0 引言

　　近年來，由於(yu) 我國海洋石油勘測及開采規模不斷擴大，海上石油運輸日益繁忙，因石油開采、運輸、存儲(chu) 以及其它原因造成海洋突發性溢油事件的發生幾率不斷增加。據統計，1973～2008年底，我國沿海共發生船舶溢油事故3000多起，其中50 t以上重大船舶溢油事故69起，總溢油量37077 t，年均2起，平均每起事故溢油量537 t，在對海洋環境造成了極大的傷(shang) 害同時嚴(yan) 重的影響了沿海居民生活 。

　　當前對於(yu) 海麵溢油的傳(chuan) 統檢測方法有航空遙感和衛星遙感，但是二者均存在著不同的問題，航空遙感監測不具有實時性，衛星遙感對於(yu) 小範圍汙染具有不準確性等缺點，因此，研究和設計一種能實時、準確地監測海麵漂浮溢油的係統對保護海洋環境資源具有重要意義(yi) 。鑒於(yu) 近紅外光譜分析技術具有速度快、成本低、無汙染、不破壞樣品等優(you) 點以及在純品油鑒別中的成功應用，設計了一種基於(yu) 近紅外光譜吸收技術的溢油檢測係統。該係統采用近紅外光作為(wei) 探測光源結合以單片機為(wei) 主的數據采集模塊，對近海海麵進行在線實時監測，對於(yu) 保護近海海域的環境安全具有重要意義(yi) 。

　　1 近紅外光譜分析技術及其優(you) 點

　　近紅外光（NIR）是指介於(yu) 可見光和紅外光之間的一種電磁波，波長在780～2 526 nm範圍內(nei) ，是人們(men) 最早發現的一種非可見光。近紅外光譜主要是由於(yu) 分子振動的非諧振性使分子振動從(cong) 基態向高能級躍遷時產(chan) 生的。一般有機物在該區域的近紅外光譜吸收主要是OH、C和NH的倍頻和合頻吸收，幾乎所有有機物的主要結構和組成都可以在它們(men) 的近紅外光譜中找到信號，且譜圖穩定。後來研究者發現，物質的含量與(yu) 近紅外區內(nei) 多個(ge) 不同的波長點吸收峰呈線性關(guan) 係，因此開始利用該技術來測定一些產(chan) 品中的物質含量。由於(yu) 有機物如油類都含有OH、C和NH基團，因此近紅外技術被不斷應用於(yu) 油類的配置與(yu) 檢測。

　　不同於(yu) 傳(chuan) 統的光譜分析技術，近紅外光譜技術的應用具有優(you) 點為(wei) ：（1）分析速度快，測量過程大多可在1 min內(nei) 完成；（2）分析效率高，通過一次光譜測量和已建立的相應校正模型，可進行無限多樣品多組分的連續測定；（3）分析成本較低，節省費用，且不汙染環境；（4）適用樣品範圍廣，通過相應的測樣附件可以直接測量液體(ti) 、固體(ti) 、半固體(ti) 和膠體(ti) 等不同物態的樣品；（5）樣品一般不需預處理，不需使用化學試劑或高溫、高壓、大電流等測試條件，一般可以達到無損測定；（6）操作簡單方便，使用安全，對操作人員要求不很高 。

　　2 近紅外吸收型光電傳(chuan) 感器的結構設計

　　2．1 光電傳(chuan) 感係統結構圖

　　係統要求光電傳(chuan) 感探測部分具有較高的檢測精度和穩定性，且實時性高，即需要對待測海水進行連續不間斷的在線測量，因此采用近紅外LED作為(wei) 光源。光源發出的近紅外光經過光學鏡組選擇得到對溢油具有特征吸收的分析光，經透射與(yu) 樣品室的樣品發生相互作用，然後進入光電探測器，將光信號轉換為(wei) 電信號，從(cong) 而實現對樣品成分的檢測見圖1所示。

