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差分偏振FTIR光譜法探測水面溢油污染

文檔作者：袁越明，熊偉，方勇華，蘭天鴿，李大成文檔來源：中國科學院安徽光學精密機械研究所中國科學院通用光學定標與表征技術(shù)重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月10日
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第30卷，第8期2 0 1 0年8月光譜學與光譜分析Spectroscopy and Spectral AnalysisV01．30，No．8，pp2129—2132August，2010差分偏振FTIR光譜法探測水面溢油污染袁越明，熊 偉，方勇華，蘭天鴿，李大成中國科學院安徽光學精密機械研究所，中國科學院通用光學定標與表征技術(shù)重點實驗室，安徽合肥230031摘要傳統(tǒng)熱紅外遙感探測水面溢油污染時需要大面積潔凈水域與污染水域進行輻射對比，并且通過紅外影像無法鑒別溢油種類。為r能夠及時了解某一水域的溢油污染程度以及溢油的種類，文章提出了差分偏振FTIR光譜法探測水面溢油污染。該方法通過獲取分析目標在水平和垂直兩個偏振方向的偏振強度差譜對目標實現(xiàn)探測，具有很好的時效性。文章分析r差分偏振FTIR光譜探測的輻射傳輸模型，并在室外對水面0號柴油油膜和SF96油膜進行了差分偏振FTm光譜探測實驗。實驗結(jié)果表明該方法不需要大面積潔凈水域進行輻射對比即町直接對水面溢油污染物進行探測，并且通過分析差分偏振FTIR光譜中的光譜特征可以識別水面溢油的種類。該方法彌補r傳統(tǒng)熱紅外遙感探測水面溢油污染的局限性。關(guān)鍵詞紅外遙感；差分偏振；溢油污染；FT取中圖分類號：0436．3；TN219 文獻標識碼：A DOI：10．3964／j．issrL 1000-0593{2010)08—2129—04引 言海上溢油是造成海洋環(huán)境污染損害的主要閡素之一。發(fā)生溢油后，及時了解掌握海面溢油的位置、溢油種類、污染程度以及擴散趨勢是海洋環(huán)境治理保護的首要工作。傳統(tǒng)熱紅外遙感通過比較水面油層和背景海水之間的溫度差異來探測海面溢油L1]。因此需要大面積潔凈水域與污染水域進行輻射對比，且通過紅外影像尤法鑒別溢油種類。熱紅外偏振探測作為一種新興的遙感手段，相比傳統(tǒng)熱紅外遙感，除了能夠獲得目標的電磁強度特征以外，還能獲取與目標材質(zhì)及表面狀態(tài)等本身特性有關(guān)的偏振信息，因此更加有益于目標的識別[2’3]。國外將熱紅外偏振探測應用于水面目標探測方面已經(jīng)開展了許多研究工作。Joseph通過研究發(fā)現(xiàn)自然背景中只有水體的紅外偏振特性比較明顯[41]。Alfred研究結(jié)果表明海上目標與海洋背景在紅外偏振特性上存在顯著差異[7]。Theriault提出差分偏振遙感方法，通過理論模擬證明低反射率表面的液體膜狀或液滴狀污染物可以通過差分偏振光譜探測法有效地加以識別[8J。上述研究成果表明，紅外偏振遙感在水面目標探測識別E具有潛在的優(yōu)勢，但目前國際上：對熱紅外偏振遙感水面溢油污染方面的研究還沒有公開發(fā)表的文獻報道。本文結(jié)合傳統(tǒng)的FTIR被動遙感技術(shù)，提出了差分偏振Fr珉光譜遙感水面溢油的方法，并在室外對水面0號柴油油膜和SF96油膜進行了差分偏振FTIR光譜探測實驗，結(jié)果表明該方法不需要大面積潔凈水域進行輻射對比，即町對水面油污染物進行探測，并且可以通過分析差分偏振FTIR光譜的光譜特征來識別水面溢油種類，彌補了傳統(tǒng)熱紅外遙感探測水面溢油污染的局限性。1差分偏振FTIR光譜測量原理1．1被動F11R遙感探測原理被動FTIR遙感探測是基于探測口標與背景之間的溫度差異實現(xiàn)的。當探測目標的溫度高于背景的溫度時，探測器探測到的是目標的發(fā)射譜；當探測目標的溫度低于背景溫度時，探測器探測到的是目標的吸收譜。由于水面油膜Lj背景水相接觸，溫差AT-≈O。但是如果有一個外加輻射源與水面油污染物表面存在較大的溫差，那么通過測量該輻射源輻射的能黿經(jīng)油膜表面反射后的反射譜，仍有可能探測到水面油膜的信息。在室外實驗，天窄輻射與污染物表面存在較大的溫度差，因此為水而油膜探測提供了可能。1．2差分偏振探測輻射傳輸模型圖1為室外差分偏振FTIR光譜法探測水面油膜時的輻射傳輸模型。其中s偏振方向定義為垂直探測器觀測平面的電場振動方向，即為o。偏振方向；P偏振方向定義為平行探測器jl!lI測平面的電場振動方向，即為90。偏振方向。假定油膜表面發(fā)生的反射為鏡面反射。則探測器以某一觀測角0觀收稿日期：2009—09—18．修訂日期：2009—12—22基金項目：中國科學院知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿項目資助作者簡介：袁越明，1983年生，中國科學院安徽光學精密機械研究所博士生 e-mail：billion_y,A孕hotmail．