一種紅外溢油監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外成像技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)、用于在線檢測海上溢油的區(qū)域和溢油種類的紅外溢油監(jiān)測裝置，以及其監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋是資源的寶庫，是沿海國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，對人類社會以及整個自然界都具有十分重要的意義。隨著世界人口、環(huán)境、資源三大難題的日趨尖銳，海洋己被公認(rèn)為人類生存的尚未被充分利用的空間、可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富和培育經(jīng)濟(jì)成長的聚集點(diǎn)。
[0003]隨著海上運(yùn)輸業(yè)、石油工業(yè)等的發(fā)展，油田井噴、船舶碰撞等所造成的突發(fā)性溢油事故增多，這樣會造成大量油污流入海洋，不僅惡化了海洋的生態(tài)環(huán)境，還在風(fēng)、浪、流的作用下漂移進(jìn)而污染近岸和漁區(qū)，直接影響近岸居民的生產(chǎn)生活。國家格外重視海洋環(huán)境監(jiān)測和相關(guān)的研究工作，科研人員也正在開展重點(diǎn)研究，力求實(shí)現(xiàn):及時發(fā)現(xiàn)溢油污染源，對溢油事件進(jìn)行預(yù)警和早期處理，控制危害擴(kuò)散，降低損失；對于已造成污染的區(qū)域，準(zhǔn)確及時地提取溢油數(shù)據(jù)，從而對溢油進(jìn)行分析研究，為溢油處理工作提供最重要的數(shù)據(jù)支撐。
[0004]溢油監(jiān)測的首要的目標(biāo)就是怎樣快速、準(zhǔn)確地獲取污染發(fā)生位置、油污種類等相關(guān)信息。目前實(shí)現(xiàn)溢油監(jiān)測的手段很多，常用的有微波雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)、紅外熱成像監(jiān)測系統(tǒng)，但是這些監(jiān)測手段通常都受到了海面風(fēng)浪、天氣等因素的影響較重，并且不能對溢油的種類進(jìn)行鑒別。
[0005]國內(nèi)外應(yīng)對于溢油種類分析的技術(shù)手段多種多樣，其測試原理分為基于物理特性的、基于化學(xué)特性的、采用光電測試的。油類監(jiān)測的具體實(shí)施方法又分為氣相色譜法、紅外光譜法、熒光光譜法、高效液相色譜法以及氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。然而，這些手段通常需要預(yù)先對溢油進(jìn)行取樣并進(jìn)行相關(guān)的處理才能夠進(jìn)行種類鑒別，不能實(shí)時在線地對溢油進(jìn)行分析并給出結(jié)果，并且海洋環(huán)境中溢油的組分及其變化都是極為復(fù)雜的，而且在許多場合下，往往不是單一油種，還含有其他的油類。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)溢油的快速監(jiān)測和種類識別，為抑制溢油污染的擴(kuò)散提供有效依據(jù)，有必要尋求新的手段，開發(fā)一種在線的溢油監(jiān)測分析系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的之一是為了滿足海上溢油快速監(jiān)測和識別的需求，提供一種基于紅外成像技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)、能夠快速探測海面溢油區(qū)域并在線分析溢油種類的溢油監(jiān)測裝置。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種紅外溢油監(jiān)測裝置，包括近紅外光學(xué)系統(tǒng)、光柵分光系統(tǒng)、近紅外線陣探測器、長波紅外光學(xué)系統(tǒng)、濾光片系統(tǒng)、長波紅外面陣探測器、可見光攝像機(jī)、全波段探照光源以及系統(tǒng)電氣組件，所述的濾光片系統(tǒng)包括一個全透鏡片以及對應(yīng)不同波段的第一濾光片、第二濾光片和第三濾光片。
[0009]所述的一種紅外溢油監(jiān)測裝置，其近紅外光學(xué)系統(tǒng)、長波紅外光學(xué)系統(tǒng)以及可見光攝像機(jī)并排安裝在最前端，所述的光柵分光系統(tǒng)沿光軸安裝在近紅外光學(xué)系統(tǒng)的后方，所述的近紅外線陣探測器沿光軸安裝在光柵分光系統(tǒng)的后方，所述的濾光片系統(tǒng)安裝在長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的后方，所述的長波紅外面陣探測器沿長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的光軸安裝在濾光片系統(tǒng)的后方，所述的全波段探照光源平行安裝在近紅外光學(xué)系統(tǒng)一側(cè)。
[0010]所述的一種紅外溢油監(jiān)測裝置，其光柵分光系統(tǒng)將透過近紅外光學(xué)系統(tǒng)的近紅外光分成離散波段的光信號并聚焦在近紅外線陣探測器上，所述的近紅外線陣探測器將接收的近紅外光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號并傳輸給系統(tǒng)電氣組件，所述的濾光片系統(tǒng)對透過長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的長波紅外光進(jìn)行濾波并獲得四個不同波段的紅外光，所述的長波紅外面陣探測器將四個不同波段的紅外信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號并傳輸給系統(tǒng)電氣組件，所述的可見光攝像機(jī)采集目標(biāo)場景的可見光圖像并傳輸給系統(tǒng)電氣組件，所述的全波段探照光源在夜間開啟，用于代替太陽給目標(biāo)場景提供入射光源，從而使得近紅外光學(xué)系統(tǒng)在夜間仍然能夠接收到目標(biāo)場景的近紅外反射光，所述的系統(tǒng)電氣組件用于將來自于近紅外線陣探測器和長波紅外面陣探測器的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)字圖像處理和圖像融合分析，所述的系統(tǒng)電氣組件為系統(tǒng)各組件的正常工作提供所需的偏壓和控制信號。
[0011]所述的一種紅外溢油監(jiān)測裝置，其濾光片系統(tǒng)經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過90度角就更換一個鏡片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，第一濾光片允許透過9.4微米的波長，第二濾光片允許透過10.4微米的波長，第三濾光片允許透過11.4微米的波長，所述的光柵分光系統(tǒng)可以將入射的近紅外光分成480個波段。