　　2．2 光源特征波長的選取

　　光路部分是利用近紅外光透射吸收原理來對水中的含油量進行在線監測，因此要求光源的光譜特性位於(yu) 近紅外區，采用的特定波長的近紅外光作為(wei) 光源，並且考慮到設計最終將以浮標的形式封裝並且要長期的投放到海麵上，而海麵環境較為(wei) 惡劣，所以，要求該光源的體(ti) 積小、機械強度高、穩定性強，因此選用近紅外LED作為(wei) 光源器件。為(wei) 了更加準確的選取特定峰值的LED，以達到準確測量，自行配置了不同濃度的水油混合物來模擬海麵溢油，采用MPA近紅外光譜儀(yi) 對所配置的樣品進行光譜采集來確定選取峰值。

　　儀(yi) 器與(yu) 試劑：MPA近紅外光譜儀(yi) ，汽油，煤油樣品配置：在秦皇島海域采取一定量的海水，分別移取100、200、300、500 的汽油、煤油到100 mL的海水中，充分搖勻、靜置使得樣品能夠模擬溢油在海水中的分散狀況。

　　用近紅外光譜儀(yi) 對所製備的樣品進行圖譜采集，記錄樣品波數8 000—12 000 cm 區域內(nei) 的煤油、汽油吸收曲線見圖2

　　從(cong) 圖2可以看出在波數在8 300—8 500 cm 區域，煤油、汽油均有一明顯的吸收峰，並且隨著樣品濃度的增加水油混合物的吸收峰逐漸向純油的峰值靠近，經計算該峰值大約在1 190nm，用特征峰值相近的LED作為(wei) 發光部分的光源。

　　3 溢油檢測係統整體(ti) 設計

　　3．1 係統整體(ti) 構造

　　該係統采用近紅外透射光譜分析方式，整體(ti) 係統設計框圖如圖3所示。

　　3．2 係統設計方案的主要思想

　　近紅外光譜監測係統由發光係統和電路係統2部分組成。

　　主要采用近紅外光電檢測技術和數據采集處理技術來實現對水麵溢油的檢測。被測量為(wei) 溢油特征吸收波長的光強大小，經過光電轉換，將光信號轉化為(wei) 電信號，得到攜帶被測量信息的脈衝(chong) 調製模擬信號。調製後的信號經過放大、濾波、整形等處理後，再經過A／D轉換芯片轉換成數字信號，送入單片機中進行處理。考慮到該係統最終要以浮標的形式投放到海麵上長期工作，因此對於(yu) 控製部件的能耗有一定的要求。係統采用了低功耗，大存儲(chu) 量的MSP430F149單片機作為(wei) 主控製部件，並且采用C語言編程完成數據的采集和預處理，最終將處理數據經GPRS模塊發送到上位機進行分析確認以達到監測目的。

　　4 試驗結果與(yu) 分析

　　重新取100，200，300，500 的汽油分別與(yu) 100 mL的海水混合，組成不同體(ti) 積比例分數的水油混合物，在等同的時問間隔（2 min）用該係統去透射樣品並取得相應的電壓數據見表1所示。

　　以便更加直觀的得到采集光電轉換電壓與(yu) 水油混合物濃度變化的關(guan) 係，利用國際公認的標準計算軟件Matlab工具，進行編程工作，對上述試驗數據進行處理，以完成對采樣數據的進一步分析，圖4是其分析結果。

　　5 結束語

　　該係統對於(yu) 海麵不同濃度的溢油進行實時的數據采集，並以電壓信號發射給上位機。上位機通過已有電壓信號與(yu) 溢油濃度建立的數學模型對接收的不同電壓信號進行分析得出海水受汙染的程度以便海事部門采取相應的措施對溢油汙染進行處理。該係統創新點在於(yu) 采用近紅外光譜分析技術結合低功耗MSP430單片機並且以浮標的形式封裝對海麵溢油進行在線實時監測，不僅(jin) 具有航空遙感所不具有的全學灌漿，使灌漿施工更經濟，更有效地進行。灌漿的試驗結果表明，該灌漿在線檢測係統能滿足現場灌漿的要求，各項指標均達到設計要求，它為(wei) 灌漿工程提供了較完備的測試手段，從(cong) 而保證了灌漿質量和提供了有效地監督。#p#分頁標題#e#