基于近红外光电传感的溢油监测系统设计与实现

0 引言

　　近年来，由于我国海洋石油勘测及开采规模不断扩大，海上石油运输日益繁忙，因石油开采、运输、存储以及其它原因造成海洋突发性溢油事件的发生几率不断增加。据统计，1973～2008年底，我国沿海共发生船舶溢油事故3000多起，其中50 t以上重大船舶溢油事故69起，总溢油量37077 t，年均2起，平均每起事故溢油量537 t，在对海洋环境造成了极大的伤害同时严重的影响了沿海居民生活 。

　　当前对于海面溢油的传统检测方法有航空遥感和卫星遥感，但是二者均存在着不同的问题，航空遥感监测不具有实时性，卫星遥感对于小范围污染具有不准确性等缺点，因此，研究和设计一种能实时、准确地监测海面漂浮溢油的系统对保护海洋环境资源具有重要意义。鉴于近红外光谱分析技术具有速度快、成本低、无污染、不破坏样品等优点以及在纯品油鉴别中的成功应用，设计了一种基于近红外光谱吸收技术的溢油检测系统。该系统采用近红外光作为探测光源结合以单片机为主的数据采集模块，对近海海面进行在线实时监测，对于保护近海海域的环境安全具有重要意义。

　　1 近红外光谱分析技术及其优点

　　近红外光（NIR）是指介于可见光和红外光之间的一种电磁波，波长在780～2 526 nm范围内，是人们最早发现的一种非可见光。近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。一般有机物在该区域的近红外光谱吸收主要是OH、C和NH的倍频和合频吸收，几乎所有有机物的主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号，且谱图稳定。后来研究者发现，物质的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系，因此开始利用该技术来测定一些产品中的物质含量。由于有机物如油类都含有OH、C和NH基团，因此近红外技术被不断应用于油类的配置与检测。

　　不同于传统的光谱分析技术，近红外光谱技术的应用具有优点为：（1）分析速度快，测量过程大多可在1 min内完成；（2）分析效率高，通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型，可进行无限多样品多组分的连续测定；（3）分析成本较低，节省费用，且不污染环境；（4）适用样品范围广，通过相应的测样附件可以直接测量液体、固体、半固体和胶体等不同物态的样品；（5）样品一般不需预处理，不需使用化学试剂或高温、高压、大电流等测试条件，一般可以达到无损测定；（6）操作简单方便，使用安全，对操作人员要求不很高 。

　　2 近红外吸收型光电传感器的结构设计

　　2．1 光电传感系统结构图

　　系统要求光电传感探测部分具有较高的检测精度和稳定性，且实时性高，即需要对待测海水进行连续不间断的在线测量，因此采用近红外LED作为光源。光源发出的近红外光经过光学镜组选择得到对溢油具有特征吸收的分析光，经透射与样品室的样品发生相互作用，然后进入光电探测器，将光信号转换为电信号，从而实现对样品成分的检测见图1所示。

　　2．2 光源特征波长的选取

　　光路部分是利用近红外光透射吸收原理来对水中的含油量进行在线监测，因此要求光源的光谱特性位于近红外区，采用的特定波长的近红外光作为光源，并且考虑到设计最终将以浮标的形式封装并且要长期的投放到海面上，而海面环境较为恶劣，所以，要求该光源的体积小、机械强度高、稳定性强，因此选用近红外LED作为光源器件。为了更加准确的选取特定峰值的LED，以达到准确测量，自行配置了不同浓度的水油混合物来模拟海面溢油，采用MPA近红外光谱仪对所配置的样品进行光谱采集来确定选取峰值。

　　仪器与试剂：MPA近红外光谱仪，汽油，煤油样品配置：在秦皇岛海域采取一定量的海水，分别移取100、200、300、500 的汽油、煤油到100 mL的海水中，充分摇匀、静置使得样品能够模拟溢油在海水中的分散状况。

　　用近红外光谱仪对所制备的样品进行图谱采集，记录样品波数8 000—12 000 cm 区域内的煤油、汽油吸收曲线见图2

　　从图2可以看出在波数在8 300—8 500 cm 区域，煤油、汽油均有一明显的吸收峰，并且随着样品浓度的增加水油混合物的吸收峰逐渐向纯油的峰值靠近，经计算该峰值大约在1 190nm，用特征峰值相近的LED作为发光部分的光源。

　　3 溢油检测系统整体设计

　　3．1 系统整体构造

　　该系统采用近红外透射光谱分析方式，整体系统设计框图如图3所示。

　　3．2 系统设计方案的主要思想

　　近红外光谱监测系统由发光系统和电路系统2部分组成。

　　主要采用近红外光电检测技术和数据采集处理技术来实现对水面溢油的检测。被测量为溢油特征吸收波长的光强大小，经过光电转换，将光信号转化为电信号，得到携带被测量信息的脉冲调制模拟信号。调制后的信号经过放大、滤波、整形等处理后，再经过A／D转换芯片转换成数字信号，送入单片机中进行处理。考虑到该系统最终要以浮标的形式投放到海面上长期工作，因此对于控制部件的能耗有一定的要求。系统采用了低功耗，大存储量的MSP430F149单片机作为主控制部件，并且采用C语言编程完成数据的采集和预处理，最终将处理数据经GPRS模块发送到上位机进行分析确认以达到监测目的。

　　4 试验结果与分析

　　重新取100，200，300，500 的汽油分别与100 mL的海水混合，组成不同体积比例分数的水油混合物，在等同的时问间隔（2 min）用该系统去透射样品并取得相应的电压数据见表1所示。

　　以便更加直观的得到采集光电转换电压与水油混合物浓度变化的关系，利用国际公认的标准计算软件Matlab工具，进行编程工作，对上述试验数据进行处理，以完成对采样数据的进一步分析，图4是其分析结果。

　　5 结束语

　　该系统对于海面不同浓度的溢油进行实时的数据采集，并以电压信号发射给上位机。上位机通过已有电压信号与溢油浓度建立的数学模型对接收的不同电压信号进行分析得出海水受污染的程度以便海事部门采取相应的措施对溢油污染进行处理。该系统创新点在于采用近红外光谱分析技术结合低功耗MSP430单片机并且以浮标的形式封装对海面溢油进行在线实时监测，不仅具有航空遥感所不具有的全学灌浆，使灌浆施工更经济，更有效地进行。灌浆的试验结果表明，该灌浆在线检测系统能满足现场灌浆的要求，各项指标均达到设计要求，它为灌浆工程提供了较完备的测试手段，从而保证了灌浆质量和提供了有效地监督。