CN115451838B - 一种基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，包括：选择水面目标区域，采用小型高温黑体提供红外辐射源，采用扩束镜对红外辐射源进行扩束准直，采用红外光谱仪测量水面的红外辐射光谱并获取光谱数据；基于红外辐射光谱采集地点的地理位置信息、采集期间的相对湿度、气温、时间信息输入大气辐射传输模型计算对应的大气背景红外辐射光谱；基于小型高温黑体的黑体辐射、辐射面口径、扩束镜口径和透射率计算到达油膜的黑体入射辐射亮度；计算界面反射率、透射率、油膜水温；根据入射辐射亮度、界面反射率和透射率计算油膜透射光谱；根据吸收系数光谱和透射光谱计算油膜厚度。该方法有效提取薄油膜的红外吸收光谱信息，基于薄油膜在红外区的指纹光谱特性，可大幅度提薄油膜类型识别和厚度估算精度。
Description
技术领域
本发明涉及油膜厚度检测技术领域，尤其涉及一种基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法。
背景技术
随着石油开采和海上运输的发展，海上溢油事故日益增多频繁发生，对海洋环境造成严重破坏。石油泄漏含有对人体具有高度毒性的芳香烃，也可以吸附在表面上破坏了海岸线，破坏了当地的生态环境。获取油膜分布、厚度、种类信息对于及时采取行动减少环境和生态污染至关重要。
目前。常用的溢油监测技术包括微波遥感、光学遥感和激光荧光技术。微波遥感由于其全天工作的特点，在溢油探测中得到了广泛的应用以及全天候能力。然而，微波遥容易受海况条件和油厚度的影响。激光荧光比较适合于近距离监测油膜。随着光电探测器技术的发展，高光谱遥感逐渐应用到海上溢油监测中，高光谱遥感可获得油膜的精细反射光谱。然而，高光谱会受到其他背景信息的干扰，尤其是薄油膜的情况下，极易水下反射太阳光信号影响。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，该方法基于小型高温黑体、扩束镜和红外光谱仪进行油膜厚度检测，包括：
选择水面目标区域，采用小型高温黑体提供红外辐射源，采用扩束镜对红外辐射源进行扩束准直，采用红外光谱仪测量水面的红外辐射光谱并获取光谱数据；
基于红外辐射光谱采集地点的地理位置信息、采集期间的相对湿度、气温、时间信息输入大气辐射传输模型计算对应的大气背景红外辐射光谱；
基于小型高温黑体的黑体辐射、辐射面口径、扩束镜口径和透射率计算到达油膜的黑体入射辐射亮度；
计算界面反射率、透射率、油膜水温；
根据入射辐射亮度、界面反射率和透射率计算油膜透射光谱；
根据吸收系数光谱和透射光谱计算油膜厚度。
根据小型高温黑体的温度数据采用普朗克公式计算小型高温黑体的黑体辐射B，采用如下公式计算到达油膜的黑体入射辐射亮度：
其中，Lbb为入射辐射亮度，φ和φ2分别为小型高温黑体辐射面口径和扩束镜口径，λk为红外光谱数据第k个通道的中心波长，k＝1,2,3,...,Nk；Nk为通道数量。
根据油膜折射率n1、水折射率n2和入射角信息，采用菲涅尔反射定律计算气-油界面透射率T01、油-气界面透过率T10、气-油界面反射率R01、油-水界面反射率R12和水-油界面透射率T12。
根据红外光谱数据中10μm附近的通道数值，采用普朗克函数反求温度值，将该温度值作为油膜水温。
根据入射辐射亮度、界面反射率和透射率采用如下公式计算油膜透射光谱：
其中，t为油膜透射光谱；B(·)为普朗克函数。
对油膜透射光谱进行连续统去除处理，得到归一化的透射光谱采用极值法从透射光谱/>中提取吸收波长，形成吸收波长集合Λ＝{λ1,λ2,...,λi,...,λNi}，其中Ni为吸收波长的数量，将吸收波长集合与光谱库对比确定油膜类型，并从光谱库中提取该类型油膜的吸收系数光谱α*。
根据吸收系数光谱和透射光谱计算油膜厚度方法为
其中，为油膜厚度，Ni为吸收波长的数量，α*是油膜的吸收系数光谱，θ是入射角，为归一化的透射光谱，λi是第i个吸收波长。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，该方法通过小型高温黑体的辐射照射，可以实现无损、有效提取薄油膜的红外吸收光谱信息，基于薄油膜在红外区的指纹光谱特性，可大幅度提薄油膜类型识别和厚度估算精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法原理说明图。
1、小型高温黑体2、扩束镜，3、红外光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1和图2所示，本发明公开的方法需要借助搭建的基于红外光谱的薄油膜厚度检测***来实现，该***包括小型高温黑体1、扩束镜2和红外光谱仪3。小型高温黑体1的温度范围为300℃-800℃，质量在1kg以内，功率10W以内；扩束镜2的光学性能与小型高温黑体的出光口径相适应，扩束镜2为可透过红外辐射的材质；
红外光谱仪3为成像光谱仪或非成像光谱仪，光谱范围覆盖红外3-5μm和7-13μm，光谱分辨率优于波长的百分之一；小型高温黑体1和红红外光谱仪3以一定的入射角(θ)和观测角安装，入射角和观测角在10-56°之间，入射角等于观测角，红外光谱仪3和红外光谱仪3处于同一观测平面内。
