基于荧光矩阵光谱的海上溢油检测技术研究

作     者：贾云鹏 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李颖

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 082003[工学-油气储运工程] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：海洋溢油 激光诱导荧光 荧光矩阵光谱 神经网络 油种识别 

摘      要：随着海洋经济的发展及海洋资源开发的加深,海上石油开采与运输日益频繁,溢油事故也成为海洋运输过程中无法回避的重大威胁。海上油膜的探测和识别是防控和治理海上溢油污染的工作基础与关键内容,对于海洋环境与海洋生态保护具有重要科学意义。激光诱导荧光遥感溢油探测技术能够适应复杂多变的海洋环境,可实现海上油膜的快速探测,但存在着无法准确识别相似油种的问题。激光诱导荧光技术中的荧光矩阵光谱检测方法具有较高的探测精度,可对不同油种进行精确区分,但只能在实验室环境采用大型的荧光分光光度计完成,难以在现场直接使用;且对实测的大规模数据存在计算效率低的问题。针对目前溢油探测设备向着小型化和便携化的发展趋势,急需开展将荧光矩阵光谱应用到现场实测的海上油膜探测与识别技术研究。本文针对上述问题开展了以下工作:(1)从海上油膜荧光检测原理出发,选择了波长可调谐氙灯和便携式地物光谱仪作为实验光源和荧光探测器,设计并完成了不同激发波长下的多个油种海上油膜荧光光谱采集实验。进一步剔除实验数据中荧光干扰因素的影响,得到对应海上油膜的荧光光谱实测数据,并据此构建三维荧光矩阵光谱。(2)针对相似油种荧光光谱的识别分类难题,提出了一种基于随机森林算法的最优激发波长选择方法,首先使用Savitzky Golay滤波对实验获取的荧光光谱进行平滑降噪,进一步通过对比不同激发波长下海上油膜荧光光谱识别的准确度,找出对应最佳分类激发波长。在不增加时间及其它成本的条件下,提升激光诱导荧光技术对相似精炼油的识别能力。(3)针对传统化学计量方法面对大规模三维荧光矩阵光谱数据计算效率较低的问题,采用中值滤波对海上油膜三维荧光矩阵光谱进行平滑降噪,进一步提出一种基于卷积神经网络的三维荧光矩阵光谱分类方法,实现海上油膜的快速检测与识别。本研究设计完成了不同激发波长下的海上油膜荧光光谱采集实验,通过比较相似油种不同激发波长下荧光光谱的分类能力,明确了相似轻质油分类的最佳激发波长,并且提出了一种基于卷积神经网络的海上油膜荧光矩阵光谱分类算法,实现了海上油膜的快速准确分类,为激光荧光溢油监测设备的激发波长选择提供依据,并为海上溢油污染监测提供技术支撑。