一种观测水面溢油油膜粗糙度的方法与流程

本发明属于水面溢油领域，具体的说是一种观测水面溢油油膜粗糙度的方法。

背景技术：

海面粗糙度是表征海面空气动力学粗糙程度的物理量，它描写了海面微尺度起伏的程度，其变化规律在某种程度上反映了海洋和大气之间动量输送过程的主要特征。海面粗糙度通常是以空气动力学粗糙长度Z₀来表示，它定义为风速等于零的高度(Stull R B,赵长新.边界层气象学导论[J].青岛:青岛海洋大学,1991:1-21.)。

物理海洋方面表征海面粗糙度的物理量有三：粗糙雷诺数R_r＝Z₀u*/γ、空气动力学粗糙长度Z₀(Geernaert G L,Katsaros K B,Richter K.Variation of the drag coefficient and its dependence on sea state[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,1986,91(C6):7667-7679.)和阻力系数C_z＝(u_*/U_z)²。其中，C_z和U_z分别为离海面Z高处的阻力系数和风速(Donelan M A,Dobson F W,Smith S D,et al.On the dependence of sea surface roughness on wave development[J].Journal of Physical Oceanography,1993,23(9):2143-2149.)，γ≈1.62x10^-5m²/s为空气运动学的粘滞系数。普遍认为，R_r<0.13海面为光滑，0.13≤R_r≤2海面为粘性和粗糙海面的过渡区，R_r>2海面为粗糙海面。

海面粗糙度都是通过粗糙雷诺数、空气动力学粗糙长度或阻力系数的近似计算来表征的。关于溢油海面粗糙度有通过蒙特卡罗仿真模拟获得(李扬，基于实验的海面溢油微波散射特性研究。硕士论文，2014，电子科技大学)。目前还没有通过仪器测得海面溢油粗糙度，我们实验成功，第一次在水面获得油膜粗糙度，这为研究海面溢油理论及微波遥感准确观测海面溢油提供了数据支持。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种观测水面溢油油膜粗糙度的方法。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种观测水面溢油油膜粗糙度的方法，采用高分辨率的三维激光扫描仪，将其固定于待测油面上，且在油面与扫描仪扫描入射角保持垂直条件下进行扫描，进而获得测距数据，而后再利用均方根误差公式计算获得油膜粗糙度。

所述扫描过程中油面与扫描仪扫描入射角保持垂直；且，不能产生任何震动。

所述扫描过程中采用的三维激光扫描仪分辨率为毫米级，根据所采用的扫描仪自身设置，根据此比例，计算获得实际测定相应的扫描仪与油面高度计算光斑行、列间距；以及相应的光斑大小以及扫描速率。

所述均方根误差公式为其中x是实测数据，是实测数据均值，n实测数据个数。

一种三维激光扫描仪的应用，所述三维激光扫描仪在观测水面溢油油膜粗糙度中的应用。其中，三维激光扫描仪为高分辨率的三维激光扫描仪，例如徕卡激光扫描仪。

采用分辨率高的三维激光扫描仪，将其固定于待测油面上，且在油面与扫描仪扫描入射角保持垂直条件下进行扫描，观测水面溢油油膜粗糙度并获取测距数据，而后再利用均方根误差计算获得油膜粗糙度。

本发明所具有的优点：

本发明方法实现了对油膜粗糙度的观测，采用该方法在溢油状态下，油膜粗糙度对后向散射的影响提供了精度和数据支持。

采用本发明方法可以直接测量液体粗糙度,尤其是水面油膜粗糙度,其对溢油水面不同乳化程度油膜粗糙度是强有力的支持,进而为不同乳化程度油膜粗糙度对后向散射的影响提供了数据支持,为海洋遥感溢油监测精度提供技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例提供的垂直扫描获得的测距数据，其余区域在没有达到垂直扫描状态，测距数据误差大，其余黑色区域没有测距数据。

图2为本发明实施例提供的原油入水乳化粗糙度与含水率的变化趋势图。

具体实施方式

下面的实施例中将本发明作进一步阐述，但本发明不限于此。

实施例

以观测水面溢油乳化为例：

采用分别率高的三维徕卡激光扫描仪，其为紧凑、脉冲式，拥有测量毫米精度，具有高速、广视场角，整合了视频数码相机和激光对中器。机载面板控制，笔记本或台式机点控制；集成的固态硬盘，外部点鸟或外部USB设备。扫描速率25000点/秒～50000点/秒。集成高分辨率视频数码相机，可自动调节曝光。电源：15V直流输入或90-260V交流输入，功率〈50W。电池类型：内电池，锂电池，外电池，锂电池。环境指标：工作温度0℃～40℃，存储温度-25℃～+65℃，白天晚上均可工作，湿度无冷凝即可；防尘/防水等级IP54(IEC 60529)。同时，根据扫描仪自身设定的间距以及光斑行、列间距，即与油面高度为100米，光斑行、列间距0.05米；根据此比例，计算获得实际测定相应的扫描仪与油面高度计算光斑行、列间距；以及相应的光斑大小以及扫描速率。

将上述激光扫描仪通过辅助手段(如，固定架、吊车长臂等)非常稳固的固定与待测油面上方，不能有任何振动；待测油面与机器扫描入射角必须垂直，即视角90°垂直扫描，扫描时机器与油面高度可以根据高为1.3米，光斑行、列间距0.65毫米，光斑大小:4.5mm/0-50m,(全宽半高基准)7mm(基于高斯面).扫描速率为25000点/秒。机器扫描分辨率是毫米精度；根据获得测距数据利用均方根误差公式计算油膜粗糙度，

其中x是实测数据，是实测数据均值，n实测数据个数。通过上述的观测方式，获得油膜测距数据，根据相应公式进而计算出水面油膜粗糙度；根据原油入水发生乳化，油膜粗糙度会发生变化，通过测试油膜的含水率知道原油乳化程度，从而观测溢油乳化油膜粗糙度的变化(见图2)。

由上述图2中记载的变化可见油膜粗糙度随乳化程度升高而减小。本发明的油膜粗糙度的测量方法可为建立油膜粗糙度与后向散射之间的关系提供了实测数据支持；对于海面溢油遥感监测精度提高，提供了强有力的技术支持。其同时，开发了三维激光扫描仪的一个新功能，原有的三维激光扫描仪主要用于固体的测距和扫描，用于液体的测距扫描很少，尤其是原油油膜粗糙度扫描，没有先例。该发明实现了仪器扫描油膜粗糙度的突破，为研究水面溢油油膜及油膜乳化程度对后向散射的影响提供了数据支持。