根据搭建的基于红外光谱的薄油膜厚度检测***进行数据采集和数据处理，主要步骤如下：
S1:选择目标区域，安装与设置薄油膜厚度检测***。选定需要检测的区域后，分别将***各部件按照它们之间的方位关系进行安装；
S2:用薄油膜厚度检测***测量目标区域，获得红外光谱数据。小型黑体温度的设置随水温的升高而升高，红外光谱仪每次采集数据不少于10组数据，将10组数据平均最为分析的光谱数据；
S3:大气辐射传输参数计算。将与红外光谱数据采集时间对应的相对湿度、气温、地理位置、时间输入MODTRAN大气辐射传输模型，通过大气辐射传输模型计算对应的大气背景红外辐射光谱(La)；
S4:油膜吸收光谱计算。根据小型高温黑体温度，用普朗克公式计算小型高温黑体的黑体辐射(B)。结合小型高温黑体辐射面口径、扩束镜口径和透射率，计算到达油膜的入射辐射亮度
其中，Lbb为入射辐射亮度；φ和φ2分别为小型高温黑体辐射面口径和扩束镜口径；λk为红外光谱数据第k个通道的中心波长，k＝1,2,3,...,Nk；Nk为通道数量。
S5:界面反射率和透射率计算。根据油膜折射率(n1)和水折射率(n2)，入射角、用菲涅尔反射定律计算气-油界面透射率T01、油-气界面透过率T10、气-油界面反射率R01、油-水界面反射率R12、水-油界面透射率T12。
S6:计算油膜和水温：根据红外光谱数据中10μm附近的通道数值，采用普朗克函数反求温度，作为油膜和水温的温度Ts；
S7:谱计算油膜透射光：根据入射辐射亮度、界面反射率和透射率计算油膜透射光谱，计算方法为
其中，t为油膜透射光谱；B(·)为普朗克函数；
S8:油膜类型识别与厚度计算。对油膜透射光谱进行连续统去除处理，得到归一化的透射光谱采用极值法从/>中提取吸收波长，形成吸收波长集合Λ＝{λ1,λ2,...,λi,...,λNi}，Ni为吸收波长的数量。将吸收波长集合与光谱库对比确定油膜类型，并从光谱库中提取该类型油膜的吸收系数光谱α*。根据吸收系数光谱和透射光谱计算油膜厚度。计算方法为
其中，为油膜厚度，Ni为吸收波长的数量，α*是油膜的吸收系数光谱，θ是入射角，为归一化的透射光谱，λi是第i个吸收波长。
该方法有效提取薄油膜的红外吸收光谱信息，基于薄油膜在红外区的指纹光谱特性，可大幅度提薄油膜类型识别和厚度估算精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，其特征在于：该方法基于小型高温黑体(1)、扩束镜(2)和红外光谱仪(3)进行油膜厚度检测，包括：
选择水面目标区域，采用小型高温黑体(1)提供红外辐射源，采用扩束镜(2)对红外辐射源进行扩束准直，采用红外光谱仪(3)测量水面的红外辐射光谱并获取光谱数据；
基于红外辐射光谱采集地点的地理位置信息、采集期间的相对湿度、气温、时间信息输入大气辐射传输模型计算对应的大气背景红外辐射光谱；
基于小型高温黑体(1)的黑体辐射、辐射面口径、扩束镜口径和透射率计算到达油膜的黑体入射辐射亮度；
计算界面反射率、透射率、油膜水温；
根据入射辐射亮度、界面反射率和透射率计算油膜透射光谱；
根据吸收系数光谱和透射光谱计算油膜厚度。
2.根据权利要求1所述的基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，其特征在于：根据小型高温黑体(1)的温度数据采用普朗克公式计算小型高温黑体的黑体辐射B，采用如下公式计算到达油膜的黑体入射辐射亮度：
其中，Lbb为入射辐射亮度，φ1和φ2分别为小型高温黑体辐射面口径和扩束镜口径，λk为红外光谱数据第k个通道的中心波长，k＝1,2,3,...,Nk；Nk为通道数量。
3.根据权利要求1所述的基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，其特征在于：根据油膜折射率n1、水折射率n2和入射角信息，采用菲涅尔反射定律计算气-油界面透射率T01、油-气界面透过率T10、气-油界面反射率R01、油-水界面反射率R12和水-油界面透射率T12。
4.根据权利要求1所述的基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，其特征在于：根据红外光谱数据中10μm附近的通道数值，采用普朗克函数反求温度值，将该温度值作为油膜水温。
5.根据权利要求1所述的基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，其特征在于：根据入射辐射亮度、界面反射率和透射率采用如下公式计算油膜透射光谱：
其中，t为油膜透射光谱；B(·)为普朗克函数。
6.根据权利要求5所述的基于红外光谱的薄油膜厚度检测方法，其特征在于；对油膜透射光谱进行连续统去除处理，得到归一化的透射光谱采用极值法从透射光谱/>中提取吸收波长，形成吸收波长集合/>其中Ni为吸收波长的数量，将吸收波长集合与光谱库对比确定油膜类型，并从光谱库中提取该类型油膜的吸收系数光谱α*，
根据吸收系数光谱和透射光谱计算油膜厚度方法为
其中，为油膜厚度，Ni为吸收波长的数量，α*是油膜的吸收系数光谱，θ是入射角，/>为归一化的透射光谱，λi是第i个吸收波长。
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