紫外荧光探测水面溢油实验研究
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摘 要：文章介绍了目前水面溢油探测的五种方法及其不同的优势与特点。主要从激发光源和探测望远镜的遮光结构方面讨论了溢油探测系统的构建方法。搭建了实验系统，采用365nm的紫外光源激发荧光，在暗室及实验室环境下分别探测了汽油、食用油、机油三种油类的荧光强度，归一化处理得到了荧光与探测电压值的关系，区分了油膜种类。分别探测了不同厚度的三种油膜荧光电压变化值，实验表明随着油膜厚度的不断增加，荧光光强呈线性变化，并给出了荧光强度变化的解释。
关键词：溢油探测；紫外荧光；溢油厚度；背景光屏蔽
引言
我国是一个河流众多的国家，如果把我国的天然河流连接起来，总长度可达43万公里。然而在这样丰富的水资源背景下，不容忽视的是由于各种原因所带来的河流污染，恶意的偷排漏排，油品存储与运输中的泄漏，都危害着水资源的安全，特别是饮用水源的安全。油污染事故危害时间长，影响范围广，给沿岸生产、生活带来巨大的经济损失，也给河流及海洋生态环境造成极大的破坏，生态恢复困难。及时发现溢油的存在并预警对水资源的保护具有重要的意义。
从探测方法的角度讨论，目前可用于溢油探测的方法有5类，分别为：（1）被动红外遥感；（2）被动紫外遥感；（3）微波辐射遥感；（4）机载雷达遥感；（5）紫外荧光遥感[1]。
被动探测方法的特点是操作简单，但是虚警率较高，并且易受气候影响，提供的油膜信息较少，目前主动遥感分为两大类，雷达遥感与紫外荧光遥感，前者主要用于大面积海域的溢油检测，载具通常为飞机，造价昂贵但覆盖面积广，分辨能力强。紫外荧光遥感主要特点是体积小，成本低，适用于定点监测，测量精度可达微米级厚度的油膜（0.3μm），并且可以探测海岸线以及冰面上的油膜。
2 激发光源的选择
从激发光源的角度讨论，目前常用的激发光源有以下三种。
目前实验室中常用的激发光源为激光光源，因为光源无需滤波，准直扩束后即可发射到溢油表面，激发荧光的量子效率较高，相应的获得的荧光光谱也相对准确，如果利用光谱特性来分析区别油膜的种类，该光源更适用于这样的定性实验。
氙气灯是目前较为成熟的工作光源（例如InterOcean 公司研发的SS300 溢油探测系统），工作时需要保持35v的稳定工作电压，而触发电压则需要瞬间到达35kv。由于这种光源光强度高，相应的激发荧光的强度也较高，在利用200nm-300nm的紫外光源照射柴油及油时，可得到荧光发射光谱，荧光波段主要集中在400nm-600nm[4]。
由于氙气灯的发光光谱全覆盖可见光波段且在荧光波段也有很强的发射光谱，故其在溢油表面的反射光也形成了一种背景光干扰，使用该光源时对背景光的屏蔽要求很高。
LED是一种新型光源，其特点是光强稳定性高，启动电压为0.7v 耗能低，噪声小，目前作为一种新型光源正用于实验当中，随着LED功率的不断提高，光强增大，其优势逐步显现，LED将替代传统氙气灯，作为激发光源使用。
3 望眼镜系统的背景光屏蔽
从屏蔽背景光的角度讨论，由于背景光在整个探测过程中始终存在，并且强度随日光的改变而变化，同时光电探测器本身的暗电流与散粒噪声也对实验的结果造成一定的影响，所以背景光的屏蔽可分为两部分，（1）反射式望远镜遮光结构的设计。（2）光电信号的采集与处理。常见的反射式望眼镜有牛顿系统、卡塞格林系统、格雷戈里系统等，采用反射式望远镜的优势在于其主镜与副镜的焦距相互重叠，使得镜筒的长度缩短，实验中我们采用卡塞格林望远镜系统，其便于垂直水面观测目标区域，望远镜系统遮光结构分为三大部分[5]，其屏蔽作用归纳如表3。
稳压电路及信号采集电路的设计是屏蔽背景信号的关键，首先应设计稳压电源，为光电探测器、集成运放等元件提供稳定的工作电压。其次在探测系统中外加反向偏压的PIN光电二极管将探测到的光信号转化为光电流，其中包括直流光电流和交流光电流，分别通过电感与电容传输，在取样电阻上呈现电压差，直流分量随入射光强度变化而变化，反应入射光强度的大小，噪声光电流通过电容传输，从而达到降低噪声的目的。
4 紫外荧光探测溢油实验
实验采用波长为365nm的LED紫外光源作为激发光源，对光源进行滤光，紫外光垂直照射在油膜表面，在暗室环境下分别探测，机油、汽油、食用油的荧光强度，对照组为纯水，如图1。
由于探测器及激发光源放置高度与位置的不同，会导致数据的整体变化。在实验中为了保证激发强度以及探测效率，设定探测器与光源等高平行，互不遮挡。
由于探测器距离油面垂直距离越远，探测光强越弱，实验选定探测器距离油膜5cm作为探测高度进行实验，如图2所示，在探测器中，光强的变化可以直接反应为光电流的大小，而电流通过取样电阻产生电压差值，通过读取取样电阻两端的电压值则可以判断光强的大小，光强与电压值成正比[6]。实验中，探测纯水的电压值为激发光在水面反射后的光强。
在实验室环境下，即有背景光的条件下，不改变其他测量条件，再次探测不同油类的电压值。如图3所示，此时探测纯水的电压值为0.0087v，其中包括背景光与激发光源的反射光。此时背景光的电压值为0.0040v，而通过照度计探测到背景光的强度为45.6lx。由此可见，通过改变取样电阻的值即可使探测电压值与光强近似相等[7-8]。
通过反复实验，对比实验数据可以得出如下结论。
（1）探测器与光源位置的变化将整体改变实验数据。
（2）在实际环境中探测到的荧光光强近似等于背景光强度与无背景光条件下荧光强度之和。
（3）在无背景光条件下，通过反复测试油膜（约0.02mm）的荧光强度，可以归纳化简出以下关系式，设纯水的反射光强度为1，则不同油类的荧光强度有以下取值关系范围。