一種基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法與流程
本發明屬于目標檢測技術領域，具體涉及一種基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法。
背景技術：
海面溢油對海洋環境會生成許多有害物質，導致大量海洋生物的死亡，進而危害整個海洋生態系統和沿海灘涂環境，造成了不可估量的損失。在海水影響較強的情況下，偏振光譜作為一種新型的檢測手段可以對薄油和濃度較低的油水乳化物進行測量，彌補了常規測量方式的一些缺點。
海面溢油的基本檢測方法主要有可見光法、紅外分光光度法、微波輻射計法、氣相色譜法和熒光法等。但是，這些傳統的測量方法都需要對實驗樣品進行預處理，并且需要昂貴的實驗儀器作為支撐，在數據分析和處理上比較單一，無法做到多角度大視場對海面溢油進行無損檢測，從而無法對海面溢油的物理機理做出科學可靠的分析。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法，該方法精度高、可靠性好、效率高。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法，包括如下步驟：
步驟一，采集不同角度下海水與溢油的光信號，得到多組海面溢油圖像；每一組具有相同數量的多幅原始圖像；
步驟二，對原始圖像進行數據處理，得到每一組海面溢油圖像的穆勒矩陣；
步驟三，分解穆勒矩陣，從中提取出偏振特征信號值；
步驟四、根據偏振光強值，按照如下公式計算出等效偏振吸收率a，
其中，ain為入射偏振光的光強值，k0＝ω/c是自由空間波數，ω是波場的頻率，c為光速，n(r)為海水與溢油介質中r處的折射率，κ1(r)為r處的衰減指數；p1和p2為光線的起點和終點，o1為偏振光線進入液體表面的入口點，o2為海水與溢油分子后項散射后經過海面溢油的出口點，l1用來表示p1點到o1點的距離，l2用來表示o2點到p2點的距離；
步驟五，將不同觀測角度下海水與溢油的等效偏振吸收率作為識別依據，實現海面溢油的檢測。
進一步，步驟一中，采用632.8nm的偏振激光器作為采樣時的入射光源，采用加有偏振片、波片的ccd探測器對海面溢油表面散射的光信號進行采集。
進一步，利用如下公式計算出穆勒矩陣，
sout＝m·sin，
其中，m為穆勒矩陣，sin為入射偏振光斯托克斯矢量，sout為采集到的出射偏振光斯托克斯矢量。
進一步，步驟三中，偏振特征信號包括入射光強輻照度、出射光強輻照度、振幅比、相位差和偏振度。
進一步，步驟四所述計算等效偏振吸收率a的公式中加入參數||ae||，具體為，
其中，參數||ae||為修正用誤差值。
進一步，步驟五具體為：分別計算出對應角度下海水和溢油的等效偏振吸收率；根據等效偏振吸收率繪制出觀測曲線用于觀察不同海面溢油的變化趨勢；在變化趨勢中尋找特征信號，實現海面原油的識別。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：本發明建立了水面、油膜的偏振光學檢測技術分析方法，利用入射偏振光與散射偏振光偏振態的不同，確定了測量樣品的對偏振態的改變能力。從光線路徑出發，將偏振光在油膜分子與水分子團內的傳播路徑單獨考慮，得到了水面、油膜對入射偏振光偏振態的改變能力，具有精度高、可靠性好的特點。同時結合海面溢油的偏振吸收特性，使用激光光源作為主動光源，利用ccd探測器作為光電檢測裝置，主動光條件下的海面溢油檢測，使得測量效率高。
附圖說明
圖1為本發明基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法的主流程圖。
圖2為用于實現本發明方法的一種的海面溢油檢測系統的結構示意圖。
圖3是測量樣品原始圖像與偏振穆勒矩陣圖像對比圖。
圖4中，(a)是各測量角度下入射偏振光與散射偏振光的振幅比示意圖；(b)是各測量角度下入射偏振光與散射偏振光的相位差示意圖。
圖5是各測量角度下水面、油膜表面的退偏振能力示意圖。
圖6是各測量角度下水面、油膜表面對偏振光的吸收能力示意圖。
具體實施方式
