石油泄漏對海洋生態(tài)系統(tǒng)的重大影響引起了全世界的關(guān)注。海上鉆井平臺和船舶事故是溢油的主要來源。石油是由環(huán)烷烴、烷烴和芳香烴組成的富烴聚合物混合物，具有非常復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)。在石油泄漏的最初幾天，石油浮在水面上。然后在物理輸送、溶解、乳化、氧化和降解的作用下，其組分發(fā)生變化。快速、可靠的溢油檢測與識別對海洋溢油控制至關(guān)重要，遙感技術(shù)為溢油檢測的發(fā)展做出了重要貢獻。
激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)為環(huán)境監(jiān)測提供了一種新的、更為強大的技術(shù)手段。利用藻類和石油泄漏的熒光特征來研究水體。本應(yīng)用主要介紹了一個基于無人機的水環(huán)境激光誘導(dǎo)熒光監(jiān)測系統(tǒng)。測量裝置僅有1.5Kg，使用目前市面上主流的各種UAV。
1 設(shè)備搭建
圖1 a 帶有熒光傳感器系統(tǒng)的無人機；
b 激光誘導(dǎo)熒光記錄系統(tǒng)圖
圖1a顯示了與無人機集成的系統(tǒng)。我們使用的商用無人機(DJI M600 Pro)，最大的載重能力約為6kg。它有六個旋翼，以俯視的方式攜帶我們的激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)。利用工業(yè)計算機進行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)存儲。圖1b為激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)示意圖。激勵源為連續(xù)波(CW)二極管激光器412型，輸出功率為1000mw，波長為412nm。接收望遠鏡的直徑為50毫米，焦距為200毫米。在探測系統(tǒng)前放置了425nm的長通濾波器Edmund Optics#84-742，以抑制激發(fā)光信號，同時完全通過熒光。
利用海洋光學(xué)USB4000小型光譜儀對光譜信號進行連續(xù)檢測。光譜儀狹縫寬度為200μm，光譜分辨率為10nm。利用標準鎢燈光源校準光譜檢測響應(yīng)。無人機配備了用于無人機推進和LIF系統(tǒng)運行的電池，并允許25分鐘的連續(xù)檢測。熒光傳感器的總重量為1.5kg。
2 測量過程
實驗一：
圖 a基于無人機的熒光傳感器在珠江上的掃描地圖；
b無人機在河上飛行時的現(xiàn)場測量照片，激光束照射水面產(chǎn)生熒光的現(xiàn)場測量照片。
如上圖，搭建的無人機下方安裝了熒光傳感器，并在珠江上空進行掃描巡航。為了避免污染河流，我們將兩個浮式容器固定在河流表面，如圖5a所示。黃色斑點標記的是裝有1L純油的容器，浮筒中裝滿油層厚度約為1-2毫米的珠江水。紅點表示另一個裝滿10升濃度為0.03g/l的羅丹明610染料稀溶液的容器。染料溶解在天然珠江水中，飛行路線設(shè)置為四次往返，飛行面積10m×20m(長×寬)，無人機平均飛行速度約3 km/h。
實驗二：
無人機在珠江充油集裝箱上空飛行的慢速線性掃描結(jié)果。持續(xù)時間為50s，光譜儀的曝光時間為0.5s。
實驗三：
同時一桶含染料的水（0.03g/l）緩慢倒入江中，同時無人機在下游懸停，熒光傳感器不斷記錄。時間持續(xù)約80s，光譜儀的曝光時間為0.5s。
3 測量結(jié)果
實驗一：飛行完成后獲取了本次飛行的光譜數(shù)據(jù)，光譜中共記錄了四種典型的光譜數(shù)據(jù)，在兩個浮式容器上的測量中觀察到500nm處的油熒光和580nm處的染料特征峰。無人機掃描還覆蓋了河邊的灌木叢，記錄到685nm和745nm處的強葉綠素峰，這是陸地植被的特征。自然珠江深水LIF光譜在上圖b中放大，水拉曼峰為480nm。
實驗二
基于無人機的線性掃描2D圖
實驗三
隨時間的光譜3D圖，展示了污染擴散流動變化的過程
4 結(jié)果
本應(yīng)用描述了一種體積小、重量輕的熒光傳感器，它提供了高質(zhì)量的淺水水層熒光光譜，具有來自石油、溶解有機物（DOM）、藻類等的光譜特征，并可以使用水拉曼信號進行內(nèi)部校準。整個系統(tǒng)的重量只有1.5kg，使用高功率連續(xù)波半導(dǎo)體激光器和小型光纖光譜儀就可以實現(xiàn)。
該系統(tǒng)集成在一架小型無人機上。本文所描述的小型系統(tǒng)提供了傳統(tǒng)脈沖激光熒光傳感器和連續(xù)激光Scheimpflug系統(tǒng)的良好替代方案，并且在性能和系統(tǒng)簡潔程度上具有一定的優(yōu)勢。如果連續(xù)波半導(dǎo)體激光器工作在400nm以下，就可進一步實現(xiàn)人眼安全。當前版本的熒光傳感器系統(tǒng)只能在夜間使用，這與具有范圍選通、日間使用功能、同時在低環(huán)境光照條件下仍能更好地工作的脈沖激光雷達系統(tǒng)相比，這是一個明顯的缺點。但利用足夠高的連續(xù)波功率，并結(jié)合合適的調(diào)制方案進行背景減除，日光操作應(yīng)該是可行的，可以大大擴展現(xiàn)有的測試能力。盡管有限的飛行高度和續(xù)航時間限制了大面積監(jiān)視，但是機載熒光成像的成本相比傳統(tǒng)方法降低許多，使得基于無人機的遠程LIF技術(shù)成為一種在有限區(qū)域內(nèi)進行污染遙測的有效方案。
參考文獻
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