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差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染

文档作者：袁越明，熊伟，方勇华，兰天鸽，李大成文档来源：中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室		点击数：	更新时间： 2025年05月10日
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第30卷，第8期2 0 1 0年8月光谱学与光谱分析Spectroscopy and Spectral AnalysisV01．30，No．8，pp2129—2132August，2010差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染袁越明，熊 伟，方勇华，兰天鸽，李大成中国科学院安徽光学精密机械研究所，中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽合肥230031摘要传统热红外遥感探测水面溢油污染时需要大面积洁净水域与污染水域进行辐射对比，并且通过红外影像无法鉴别溢油种类。为r能够及时了解某一水域的溢油污染程度以及溢油的种类，文章提出了差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染。该方法通过获取分析目标在水平和垂直两个偏振方向的偏振强度差谱对目标实现探测，具有很好的时效性。文章分析r差分偏振FTIR光谱探测的辐射传输模型，并在室外对水面0号柴油油膜和SF96油膜进行了差分偏振FTm光谱探测实验。实验结果表明该方法不需要大面积洁净水域进行辐射对比即町直接对水面溢油污染物进行探测，并且通过分析差分偏振FTIR光谱中的光谱特征可以识别水面溢油的种类。该方法弥补r传统热红外遥感探测水面溢油污染的局限性。关键词红外遥感；差分偏振；溢油污染；FT取中图分类号：0436．3；TN219 文献标识码：A DOI：10．3964／j．issrL 1000-0593{2010)08—2129—04引 言海上溢油是造成海洋环境污染损害的主要阂素之一。发生溢油后，及时了解掌握海面溢油的位置、溢油种类、污染程度以及扩散趋势是海洋环境治理保护的首要工作。传统热红外遥感通过比较水面油层和背景海水之间的温度差异来探测海面溢油L1]。因此需要大面积洁净水域与污染水域进行辐射对比，且通过红外影像尤法鉴别溢油种类。热红外偏振探测作为一种新兴的遥感手段，相比传统热红外遥感，除了能够获得目标的电磁强度特征以外，还能获取与目标材质及表面状态等本身特性有关的偏振信息，因此更加有益于目标的识别[2’3]。国外将热红外偏振探测应用于水面目标探测方面已经开展了许多研究工作。Joseph通过研究发现自然背景中只有水体的红外偏振特性比较明显[41]。Alfred研究结果表明海上目标与海洋背景在红外偏振特性上存在显著差异[7]。Theriault提出差分偏振遥感方法，通过理论模拟证明低反射率表面的液体膜状或液滴状污染物可以通过差分偏振光谱探测法有效地加以识别[8J。上述研究成果表明，红外偏振遥感在水面目标探测识别E具有潜在的优势，但目前国际上：对热红外偏振遥感水面溢油污染方面的研究还没有公开发表的文献报道。本文结合传统的FTIR被动遥感技术，提出了差分偏振Fr珉光谱遥感水面溢油的方法，并在室外对水面0号柴油油膜和SF96油膜进行了差分偏振FTIR光谱探测实验，结果表明该方法不需要大面积洁净水域进行辐射对比，即町对水面油污染物进行探测，并且可以通过分析差分偏振FTIR光谱的光谱特征来识别水面溢油种类，弥补了传统热红外遥感探测水面溢油污染的局限性。1差分偏振FTIR光谱测量原理1．1被动F11R遥感探测原理被动FTIR遥感探测是基于探测口标与背景之间的温度差异实现的。当探测目标的温度高于背景的温度时，探测器探测到的是目标的发射谱；当探测目标的温度低于背景温度时，探测器探测到的是目标的吸收谱。由于水面油膜Lj背景水相接触，温差AT-≈O。但是如果有一个外加辐射源与水面油污染物表面存在较大的温差，那么通过测量该辐射源辐射的能鼋经油膜表面反射后的反射谱，仍有可能探测到水面油膜的信息。在室外实验，天窄辐射与污染物表面存在较大的温度差，因此为水而油膜探测提供了可能。1．2差分偏振探测辐射传输模型图1为室外差分偏振FTIR光谱法探测水面油膜时的辐射传输模型。其中s偏振方向定义为垂直探测器观测平面的电场振动方向，即为o。偏振方向；P偏振方向定义为平行探测器jl!lI测平面的电场振动方向，即为90。偏振方向。假定油膜表面发生的反射为镜面反射。则探测器以某一观测角0观收稿日期：2009—09—18．修订日期：2009—12—22基金项目：中国科学院betway必威官方网站
