本發(fā)明涉及一種基于SPR傳感原理的接觸式海上溢油監(jiān)測系統(tǒng)，通過表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance SPR)技術(shù)可實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測海上溢油事件發(fā)生，為相關(guān)部門提供早期、高效的預(yù)警。

背景技術(shù)：

近些年，各類船舶及海上油氣田溢油事件時(shí)有發(fā)生，帶來的海洋石油污染影響深遠(yuǎn)，不但造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)直接破壞了海洋生態(tài)環(huán)境。因此，應(yīng)用有效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)溢油早預(yù)警、早治理迫在眉睫。目前，傳統(tǒng)的海上原油泄漏監(jiān)測方法主要有機(jī)載、衛(wèi)星遙感監(jiān)測，船載雷達(dá)監(jiān)測，合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星(SAR)監(jiān)測以及紫外熒光監(jiān)測等。雷達(dá)監(jiān)測方法是運(yùn)用雷達(dá)波的回波原理大面積掃描海面，可監(jiān)測25平方公里以上的海域面積，但易受天氣因素影響且監(jiān)測精度有限；遙感、遙感與雷達(dá)技術(shù)結(jié)合的監(jiān)測方法同樣運(yùn)用回波原理，對監(jiān)測對象傳回的信號進(jìn)行波譜分析分辨是否溢油，因設(shè)備成本高，投資大，只適合政府、專業(yè)監(jiān)測機(jī)構(gòu)以及大型企業(yè)，不易大范圍普及；紫外熒光監(jiān)測方法是通過紫外光源照射海面，油類物質(zhì)遇紫外光照射時(shí)會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生熒光，且不同油類熒光光譜各不相同，純水則不產(chǎn)生熒光，進(jìn)而可分辨水面油膜，判定是否溢油，此類設(shè)備常用于港口、碼頭等海面監(jiān)測，有較高的監(jiān)測精度，但監(jiān)測范圍小，以上方法都屬于非接觸式監(jiān)測方法。

鄭妍等人(小型化實(shí)時(shí)在線海上溢油檢測系統(tǒng)，專利號：CN104713851A)報(bào)道了一種小型化實(shí)時(shí)在線海上溢油檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)基于SPR傳感原理，傳感裝置中光源選用了有一定發(fā)散角、中心波長為635±5nm的半導(dǎo)體激光模組，選擇光源與線陣CCD探測模塊同平面貼合四邊六面體棱鏡底面入射的方式。由于光源為點(diǎn)光源，光功率在入射面分布不均勻，且發(fā)散光在棱鏡中經(jīng)全反射到達(dá)線陣CCD探測處各角度光程不同，會(huì)造成光功率較弱的信號無法檢測到，不能涵蓋原油折射率檢測范圍，進(jìn)而在進(jìn)行溢油監(jiān)測時(shí)會(huì)發(fā)生偏差，難以有效判定是否發(fā)生溢油。同時(shí)，棱鏡選取的形狀不易于夾持固定，系統(tǒng)也并未提出具體的封裝結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服傳統(tǒng)溢油監(jiān)測中測量精度低，監(jiān)測海域范圍小，易受天氣因素影響以及檢測范圍無法覆蓋原油折射率等不足，本發(fā)明提供一種基于SPR傳感原理的接觸式小型化海上溢油監(jiān)測系統(tǒng)，通過表面等離子傳感技術(shù)(SPR)對海上溢油事件的發(fā)生進(jìn)行早期、有效地預(yù)警。其中，應(yīng)用了Kretschmann型等腰直角棱鏡耦合結(jié)構(gòu)作為SPR傳感結(jié)構(gòu)，提高了檢測精度，精確檢測可覆蓋原油折射率范圍；設(shè)計(jì)了新型的傳感封裝結(jié)構(gòu)，易分布式組網(wǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)測海域范圍寬，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小型化實(shí)時(shí)在線監(jiān)測功能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：①SPR棱鏡傳感裝置中選用一字線半導(dǎo)體激光光源，等腰直角棱鏡，不采用光源與線陣CCD探測模塊同平面貼合在棱鏡底面的放置方式。首先，將等腰直角棱鏡固定，直角對應(yīng)面水平向下，通過匹配液貼合放置鍍金膜的傳感玻片，玻片材質(zhì)與棱鏡材質(zhì)相同，為重火石玻璃。其次，將一字線半導(dǎo)體激光光源固定在棱鏡左側(cè)面上方且位置可細(xì)微調(diào)整，但不與棱鏡左側(cè)面接觸，光線以一定發(fā)散角入射左側(cè)面，經(jīng)棱鏡底面即傳感玻片放置面反射至棱鏡右側(cè)面。最后，將線陣CCD探測模塊固定于棱鏡右側(cè)面上方用于接收棱鏡右側(cè)面折射出的光信號，同樣位置可細(xì)微調(diào)整且不與右側(cè)面接觸，通過無線通信的方式將采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。細(xì)微調(diào)整光源和線陣CCD探測模塊位置使得光源各角度出射光線經(jīng)棱鏡至線陣CCD探測接收前光程相等，以空氣或海水為檢測背景。由于一字線半導(dǎo)體激光光源光功率分布均勻，光源各角度出射光經(jīng)棱鏡到達(dá)線陣CCD探測模塊的光程相同，因此，顯示在終端采集界面上各像元對應(yīng)的檢測背景光功率均勻且幅值相同，近似為一條平行直線。當(dāng)傳感玻片上有原油附著時(shí)，玻片上發(fā)生SPR現(xiàn)象，終端采集顯示界面出現(xiàn)漸變式諧振吸收峰，通過一套完整的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)可判定溢油事件發(fā)生，進(jìn)行高效地預(yù)警、定位。

