土壤表面油类污染物激光检测实验

吴国忠，李宏佳，齐晗兵＊，李栋

（1. 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 钦州学院 石油化工分院，广西 钦州 535000）

土壤表面油类污染物激光检测实验

吴国忠1,2，李宏佳1，齐晗兵1＊，李栋1

（1. 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 钦州学院 石油化工分院，广西 钦州 535000）

激光技术在输油管道泄漏检测方面具有很好的应用前景，而激光检测过程中受多种因素的影响。本文搭建了激光检测油类污染物的实验平台，从激光入射角度以及发射距离两种情况入手，对比分析了含油污染土壤和无油污染土壤中探测器接收的漫反射光的功率值大小，并对其测量结果进行了相对不确定度的计算与分析。研究结果表明：随着激光入射角度增大，探测器接收两类介质的漫反射光的光强均呈现先减小后增大再减小的趋势，且其接收漫射光的光强随激光发射距离增大而减小；对于含油污染土壤，探测器接收漫射光的光强均小于无污染土壤情况；激光入射角度为40°、发射距离为15 cm时，测量结果的相对不确定值为最小，即可信度最高。该研究结果可为进一步研究激光检测油类污染物实验提供一定参考。

输油管道；泄漏；含油土壤；激光检测

Abstract:The laser technology has a good application prospect in oil pipeline leak detection. The laser detection process is affected by many factors. In this paper, an experimental platform for laser detection of oil pollutants was constructed. Starting from angles of laser incidence and launching distance, the power values of diffuse reflected light received by detectors in oily contaminated soil and uncontaminated soil were compared and analyzed. The relative uncertainty of the measurement results was calculated and analyzed. The results showed that, with the increase of laser incidence angle, the intensity of diffuse reflected light of the two kinds of media showed the trend of decreasing first,then increasing and then decreasing. The intensity of the received diffuse light decreased with increase of the laser emission distance. For oily contaminated soil, the intensity of the diffuse reflected light received by the detector was less than that of the uncontaminated soil. When the angle of incidence of laser was 40° and the transmitting distance was 15 cm, the relative uncertainty of the measurement results was the minimum, and the reliability was the highest.The research results can provide reference for further research on the detection of oil pollutants by laser.

Key words:Petroleum pipeline; Leak; Oily soil; Laser detection

近年来，我国经济有着较好的发展，石油作为经济发展中重要的能源物质被大量需求，输送石油的载体有很多，在众多输油设备中，管道具有安全性高、输送成本低、方便快捷、等优点已大量的被铺设[1]。然而，输油管道受土壤腐蚀以及人为迫害等因素影响造成了大量油品泄漏。从而给我国经济带来损失和漏油管道周围环境的污染。因此，为了及时发现输油管道泄漏位置，检测技术的利用成为了必要手段。其中，红外激光检测技术作为一种非接触测量方式，具有测量范围大、精度高、检测时间短、有较高的分辨率等优点，其具有很好的应用前景[2,3]。

国内外众多学者针对激光检测技术在漏油检测的应用方面已做出了大量工作。其中，加拿大某单位研制了SLEAF系统，用于实时检测海面溢油区域[4,5]。法国研究人员应用机载激光雷达系统在本国沿海进行了溢油监测实验，得到了良好的监测效果[6]。李晓龙等[7]搭建了激光监测海洋溢油的实验平台，利用波长为 355 nm的激光源进行探测海面溢油情况，分别获取了白天和夜晚两种实验环境下的特征光谱。林彬等[8]在激光荧光遥感技术的基础上，引入了SOM模型，从而对神经网络在模型识别和分类方面有了很大的改善，也对溢油检测提供较为理想的方法。官晟等[9]利用激光雷达系统，结合激光荧

珺光原理，对海面溢油的油荧光进行了测量。齐敏等[10]研发一种检测油类污染物的激光荧光雷达系统，在检测过程中，系统运行较为稳定。韩晓爽等[11]将SVM模型与激光诱导荧光的方法相结合，考虑了时间和波长两种因素，并优化选出较为理想的时间和波长范围，进而能够准确的识别油类的品种。李一博等[12]给出了测量溢油油膜厚度的方法，利用该方法得出的溢油油膜厚度与直尺测量的结果较为一致。王春谊等[13]基于激光三角法，并搭建了光学实验平台，对石油和柴油两种样品进行了油膜厚度的测量。沈书乾等[14]应用CFD仿真模拟软件建立了天然气管道泄漏扩散模型，得出了扩散特征以及扩散光谱检测值，并分别从激光检测高度、风速大小以及泄漏口大小三种因素的影响模拟计算了天然气扩散光谱特征。