coin萬方數(shù)據(jù)2130 光譜學與光譜分析 第30卷測水面油膜時，油膜表面的反射率為R盛，透過率為勰。以天頂角口入射到油膜表面的天空輻射為L sky。由于油膜與水面相接觸，假定溫差AT～-0，故令油膜表面溫度1、對應的黑體輻亮度為B，可由普朗克公式計算而得 B一號燁 (1)eL 1，一1其中，波數(shù)v的單位為crrl～，B的單位為W·C'ITI-2·sr叫·crn～。SenS0rt39,1 Radiance model of differentialpolarization FHR spectrometry由圖l可見，當水足夠深時，油膜和水可以看成一個不透光的整體[9|。此時如&amp;amp;≈o，探測器探測到的能饋由兩部分組成：天空輻射在油膜表面的反射能量LskyR瑞，以及水體和油膜沿觀測方向的自身輻射的能量B(1一R黧。)。將兩部分能量求和，即可得到探測器在s和P偏振方向上探到的能量嵫。一Lsk，R蕊+B(1一RJ。,p，) (2)令s和P偏振方向上的偏振強度分別為L‰和L‰。，則差分偏振光譜町定義為兩個偏振方向E的輻射改變量△LpoI=L笛。一L‰。一(R鹽。一R‰。)(L曲一B) (3)由(3)式可見差分偏振光譜由兩部分乘積組成，其中(如。一R‰．)為油膜表面兩個偏振方向七的反射率差值，包涵r所探測幾標的特征信息。(L。ky—B)中雖然不含目標的特征信息，但是輻射改變鼉證比于(Lsky--B)，因此增大(L蛔--B)的差值，可以提高目標特征信息的探測對比度。當云層較厚時，其輻射特性更接近于黑體輻射特性，且海拔越低的云層其溫度越接近于地表溫度【I…，從而IL。kv一引減小導致Fj標特征的探測對比度降低。晴朗無云的天氣應有較好的探測效果。2實驗及結(jié)果分析2．1差分偏振F11R光譜探測系統(tǒng)差分偏振FTIR光蹭探測系統(tǒng)是由光譜采集和偏振信息提取兩部分組成。光譜采集部分采用BRUKE公司的FTIR紅外光譜儀()PAG33，其探測器工作波段范圍是600～l 300ClTI～，最高光譜分辨率為1 c1T1_。。偏振信息提取部分是由THROLABS公司的ZnSe金屬線柵偏振片實現(xiàn)的，消光比在600～1 300 cITI-1波段達到300以上。偏振片裝卡在調(diào)整架上，調(diào)欄架與光譜儀之問螺紋連接，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整架上的套筒，可以在o。～360。范圍內(nèi)改變偏振方向。2．2實驗樣品實驗中選用0號柴油和SF96(二甲基硅油)作為水面油污染物探測目標。0號柴油和SF96在600～1 300咖1波段．卜的吸收譜如圖2所示。0號柴油吸收譜在700～800鋤叫之間有吸收峰，810 crIl。1處有較細吸收蜂。SF96的吸收譜在800，1 016，1 096和1 260 cm 1處有吸收峰。U譬磊七盆o《600 700 800 900 l 000 l 100 1 200 1 300wave numbedcm1600 700 800 900 1 000 l 100 l 200 I 300Wave numbedcm№2 Absorbance spectra of N仉0diesel(a)and SD6(b)2．3實驗方法及結(jié)果分析在竄外對水面柴油和SF96油膜進行差分偏振光譜實驗，天空晴朗，室外溫度為10℃。在兩個36 cmX27 cin的水槽中倒?jié)M潔凈水，在潔凈水面上分別倒入5 mL 0號柴油和SF96并攪拌均勻。調(diào)整裝卡有偏振片的光譜儀，使其以55。天頂角觀測水面油膜。設置光譜儀測鍍波段范圍600～1 300 ClTI，光譜分辨率為4 CITI‘。，光譜掃描平均次數(shù)為10次。分別測節(jié)水面0號柴油油膜和水面SF96油膜在s和P偏振方向E的偏振強度光譜，并根據(jù)(3)式計算差分偏振FTIR光譜。水面0號柴油和水面SF96油膜的差分偏振FT一限光譜如圖3所示。對比圖2(a)和圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，水面0號柴油的差分偏振FTIR光譜中存在柴油的光譜特征，且特征峰的方向與柴油吸收光譜巾特征峰的方向栩反。700～800 cm 1處柴油特征和810 crn 1處的特征峰都很明顯，但是相比柴油吸收譜中相應波數(shù)處的特征都略微向長波方向移動。在柴油差分偏振FTIR光譜中，1 050 crn 1處臭氧的特征也很明濕，這主要來自于被油膜表面反射的天牽背景輻射部分。對比圖2(b)和圖3(b)同樣可以發(fā)現(xiàn)，水面SF96的差分偏振FTIR光譜中存在SF96的光譜特征，且特征峰的方向與sF96吸收光譜中特坦¨m∞腮們∞OOOOOO0加呲％¨眥oQ3u矗qJo的D《萬方數(shù)據(jù)第8期 光譜學與光譜分析 2131征峰的方向相同。800，1 016和1 096 crll一處SF96的特征峰清晰可見，1 260 cnll處的特征峰比較弱。為r討論水面0號柴油和水面SF96差分偏振光譜中特征峰方向不同的現(xiàn)象，本研究中將兩種樣晶的差分偏振光譜與其各自的復折射率相比較。