②系統(tǒng)的傳感裝置封裝結(jié)構(gòu)分為三大部分：

封裝結(jié)構(gòu)的上層即主體部分，形狀為圓錐體，外層貼合軟襯底的太陽能電池板，將圓錐體內(nèi)部分為兩層，上層放置兩塊蓄電池，由太陽能電池板供電，一塊備用，一塊為傳感裝置供電，相互循環(huán)使用，始終保持系統(tǒng)供電正常。下層放置Kretschmann型棱鏡SPR傳感裝置，傳感裝置包括了光源、棱鏡、鍍金膜傳感玻片、線陣CCD探測模塊、基于無線通信的數(shù)據(jù)采集模塊和環(huán)境控制單元。環(huán)境控制單元?jiǎng)t保障了傳感裝置不因外界環(huán)境溫度、振動(dòng)和雜散光等因素影響檢測精度。主體底部做防水封裝只露出棱鏡底面，傳感玻片位于可拆換承載板上，該板可與主體底部貼合安裝，通過匹配液使得鍍金膜傳感玻片與棱鏡傳感面貼合，組成檢測傳感面。

封裝結(jié)構(gòu)的中間部分由制作海洋浮標(biāo)用的聚氨酯材料環(huán)繞主體部分和底座貼合固定，保證整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)可漂浮在海面上。

封裝結(jié)構(gòu)的下層即底座，形狀為球冠，內(nèi)放有超疏水親油的多孔材料薄層，與主體部分相互配合封裝，球冠表面為波紋狀且分布均勻的小孔，以便于海水和原油從孔內(nèi)流入，經(jīng)疏水親油薄層使原油附著到檢測傳感面，將線陣CCD的探測信號采集后通過無線通信方式傳輸至終端進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，進(jìn)而可判斷是否溢油，及時(shí)預(yù)警、定位。主體部分和底座材質(zhì)均為有機(jī)塑料，耐海水腐蝕，沖涮和撞擊。

與現(xiàn)有海上溢油監(jiān)測裝置相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：

(1)小型化新型封裝結(jié)構(gòu)，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，較傳統(tǒng)的監(jiān)測方式節(jié)約成本，便于分布式布放，可監(jiān)測海域?qū)挕?/p>

(2)基于SPR傳感原理、接觸式檢測，靈敏度高，少量溢油便可檢測到，覆蓋原油折射率范圍，可有效預(yù)警。

(3)該系統(tǒng)中SPR棱鏡傳感裝置工作環(huán)境不易受外界環(huán)境溫度、振動(dòng)、雜散光等因素影響，提高了測量精度和抗干擾能力。

附圖說明

圖1是基于SPR傳感原理的接觸式海上溢油監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖2是基于角度調(diào)制的Kretschmann型棱鏡SPR傳感裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3是傳感裝置封裝外觀示意圖

具體實(shí)施方式

一種基于SPR傳感原理的接觸式海上溢油監(jiān)測系統(tǒng)有一字線半導(dǎo)體激光光源(1)、等腰直角棱鏡(2)、鍍金膜傳感玻片(3)、線陣CCD探測模塊(4)、基于無線通信的數(shù)據(jù)采集模塊(5)、兩塊蓄電池(6)、軟襯底太陽能電池板(7)、傳感玻片承載板(8)、疏水親油薄層(9)、環(huán)境控制單元(10)、封裝結(jié)構(gòu)主體(11)、封裝結(jié)構(gòu)中間部分(12)、封裝結(jié)構(gòu)底座(13)、通信衛(wèi)星(14)、數(shù)據(jù)接收處理終端(15)組成。