以上激光检测技术的研究进展大部分是针对海面溢油情况，但目前激光检测技术同样适用于陆地情况，也是比较有效的检测手段[15]。因此，本文开展了激光检测含油土壤的实验研究，搭建了激光检测油类污染物的实验平台，实验中，待测样品分为含油污染土壤和无油污染土壤，同时激光检测过程中，考虑了激光入射角度及发射距离两种影响因素。针对以上不同情况，可得出含油土壤对激光检测带来的一些影响，为实际现场激光检测土壤表面溢油情况提供一定参考价值。

1 实验部分

1.1 实验装置

图1为油类污染物激光检测实验装置。其中，样品池可准备2套，一套内装有压实的无油类污染土壤，另一套为油品与土壤搅拌均匀的含油污染土壤并做压实处理，实验中，可将样品池固定在实验平台上。本实验的激光器采用型号为 HY-LD-1650～225，波长选择为1 650 nm，工作方式为CW，平均功率范围是0～225 MW，制冷方式为TEC。探测器采用的型号为LP-3A，三位半数显0.2～11μm，0～2 W功率可测。

激光器与探测器在测量样品池中待测样品时，激光的入射角度与距离可以在一定范围内进行调解，探测器可随时接受不同情况下的漫射光功率。为了更好的使探测器接收漫射光，本实验中添置了聚光片，聚光片与探测器之间距离可在1～10 cm范围内调解。

1.2 实验步骤

①打开激光器电源进行预热 10～15 min，将探测器中信号值调节为 0，同时将探测器与计算机相连接，以便接收记录数据值，最终将无污染土壤的样品池垂直放置于实验平台之上。

图1 油类污染物激光检测实验装置Fig.1 Experimental device for laser detection of oil pollutants

②首先将激光器入射角度调至为20°，调整好聚光片与探测器的角度并保持固定，通过改变激光器的入射距离来分别探测漫射光的功率值，激光器发射距离分别调节为 15、30、45、60、75 cm，为了减少仪器系统以及人为操作带来的误差，针对以上每种情况对探测器接收的功率值进行了3次重复测量。

③关于激光入射角度实验，首先将激光器入射距离调至为10 cm，保持探测器和聚光器的位置和角度，调整本次实验所需要 20°、30°、40°、50°、60° 5种激光入射角度，最终记录探测器接收的数据值。同样对以上每种情况的实验数据均进行了重复3次测量。

④以上实验步骤②和③都是针对无油污染土壤实验情况，对于有油品污染的土壤实验，将油品（柴油）与土壤搅拌均匀并压实于样品池中，同样从激光的发射距离和入射角度两种情况进行含有油类污染土壤的激光检测实验，并最终记录探测器接收的数据值。

⑤实验结束，关闭并整理仪器，对测量数据值进行处理分析。

2 实验结果及不确定度分析

本次实验分别获取了激光测量距离一定不同入射角度的实验测量结果以及激光入射角度一定不同探测距离的实验测量结果，测量结果如表1和表2所示。并对无污染土壤和含油污染土壤的测量结果进行相对不确定度的计算及分析，不同激光测量距离下相对不确定度以及不同激光入射角度下相对不确定度的曲线趋势分别如图2和图3所示。相对不确定度的数学模型的理论推导如下：

单次测量的标准差为：

则重复性测量的不确定度为：

其结果的相对不确定度为：

表1 测量距离一定不同激光入射角度的测量结果Table 1 The measurement results of different laser angles of arrival under constant measurement distance mW

图2 不同入射角度下相对不确定度Fig.2 Relative uncertainty at different incidence angles

如表1为激光测量距离定为15 cm，不同激光入射角的实验测量结果。从以上数据表中可以得出一定规律，无油污染土壤和含油土壤中，探测器接收漫射光功率随着激光入射角度的增大同时出现先减小后增加再减小的趋势，可以得出激光入射角度对探测器接收的漫射光光强带来了一定影响。同时可以看出，在激光入射角度为40°时，对于两种被测目标对象，探测器接收的漫射光光强在均达到了最大值。从无污染土壤和含油土壤探测器接收功率相互对比可以得出，当激光入射角度为固定值时，探测器在含油土壤中接收功率均略小于无污染土壤情况，说明了含油土壤对入射的激光吸收能力更强，进而被反射到探测器中的激光光强度变弱。如图 2为不同测量角度下相对不确定度曲线走势，从图中可以发现，无油污染土壤和含油污染土壤得出的相对不确定度值随着测量角度的不断增加，其值变化情况为先增大随后减小至低谷再增加至最大值。其中，在测量角度为40°时，相对不确定值为最小，因此可得出探测器接收漫射光强在该激光入射角度的效果最佳。对比两种被测介质可以发现，含油污染土壤的相对不确定度值均大于无油污染土壤的情况。