其中，0號柴油的復折射率是用其衰減全反射譜(ATR)求得，具體方法町參照Bertie關(guān)于純凈液體光學常數(shù)的計算方法【l“。SF96的復折射率參考Kristan研究中給出的數(shù)據(jù)[1“。圖4為通過上述方法得到的0號柴油和SF96的復折射率實部和虛部。其中復折射率的實都為介質(zhì)的折射率，表征電磁波在介質(zhì)中傳播的相位速度，與不同介質(zhì)分界面上發(fā)生的反射、折射有關(guān)。而虛部則為介質(zhì)的消光系數(shù)。表征電磁波在介質(zhì)中傳播的吸收損失，與介質(zhì)自身的吸收特性有關(guān)。通過比較發(fā)現(xiàn)，水面0號柴油的差分偏振FTIR光譜與0號名三=g《2·22．0要1·8壹¨要1．41．21．O柴油的折射率譜特征峰方向相同，而水面SF96的差分偏振FTIR光譜與SF96的消光系數(shù)譜特征峰力．向相同，且將0號柴油的折射率譜與其吸收譜相比較，也存在700～800 LTn-1處的特征峰略微向長波方向移動的現(xiàn)象。比較罔4(b)和圖4(d)，發(fā)現(xiàn)sF96在特征峰位置消光系數(shù)較0號柴油要高一個數(shù)毓級。由于實驗中每一個偏振方向測得的偏振強度譜中同時包含水面油膜與水體的自身輻射能甚和天空背景輻射在油膜表面的反射能培。因此可以推斷，當水面油膜為強吸收介質(zhì)時，其差分偏振FTIR光譜顯輻射吸收特性；而當水面油膜為弱吸收介質(zhì)時，其差分偏振F”FIR光譜顯反射特性。這種現(xiàn)象是否在各種吸收程度的油品中普遍存在，還需要在今后研究中測碴多種不同吸收程度的水面油膜介質(zhì)的差分偏振FTIR光譜來驗證。0．003 OO600 800 1 000 l 200 l 400Wave number／cm—oF’嬉3 Differential polarization FllR s]暇2tra of No．0 diesel(a)and SF96(b)600 700 800 900 l 000 1100 l 200 l 300Wave number／era一1600 700 800 900 1 000 l 100 l 200 l 3∞Wave number／on一1800 900 1 000 I 100 l 200 1 300 800 900 1 000 I 100 1 200 1 300Wave number／era— Wave number／era’1№4 Real index n of No．0 diesel(a)；imaginary index七of No．0 diesel(b)；real index療of SF96(c)；knaginary index k of SF96(d)OO1‘l∞∞O0o日暑lI厶暑《犧伽塒伽仍啪!搴枷口】c等口11日若O8642O1000OO)I一等量^旨量磬互萬方數(shù)據(jù)2132 光譜學與光譜分析 第30卷另外，水面0號柴油的差分偏振FTIR光譜中，在1 050ClTll處可以看到明顯的臭氧特征，它主要來自于被油膜表面反射的天空背景輻射部分。在(3)式中，該特征包含于(La,--B)中。然而，在水面SF96的差分偏振Fr瓜光譜中，在i 050 eln“處卻看不到明顯的臭氧特征。產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能是因為SF96的籌分偏振FTIR光譜在1 016和l 096 crn-1處有較強的光譜特征，因此SF96的差分偏振盯取光譜在1 016和1 096 cm_1之問存在一定的光譜起伏，從而導致l 050 am'1處的臭氧特征不明顯。3結(jié)論本文提出了差分偏振FTIR光譜探測水面溢油的遙感方法，分析了差分偏振FTIR光譜探測的輻射傳輸模瓔，并在室外用該方法對水面0號柴油和SF96油膜進行了探測。實驗結(jié)果表明，該方法可以對油污染水面進行直接探測，并且通過分析差分偏振FTIR光譜中的光譜特征可以鑒別油污染物的種類，解決_r傳統(tǒng)熱紅外遙感探測水面溢油時需要大面積潔凈水域進行輻射對比，且從紅外影像中無法鑒別溢油種類的局限性的問題。但是差分偏振FTIR光譜中特征峰的方向是否與介質(zhì)的吸收強弱有關(guān)還需要在今后研究中測蟹多種不舊吸收程度的水面油膜介質(zhì)的差分偏振FTIR光譜來驗證。另外本文中只采用55。天頂角進行觀測，在今后研究中還需對水面油膜進行多角度探測，對觀測角的選擇進行優(yōu)化。參 考 文 獻[1]I，I Si-hai(李四海)．Remote Sensing Information(遙感信息)，2004，(2)：53．[2]Scott J Tyo，Dennis I，Goldstein，David BChenault，et aL Applied Optics，2006，55(22)：5453．[3]HAH Yang，ZHAO Yun-sheng，ZHAO Nai-zhuo，et al(韓陽，趙云生，趙乃卓，等)．Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學與光譜分析)，2009，29(3)：702．[4]Joseph A Shaw．