCD 上像點的質(zhì)心坐標。圖4(1)采集的點S處的光斑的質(zhì)心坐標為(1896.9,1186.2)，預先標定 的基準平面點M處的光斑的質(zhì)心坐標為(1581.1,1127.6)。圖4(2)采集的光斑的質(zhì)心坐標點 B處為(941.1,1302.1)、點A處為(1669.3,1352.1)，點C處為(1511.1,1321.2)，標定點M處 的光斑的質(zhì)心坐標為(205.0，1159.3)。利用兩點之間的距離公式進而可得到上下兩個光斑像 點相對于基準點的像位移量分別/i廣2.3768mm和& = -^ = 10.9293mm-1.1928mm -4.2204mm =5.5162腿(% = & + Zj二 )。
數(shù)據(jù)處理
根據(jù)上步得到的光斑在CCD上相應(yīng)的位移/i ，數(shù)據(jù)處理模塊利用式J = M進行計算， 可得到油膜上下表面相對于點M的位移^和4，式中^ =(w-/^cosa/Z-ArA, 4 =A -" =K-H，其中，A =(a-/)cosW//，
Z2 = l& + O二 = (" — /W"!2 - "o2sin2 g/"。/ — (a - /)^/"32 -""in2^/^ 。通過標 定獲得成像系統(tǒng)的物距"="=508.38111111， a =44.24°， ^=44.45°， /=250mm，空氣折射 率"。=1，水的折射率為"「1.33,玻璃折射率為"3=1.5，計算得到圖4中的6/「1.7599mm， J2=1.4963mm，石油油膜厚度J=3.26mm。
權(quán)利要求
1、一種基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度測量方法，其特征在于該方法包括第一、選擇對稱的斜射式的雙激光三角測距系統(tǒng)，各激光三角測距系統(tǒng)包括激光器和匯聚透鏡組成的光源部分，以及由成像透鏡、探測器CCD或位置探測器PSD(PositionSensitive Detector)和數(shù)據(jù)采集與處理模塊組成的接收成像系統(tǒng)；第二、油膜厚度測量光路系統(tǒng)的設(shè)計，令第一路激光器發(fā)出的激光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚斜入射待測油膜上表面，在油膜上表面上的入射點處形成一橢圓形的激光斑點，接收成像系統(tǒng)將該光斑成像于CCD上；令第二路激光器發(fā)出的激光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚由空氣斜入射海水，在氣水界面處發(fā)生反射/散射和折射，折射光斜入射油膜下表面，在油膜下表面上的入射點處也形成一橢圓形的激光斑點，成像系統(tǒng)將該光斑成像于CCD上，并使上下兩個入射點對應(yīng)于被測油膜任一點垂直方向上的上下表面；基準平面設(shè)為虛擬的基準平面，其選取理論上可任意；第三、根據(jù)上述兩路系統(tǒng)在CCD上的光斑像點，確定上下這兩個光斑像點相對基準平面光斑像點的像位移量h1和第四、根據(jù)上步得到的光斑在CCD上相應(yīng)的位移h1和h2，數(shù)據(jù)采集處理模塊進行計算，可得到這一點上下兩個表面距離假定的基準平面的離面位移d1和d2；其中對第一光路系統(tǒng)d1＝k1h1，式中k1＝(u-f)·cosα/f，α是激光束光軸與被測面法線的夾角，u是成像系統(tǒng)的物距，f是成像透鏡的焦距；對第二光路系統(tǒng)式中a為成像系統(tǒng)的物距，θ1是激光束入射于空氣海水界面的入射角，n0為空氣折射率，n1為海水折射率；第五、根據(jù)上步得到兩個離面位移d1和d2，相減即可得到該點的油膜厚度d＝d1-d2。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于對于第一路光路系統(tǒng)，激光束光軸 與成像透鏡光軸之間的夾角為90° ， CCD與成像透鏡光軸垂直；對于第二路光路系統(tǒng)， 激光束光軸與成像透鏡光軸垂直，CCD與成像光軸所成的角度為90° 。
全文摘要
一種基于差分激光三角法的海面溢油油膜厚度測量方法。該方法采用雙激光三角測距系統(tǒng)，兩個激光器發(fā)出的激光束分別射向待測油膜任一垂直方向上的上下表面，根據(jù)像移大小和成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可同時得到這一上下兩個表面的離面位移，通過相減即可確定被測油膜厚度，通過多點采樣，可得到溢油區(qū)域的油膜厚度分布。這種非接觸測量方法具有原理簡單、測量方便、成本低、精度高、體積小等特點，可用于水溶液表面油膜厚度的動態(tài)在線測量。
文檔編號G01B11/06GK101532825SQ20091006862
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者呂且妮, 姚文達, 王向南, 王春誼, 葛寶臻, 魏耀林 申請人:天津大學