表2 入射角度一定不同激光探测距离的实验测量结果Table 2 Experimental results of different laser detection distances under constant incident angle mW

图3 不同测量距离下相对不确定度Fig.3 Relative uncertainty at different measuring distances

如表2为入射角度定为20°不同激光探测距离的实验测量结果，得到的规律如下：随着激光发射距离的变大，无污染土壤和含油土壤接收漫射光功率均减小，从而说明激光发射距离是影响探测器接收漫射光功率大小的因素之一。通过比较两类介质的漫射光功率可以看出，含有油品的土壤依然是影响着探测器接收漫射光功率，即略微的减弱。如图3不同测量距离下相对不确定度的曲线趋势可以看出，随着激光入射距离的增大，无污染土壤和有污染土壤对应的相对不确定度值均随之变大，说明距离是影响探测器接收漫射光强的一个极大的影响因素，其中，在激光测量距离为15 cm时，两类介质测得结果的可信度均比较可靠。

3 结 论

本文通过激光检测实验平台分别对含油污染土壤和无油污染土壤进行了激光检测实验，考虑了激光入射角以及发射距离两种影响因素，通过探测器接收漫射光的功率来比较分析两类被测目标介质的差异，并结合计算得出的相对不确定度来观察两类介质测得结果的可信度，主要结论如下：

（1）探测器接收无污染土壤和含油土壤漫射光的光强与激光入射角度和发射距离有关，随着激光入射角度增大，其接收的漫射光的光强先减小后增大再减小；激光发射距离增大，探测器接收两类介质的漫射光的光强逐渐变弱。

（2）在激光发射距离和入射角度一定时，探测器接收的无污染土壤和含油土壤漫射光光强具有明显差异，含油土壤的漫射光强小于无污染土壤情况，说明含油土壤对于漫射光的光强具有明显减弱的效果。

（3）不同测量距离得出的相对不确定度要明显大于测量角度的情况，在小范围测试距离及角度时，其相对不确定度值较小，说明人为操作及仪器系统带来的误差给本实验数据测试结果造成一定影响。

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中国科大非常规合成偕二硼化合物

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室教授傅尧和副教授肖斌课题组在偕二硼化合物的非常规合成领域取得重要进展。研究人员报道了一种金属镍催化末端烯烃合成偕二硼化合物的新反应，相关成果于8月24日发表在《自然-通讯》上。

有机含硼化合物是重要的有机合成砌块和药物化学原料，它对水和空气不敏感，相比于其他有机金属试剂，有机含硼化合物参与的反应具有更好的官能团兼容性。此外，利用碳硼键独特的反应活性，有机含硼化合物可以进行更多类型的转化。因此，有机含硼化合物的高效合成显得尤为重要。相比于单硼化合物，偕二硼化合物作为不可或缺的有机合成子，有着更为独特的合成价值，可连续进行官能团转化或者交叉偶联反应，为复杂和精细分子结构的获取提供了绿色高效的合成手段。

傅尧领导的团队针对偕二硼化合物的高效合成，发展了一种镍催化末端烯烃的双硼化新反应。该反应以廉价易得的烯烃为原料，经连续的选择性硼化和氢硼化过程即可高效地制备偕二硼化合物。研究发现，该反应具有较高的化学选择性和区域选择性，以及较好的官能团兼容性，能够用于复杂分子的修饰合成。例如，可以用于含氟液晶材料分子合成及D-葡萄糖衍生物的侧链修饰等。此外，该反应还实现了对低碳烯烃进行双硼衍生化反应，例如常压下可顺利实现乙烯、丙烯的双硼衍生化。

该工作展示了一种偕二硼合成的新方法，同时实现了对烯烃的双硼化反应的选择性控制，为烯烃的直接利用提供了新途径。博士生李磊是论文的第一作者，傅尧和肖斌是共同的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中科院 B类战略性先导科技专项、能源材料化学协同创新中心和中科院青年创新促进会的资助。

Laser Detection of Oil Pollutants on Soil Surface

WU Guo-zhong1,2,LI Hong-jia1,QI Han-bing1*,LI Dong1

（1. School of Architecture and Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;2. Qinzhou University, Guangxi Qinzhou 535000, China）

TN248

A

1671-0460（2017）09-1837-04

黑龙江省自然基金面上项目（E2016010）

2017-09-02

吴国忠（1961-），男，教授，博士生导师，研究方向：辐射测量技术。

齐晗兵，E-mail：lidonglvyan@126.com。