创新工程青年人才领域前沿项目资助作者简介：袁越明，1983年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所博士生 e-mail：billion_y,A孕hotmail．coin万方数据2130 光谱学与光谱分析 第30卷测水面油膜时，油膜表面的反射率为R盛，透过率为勰。以天顶角口入射到油膜表面的天空辐射为L sky。由于油膜与水面相接触，假定温差AT～-0，故令油膜表面温度1、对应的黑体辐亮度为B，可由普朗克公式计算而得 B一号烨 (1)eL 1，一1其中，波数v的单位为crrl～，B的单位为W·C'ITI-2·sr叫·crn～。SenS0rt39,1 Radiance model of differentialpolarization FHR spectrometry由图l可见，当水足够深时，油膜和水可以看成一个不透光的整体[9|。此时如&amp;amp;≈o，探测器探测到的能馈由两部分组成：天空辐射在油膜表面的反射能量LskyR瑞，以及水体和油膜沿观测方向的自身辐射的能量B(1一R黧。)。将两部分能量求和，即可得到探测器在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偏振方向上的偏振强度分别为L‰和L‰。，则差分偏振光谱町定义为两个偏振方向E的辐射改变量△LpoI=L笛。一L‰。一(R盐。一R‰。)(L曲一B) (3)由(3)式可见差分偏振光谱由两部分乘积组成，其中(如。一R‰．)为油膜表面两个偏振方向七的反射率差值，包涵r所探测几标的特征信息。(L。ky—B)中虽然不含目标的特征信息，但是辐射改变鼍证比于(Lsky--B)，因此增大(L蛔--B)的差值，可以提高目标特征信息的探测对比度。当云层较厚时，其辐射特性更接近于黑体辐射特性，且海拔越低的云层其温度越接近于地表温度【I…，从而IL。kv一引减小导致Fj标特征的探测对比度降低。晴朗无云的天气应有较好的探测效果。2实验及结果分析2．1差分偏振F11R光谱探测系统差分偏振FTIR光蹭探测系统是由光谱采集和偏振信息提取两部分组成。光谱采集部分采用BRUKE公司的FTIR红外光谱仪()PAG33，其探测器工作波段范围是600～l 300ClTI～，最高光谱分辨率为1 c1T1_。。偏振信息提取部分是由THROLABS公司的ZnSe金属线栅偏振片实现的，消光比在600～1 300 cITI-1波段达到300以上。偏振片装卡在调整架上，调栏架与光谱仪之问螺纹连接，通过旋转调整架上的套筒，可以在o。～360。范围内改变偏振方向。2．2实验样品实验中选用0号柴油和SF96(二甲基硅油)作为水面油污染物探测目标。0号柴油和SF96在600～1 300咖1波段．卜的吸收谱如图2所示。0号柴油吸收谱在700～800锄叫之间有吸收峰，810 crIl。1处有较细吸收蜂。SF96的吸收谱在800，1 016，1 096和1 260 cm 1处有吸收峰。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实验方法及结果分析在窜外对水面柴油和SF96油膜进行差分偏振光谱实验，天空晴朗，室外温度为10℃。在两个36 cmX27 cin的水槽中倒满洁净水，在洁净水面上分别倒入5 mL 0号柴油和SF96并搅拌均匀。调整装卡有偏振片的光谱仪，使其以55。天顶角观测水面油膜。设置光谱仪测镀波段范围600～1 300 ClTI，光谱分辨率为4 CITI‘。，光谱扫描平均次数为10次。分别测节水面0号柴油油膜和水面SF96油膜在s和P偏振方向E的偏振强度光谱，并根据(3)式计算差分偏振FTIR光谱。水面0号柴油和水面SF96油膜的差分偏振FT一限光谱如图3所示。对比图2(a)和图3(a)可以发现，水面0号柴油的差分偏振FTIR光谱中存在柴油的光谱特征，且特征峰的方向与柴油吸收光谱巾特征峰的方向栩反。700～800 cm 1处柴油特征和810 crn 1处的特征峰都很明显，但是相比柴油吸收谱中相应波数处的特征都略微向长波方向移动。在柴油差分偏振FTIR光谱中，1 050 crn 1处臭氧的特征也很明湿，这主要来自于被油膜表面反射的天牵背景辐射部分。