Applied Optics，1999，38(15)：3157．[5]Joseph A Shaw．Applied Optics，2001，40(33)：5985．[6]Joseph A Shaw．Proo SPIE，2002。4819：129．[7]Alfred W Cooper，William J Lentz，Phillip I。Walker．Proc．SPIE，1996，2828：85．[8]Theriauh J M，Taurand G，Bouffard F，et a1．DRDC Valcartier，2008 ISSSR 23．I-9]shih w C，Andrews A Optics Express，2008。16(14)：10535．[10]Eriksson T S，Granqvist CG．Applied Optics，1982，21(23)：4381．[11]John E Bertie。Zhang Shuliang L，Dale CKeefe．Vibrational Spectroscopy。1995，8：215．E123 Kristan PGurton，David Ligon，Rachid Dahmani，et a1．U．&amp;amp;Army Research Laboratory，ARL-TR-3071，September 2003．Detection of Oil Spills on Water by Differential Polarization FTIRSpectrometryYUAN Yue-ming，XIONG Wei，F(xiàn)ANG Yong-hua，LAN Tian-ge，LI Da-chengKey Laboratory of Optical Calibration and Characterization，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics。Chinese Academy ofSciences，Herei 230031，ChinaAbstract Detection of oil spills on water。by traditional thermal remote sensing．iS based on the radiance contrast between thelarge area of clean water and the polluted area of water．And the categories of oil spills can not be identified by analysing thethermal infrared image．In order to find out the extent of pollution and identify the oil contaminants，an approach to the passivedetection of oil spills on water by differential polarization FTIR spectrometry is proposed．This approach can detect the contami—nants by obtaining and analysing the subtracted spectrum of horizontal and vertical polarization intensity spectrtml．In the presentarticle。the radiance model of differential polarization FTIR spectrometry is analysed。and an experiment about detection of No．0diesel and SF96 fiIm on water by this method is presented．The results of this experiment indicate that this method can detect theoil contaminants on water without radiance contrast with clean water，and it also can identify oil spills by analysing the spectralcha【racteristic of differential polarization FTIR spectrum．So it well makes up for the shortage of traditional thermal remote sans—ing on detecting oil spills on water．Keywords Infrared remote sensing；Differential polarization；Oil spill；FTIR(Received Sep．18，2009；accepted Dec．22，2009)

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