容易理解，依據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本發明基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限制或限定。
如圖1所示，本發明基于偏振吸收特性的海面溢油檢測方法，包括如下步驟：
步驟10，樣品信號采集：采集不同角度下海水與溢油樣品的光信號，得到七組36張海面溢油原始圖像；
所述10樣品信號采集步驟中，采用激光光源作為采樣時的入射光源，采用加有濾波片和波片的ccd探測器對目標表面散射的光信號進行采集。
圖2為用于實現本發明方法的一種的海面溢油檢測系統的結構示意圖。應用多視場角度二向反射分布函數(brdf)測量系統，可完整地表示待測量目標的光學特性，精確地描述目標的反射信號在2π空間內的分布情況和目標反射信號的空間結構信息，如天頂角、方位角和輻射亮度等。實驗裝置主要由光源、偏振片、λ/4波片和光度計組成。透鏡將激光光束聚焦為平行光束入射，利用一孔徑為1.88mm的圓形光闌調節入射平行光束直徑，偏振光通過入射系統照射到被測量目標表面，根據光的散射原理，再由光度計接收散射偏振光強度信號，利用matlab軟件分析測量數據，得到各測量角度下海水與溢油樣品的偏振特性參量和穆勒矩陣m，以達到海面溢油檢測的目的。圖3是用上述方法獲得的原始圖像與穆勒矩陣圖像。
步驟20，數據處理：利用matlab軟件編寫程序，對原始圖像進行數據處理，得到每一組樣品的穆勒矩陣；
所述(20)數據處理的具體方法為：
sout＝m·sin，
其中，m為目標4×4的穆勒矩陣，sin為已知的入射光4×1斯托克斯矢量，sout為采集到的4×1斯托克斯矢量。利用采集到的36個數據求解16個未知參數，可以精確地計算出穆勒矩陣m。
步驟30，特征信號提取：分解目標的穆勒矩陣，從中提取相關信息，獲得光強值、振幅比、相位差和偏振度等偏振特征信號值；
所述步驟30特征信號提取步驟具體為：
其中，ain為入射光強輻照度，aout為測量光強輻照度。
振幅比p方程為：
p＝rv/rh，
其中，rv為垂直反射振幅系數，rh為水平反射振幅系數。
折射率n和消光系數k分別為：
其中，θi為偏振片轉動的角度，δ為相位差。
根據菲涅爾公式計算各測量角度下海水與油膜表面的折射率，值如表1所示。表1.水、油膜表面各測量角度(θi)下的折射率(n)和折射角(θt)
圖4中，(a)是各測量角度下入射偏振光與散射偏振光的振幅比；(b)是各測量角度下入射偏振光與散射偏振光的相位差。
隨著測量角度的增加，振幅比和相位延遲在布魯斯特角處發生變化，通過計算得到水與油膜的布魯斯特角分別為：θb-water＝53.06°，θb-oil＝56.83°。研究發現，在小角度測量時，三種偏振光的振幅比較為相似，而水面和油膜表面散射偏振光的相位延遲相差π，在布魯斯特角處兩個偏振參量的數值發生突變，振幅比達到最大值，相位延遲降到0°。本發明發現偏振光照射在水面和油膜表面后，后項散射偏振光的偏振態都會發生改變，因此需要找到一種合理的方式對被測量目標的偏振特性進行討論。
圖5是各測量角度下水面、油膜表面的退偏振能力。
水分子與石油分子的直徑都在幾十個納米，小于為入射光波長的1/10倍，很容易產生瑞利散射，但是由于入射光的波長為632.8nm，很難產生明顯的瑞利散射，因此在測量條件下水與石油的完全退偏振系數都較低，幾乎不退偏。但是從微觀角度研究，發現油膜分子間作用力要大于水分子，使得油膜表面更近似于鏡面反射，散射效果較差，因此在測量范圍內水面的完全退偏振系數都大于油膜表面，這一結論與實驗結果也非常吻合。
步驟40，等效吸收率：帶入偏振光強信號，利用本發明推導的等效吸收率方程對特征信號進行優化，得到等效偏振吸收率；
為了更有效地對水面與油膜表面的偏振特性進行區分，本發明從穆勒矩陣中提取偏振信息來實現水面溢油的檢測。根據比爾(beer)定律，定義
其中，ain為入射偏振光的光強值，k0＝ω/c是自由空間波數(ω是波場的頻率)，n(r)為介質中r處的折射率，κ(r)為r處的衰減指數；p1，p2為光線的起點和終點，o1為偏振光線進入液體樣品表面的入口點，o2為液體樣品分子后項散射后進過表面的出口點。本發明中，p1點到o1點的距離l1和o2點到p2點的距離l2都為固定值，且光線進過的介質為均勻介質，因此在整個實驗過程中，