[0012]本發(fā)明的目的之二是提供上述監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種紅外溢油監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括如下步驟:
I系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練階段
a)、白天時，在一片已知的溢油區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，將長波紅外光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)溢油區(qū)域進(jìn)行成像；
b)、電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得第一濾光片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸；長波紅外面陣探測器接收紅外輻射光，并將接收到的輻射信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號傳輸給系統(tǒng)電氣組件，系統(tǒng)電氣組件則將接收到的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像Il ;
C)、電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得第二濾光片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，系統(tǒng)將獲得波長為10.4微米的數(shù)字圖像12 ;電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得第三濾光片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，系統(tǒng)將獲得波長為11.4微米的數(shù)字圖像13 ;電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得全透鏡片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，系統(tǒng)將獲得未被濾波的長波紅外數(shù)字圖像14 ；
d)、系統(tǒng)電氣組件將獲得的數(shù)字圖像11、12以及13進(jìn)行融合，獲得偽彩色圖像，對已知的溢油區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，并在數(shù)據(jù)庫中記錄當(dāng)前溢油區(qū)域的色彩范圍；
e)、將近紅外光學(xué)系統(tǒng)的光軸對準(zhǔn)溢油區(qū)域，透過近紅外光學(xué)系統(tǒng)的光被光柵分光系統(tǒng)分成一系列離散波段的光并由近紅外線陣探測器接收轉(zhuǎn)換為模擬電信號傳輸給系統(tǒng)電氣組件，系統(tǒng)電氣組件將接收到的模擬電信號轉(zhuǎn)換為光譜數(shù)字信號并在數(shù)據(jù)庫中記錄下來；
f)、對不同的溢油品種和油膜厚度進(jìn)行長波紅外成像和近紅外光譜記錄，每一種溢油品種和油膜厚度都重復(fù)多次試驗(yàn)，使得數(shù)據(jù)庫中記錄大量的溢油圖像數(shù)據(jù)和溢油光譜數(shù)據(jù)；
g)、在夜間時，打開全波段探照光源，使其對溢油區(qū)域進(jìn)行照射，然后重復(fù)步驟a)至步驟f);
II溢油監(jiān)測階段
h)、白天時，將長波紅外光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行成像；
i)、電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得第一濾光片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸；長波紅外面陣探測器接收紅外輻射光，并將接收到的輻射信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號傳輸給系統(tǒng)電氣組件，電氣組件則將接收到的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像Il ;
j)、電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得第二濾光片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，系統(tǒng)獲得波長為10.4微米的數(shù)字圖像12 ;電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得第三濾光片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，系統(tǒng)獲得波長為11.4微米的數(shù)字圖像13 ;電機(jī)驅(qū)動濾光片系統(tǒng)繞軸心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，使得全透鏡片與長波紅外光學(xué)系統(tǒng)共光軸，系統(tǒng)將獲得未被濾波的長波紅外數(shù)字圖像14 ；
k)、系統(tǒng)電氣組件將獲得三個長波紅外波段的數(shù)字圖像I1、12以及13進(jìn)行融合，獲得偽彩色圖像，將偽彩色圖像的像素和數(shù)據(jù)庫中記錄的溢油區(qū)域的像素進(jìn)行相似度計算，當(dāng)相似度值大于設(shè)定的閾值Tl，且為一系列相似度值中的最大值時，則認(rèn)為該像素所對應(yīng)的區(qū)域?qū)儆谝缬蛥^(qū)域，并認(rèn)為相似像素所對應(yīng)的油膜厚度為該溢油區(qū)域的大概油膜厚度；
I)、將近紅外光學(xué)系統(tǒng)的光軸對準(zhǔn)溢油區(qū)域，透過近紅外光學(xué)系統(tǒng)的光將被光柵分光系統(tǒng)分成一系列離散波段的光并由近紅外線陣探測器接收轉(zhuǎn)換為模擬電信號傳輸給系統(tǒng)電氣組件，系統(tǒng)電氣組件將接收到的模擬電信號轉(zhuǎn)換為光譜數(shù)字信號并在數(shù)據(jù)庫中記錄下來；
m)、將獲得的光譜數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，計算相似度，當(dāng)相似度大于設(shè)定的閾值T2，且為一系列相似度值中的最大值時，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)庫中相似像素所對應(yīng)的溢油品種為探測區(qū)域的溢油品種；
η)、在夜間時，打開全波段探照光源，使其對溢油區(qū)域進(jìn)行照射，然后重復(fù)步驟h)至步驟m) ο
[0014]本發(fā)明的有益效果是:利用長波紅外波段的多波段融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)海面溢油和海水等物質(zhì)的分類，實(shí)現(xiàn)溢油區(qū)域的精確探測