一種基于SPR傳感原理的接觸式海上溢油監(jiān)測系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。封裝主體表面貼合了軟襯底太陽能電池板,為位于封裝主體上層的兩塊蓄電池供電，其中一塊備用，一塊為傳感裝置供電，循環(huán)使用，始終保持系統(tǒng)供電正常。封裝主體下層為Kretschmann型棱鏡SPR傳感裝置，包括了光源、棱鏡、鍍金膜傳感玻片、線陣CCD探測模塊、基于無線通信的數(shù)據(jù)采集模塊和環(huán)境控制單元?；诒砻娴入x子共振(SPR)原理計(jì)算仿真和ZEMAX光線追跡可確定傳感裝置中各部件的最佳參數(shù)，如：幾何尺寸、相對位置、類型等，滿足原油折射率檢測范圍，大致范圍在1.4-1.55之間。傳感裝置的環(huán)境控制單元為傳感檢測提供了一個(gè)無光、恒溫、減振的環(huán)境，其中固定了等腰直角棱鏡，直角對應(yīng)面水平向下，光源和線陣CCD探測模塊分別位于棱鏡左側(cè)面、右側(cè)面上方且不與棱鏡接觸。細(xì)微調(diào)整并固定光源和線陣CCD探測模塊位置，使得光源各角度出射光線經(jīng)棱鏡至線陣CCD探測接收前光程相等。光源選用中心波長為635±5nm，有一定發(fā)散角的紅外一字線半導(dǎo)體激光光源，光線以一定發(fā)散角入射等腰直角棱鏡左側(cè)面折入棱鏡，經(jīng)棱鏡底面反射后從右側(cè)面折出到達(dá)線陣CCD探測模塊，通過無線通信的模式將采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。光線傳播在空氣與棱鏡左右側(cè)面交界處遵循菲涅爾折射定律n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂。主體底面進(jìn)行了防水封裝只露出棱鏡底面，位于承載板上鍍50nm金膜的傳感玻片通過匹配液與棱鏡底面貼合共同構(gòu)成了傳感檢測面，棱鏡與玻片材質(zhì)相同，為重火石玻璃ZF13，折射率為1.78472。為了提高檢測分辨率，選擇型號為TCD1501的線陣CCD作為信號探測器，含5000像元點(diǎn)。以海水或空氣作為溢油檢測背景，由于一字線半導(dǎo)體激光光源光功率分布均勻，各角度出射光經(jīng)棱鏡到達(dá)線陣CCD探測模塊的光程相同，因此，顯示在終端采集界面上各像元對應(yīng)的檢測背景光功率均勻且幅值相同，近似一條平行直線。

將封裝好的傳感裝置布放在海上鉆井平臺(tái)、運(yùn)油船周邊，或通過海洋浮標(biāo)布放在溢油易發(fā)區(qū)，當(dāng)海上溢油事件發(fā)生時(shí)，油層隨海水通過封裝底座表面的小孔進(jìn)入，底座內(nèi)的疏水親油薄層吸收漂浮在海水表面的原油，使原油附著在傳感檢測面上。對于傳感檢測面，光線由光密介質(zhì)(棱鏡)照射到光疏介質(zhì)(原油)，在全反射條件下，不直接反射至棱鏡右側(cè)面，而是以消逝波形式透入金屬表層，其P偏振分量穿透導(dǎo)電金屬層激發(fā)金屬電子振蕩產(chǎn)生表面等離子體波(surface plasmon wave,SPW),當(dāng)入射光波矢在傳感檢測界面方向的投影k_x和表面等離子體波固有波矢k_sp滿足k_x＝k_sp時(shí)，兩者發(fā)生諧振，入射光大部分能量被表面等離子波吸收，此時(shí)，傳感檢測面上發(fā)生SPR現(xiàn)象，入射檢測傳感面的角度為SPR共振角。傳感信號經(jīng)線陣CCD探測模塊接收，采集，通過無線通信的模式傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。此時(shí)，終端采集界面上光功率分布水平線漸變?yōu)橹C振吸收峰。不同折射率原油，對應(yīng)的吸收峰值位置不同，通過合理的數(shù)據(jù)處理分析方法，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線判定溢油發(fā)生，確定發(fā)生位置并發(fā)出預(yù)警信息，而系統(tǒng)中傳感裝置分布式的布放不但提高了監(jiān)測范圍，更提升了判定的準(zhǔn)確性和精確度。