則上式可以改寫成：
步驟50，樣品識別：通過計算，得到不同觀測角度下海水與溢油的等效偏振吸收率，將其作為識別依據，實現海面溢油的檢測；
圖6是各測量角度下水面、油膜表面對偏振光的吸收能力示意圖。
油膜與水溶液分子團的不同，使得光在分子間傳播時，瑞利散射的方向和光強分布各不相同。如圖6所示，隨著測量角度的增大，液體樣品對入射偏振光的吸收能力呈下降趨勢，并且呈線性關系。在整個測量過程中，水溶液對偏振光的吸收能力要大于油膜，這是因為測量各處的油膜折射率都大于水溶液，且衰減指數也比水溶液的大。該結論與光度計測量的液體樣品表面散射光強值信號相一致。
步驟60，完善測量系統：進行戶外的校正實驗，按照步驟10-50得到戶外海面溢油的等效偏振吸收率值，將其與室內理想數據進行比較，完善實驗模型，獲得最佳的測量系統。
本發明建立了水面、油膜的偏振光學檢測技術分析方法，利用入射偏振光與散射偏振光偏振態的不同，確定了測量樣品的對偏振態的改變能力。從光線路徑出發，將偏振光在油膜分子與水分子團內的傳播路徑單獨考慮，得到了水面、油膜對入射偏振光偏振態的改變能力。結果表明應用樣品分子團對光線的吸收能力可以有效快速地對水面油膜進行測量，結合穆勒矩陣偏振信號進行結果驗證，使偏振測量技術的特征性更強，更適合于水面油膜的鑒別與評定。
本發明的理論依據可進一步進行如下說明：
偏振光入射樣品表面后，在表面上層產生散射現象。根據折射定律，假設偏振光(a//,a⊥,φ)照射到厚度為h的海面溢油(折射率為n2)表面產生反射偏振光(r//,r⊥,φ′)和折射偏振光(t//,t⊥,φ)。根據光的彈性理論及麥克斯韋關系
將折射定律代入上面兩式，得：
上式中θi和θt為實數，及θi+θt，θi-θt也為實數。因此，反射波和折射波各分量的位相與入射波相應分量的相位或是相等，或是相差π。因為t//和t⊥與a//和a⊥同號，所以透射波的相位總與入射波的相等。但是，反射波的相位與θi和θt的相對大小有關。在本實驗中，第二媒質(油膜)比第一媒質(空氣)光密(ε2＞ε1)，則θi＞θt，及r⊥和a⊥異號，因此兩個位相差π；同理，r//和a//的位相也相差π。
假設進入油膜d(原油分子團直徑)處的折射偏振光(t//,t⊥,φ)經過路徑h/cosθt傳播后成為油膜下表面的入射偏振光(a′//,a⊥′,φ)，根據折射定律得到反射偏振光(r′//,r⊥′,φ″)和折射偏振光(t′//,t⊥′,φ)。同理反射偏振光(r′//,r⊥′,φ″)經過路徑h/cosθt傳播后成為油膜上表面的入射偏振光(a″//,a⊥″,φ″)，折射后得到折射偏振光(t″//,t⊥″,φ″)。通過研究發現，當油膜的厚度h超過原油分子團直徑d的100倍時，折射偏振光(t″//,t⊥″,φ″)的光強值非常微弱，只有反射偏振光(r//,r⊥,φ′)光強的萬分之一。因此，本實驗中對油膜表面光強信息的采集只考慮一階反射偏振光(r//,r⊥,φ′)和二階折射偏振光(t″//,t⊥″,φ″)的光強值，對后面的多階散射作用不做討論。
根據光的彈性理論和傳播定律可得：
根據倍角公式和折射定律，對公式進行優化處理可得：
根據實驗測量，測得本次發明中空氣的折射率n1＝1.00，油膜的折射率n2＝1.53，水的折射率n3＝1.33。當偏振光以角θi(0°≤θi＜90°)入射油膜表面時，得到折射角θt的范圍為0°至40.81°，及0≤tanθt＜0.8636。因此可得
本發明針對海面溢油現象，得到海水與油膜具有明顯的偏振特性，結合菲涅爾公式和比爾定律，將偏振光線的傳播路徑進行分段積分，著重研究測量樣品中光線傳播的路徑，利用穆勒矩陣中的偏振信息，驗證海水與原油薄膜之間不用的偏振特性。研究表明樣品中偏振光線的傳播路徑與樣品分子團結構以及分子間相互作用力存在關聯，在不同的測量角度下，對入射偏振光的吸收能力存在規律和差異，從而實現海面溢油的檢測。
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