对比图2(b)和图3(b)同样可以发现，水面SF96的差分偏振FTIR光谱中存在SF96的光谱特征，且特征峰的方向与sF96吸收光谱中特坦¨m∞腮们∞OOOOOO0加呲％¨眦oQ3u矗qJo的D《万方数据第8期 光谱学与光谱分析 2131征峰的方向相同。800，1 016和1 096 crll一处SF96的特征峰清晰可见，1 260 cnll处的特征峰比较弱。为r讨论水面0号柴油和水面SF96差分偏振光谱中特征峰方向不同的现象，本研究中将两种样晶的差分偏振光谱与其各自的复折射率相比较。其中，0号柴油的复折射率是用其衰减全反射谱(ATR)求得，具体方法町参照Bertie关于纯净液体光学常数的计算方法【l“。SF96的复折射率参考Kristan研究中给出的数据[1“。图4为通过上述方法得到的0号柴油和SF96的复折射率实部和虚部。其中复折射率的实都为介质的折射率，表征电磁波在介质中传播的相位速度，与不同介质分界面上发生的反射、折射有关。而虚部则为介质的消光系数。表征电磁波在介质中传播的吸收损失，与介质自身的吸收特性有关。通过比较发现，水面0号柴油的差分偏振FTIR光谱与0号名三=g《2·22．0要1·8壹¨要1．41．21．O柴油的折射率谱特征峰方向相同，而水面SF96的差分偏振FTIR光谱与SF96的消光系数谱特征峰力．向相同，且将0号柴油的折射率谱与其吸收谱相比较，也存在700～800 LTn-1处的特征峰略微向长波方向移动的现象。比较罔4(b)和图4(d)，发现sF96在特征峰位置消光系数较0号柴油要高一个数毓级。由于实验中每一个偏振方向测得的偏振强度谱中同时包含水面油膜与水体的自身辐射能甚和天空背景辐射在油膜表面的反射能培。因此可以推断，当水面油膜为强吸收介质时，其差分偏振FTIR光谱显辐射吸收特性；而当水面油膜为弱吸收介质时，其差分偏振F”FIR光谱显反射特性。这种现象是否在各种吸收程度的油品中普遍存在，还需要在今后研究中测碴多种不同吸收程度的水面油膜介质的差分偏振FTIR光谱来验证。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疗of SF96(c)；knaginary index k of SF96(d)OO1‘l∞∞O0o日暑lI厶暑《牺伽埘伽仍啪!搴枷口】c等口11日若O8642O1000OO)I一等量^旨量磬互万方数据2132 光谱学与光谱分析 第30卷另外，水面0号柴油的差分偏振FTIR光谱中，在1 050ClTll处可以看到明显的臭氧特征，它主要来自于被油膜表面反射的天空背景辐射部分。在(3)式中，该特征包含于(La,--B)中。然而，在水面SF96的差分偏振Fr瓜光谱中，在i 050 eln“处却看不到明显的臭氧特征。产生这一现象可能是因为SF96的筹分偏振FTIR光谱在1 016和l 096 crn-1处有较强的光谱特征，因此SF96的差分偏振盯取光谱在1 016和1 096 cm_1之问存在一定的光谱起伏，从而导致l 050 am'1处的臭氧特征不明显。3结论本文提出了差分偏振FTIR光谱探测水面溢油的遥感方法，分析了差分偏振FTIR光谱探测的辐射传输模璎，并在室外用该方法对水面0号柴油和SF96油膜进行了探测。实验结果表明，该方法可以对油污染水面进行直接探测，并且通过分析差分偏振FTIR光谱中的光谱特征可以鉴别油污染物的种类，解决_r传统热红外遥感探测水面溢油时需要大面积洁净水域进行辐射对比，且从红外影像中无法鉴别溢油种类的局限性的问题。但是差分偏振FTIR光谱中特征峰的方向是否与介质的吸收强弱有关还需要在今后研究中测蟹多种不旧吸收程度的水面油膜介质的差分偏振FTIR光谱来验证。另外本文中只采用55。天顶角进行观测，在今后研究中还需对水面油膜进行多角度探测，对观测角的选择进行优化。参 考 文 献[1]I，I Si-hai(李四海)．Remote Sensing Information(遥感信息)，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(韩阳，赵云生，赵乃卓，等)．Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)，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，FANG 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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