一种红外溢油监测装置及其监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种基于红外成像技术和近红外光谱技术、用于在线检测海上溢油的区域和溢油种类的红外溢油监测装置，以及其监测方法。
【背景技术】
[0002]海洋是资源的宝库，是沿海国家经济发展的命脉，对人类社会以及整个自然界都具有十分重要的意义。随着世界人口、环境、资源三大难题的日趋尖锐，海洋己被公认为人类生存的尚未被充分利用的空间、可持续发展的宝贵财富和培育经济成长的聚集点。
[0003]随着海上运输业、石油工业等的发展，油田井喷、船舶碰撞等所造成的突发性溢油事故增多，这样会造成大量油污流入海洋，不仅恶化了海洋的生态环境，还在风、浪、流的作用下漂移进而污染近岸和渔区，直接影响近岸居民的生产生活。国家格外重视海洋环境监测和相关的研究工作，科研人员也正在开展重点研究，力求实现:及时发现溢油污染源，对溢油事件进行预警和早期处理，控制危害扩散，降低损失；对于已造成污染的区域，准确及时地提取溢油数据，从而对溢油进行分析研究，为溢油处理工作提供最重要的数据支撑。
[0004]溢油监测的首要的目标就是怎样快速、准确地获取污染发生位置、油污种类等相关信息。目前实现溢油监测的手段很多，常用的有微波雷达监测系统、红外热成像监测系统，但是这些监测手段通常都受到了海面风浪、天气等因素的影响较重，并且不能对溢油的种类进行鉴别。
[0005]国内外应对于溢油种类分析的技术手段多种多样，其测试原理分为基于物理特性的、基于化学特性的、采用光电测试的。油类监测的具体实施方法又分为气相色谱法、红外光谱法、荧光光谱法、高效液相色谱法以及气相色谱一质谱联用技术。然而，这些手段通常需要预先对溢油进行取样并进行相关的处理才能够进行种类鉴别，不能实时在线地对溢油进行分析并给出结果，并且海洋环境中溢油的组分及其变化都是极为复杂的，而且在许多场合下，往往不是单一油种，还含有其他的油类。
[0006]为了实现溢油的快速监测和种类识别，为抑制溢油污染的扩散提供有效依据，有必要寻求新的手段，开发一种在线的溢油监测分析系统。
【发明内容】
[0007]本发明的目的之一是为了满足海上溢油快速监测和识别的需求，提供一种基于红外成像技术和近红外光谱技术、能够快速探测海面溢油区域并在线分析溢油种类的溢油监测装置。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种红外溢油监测装置，包括近红外光学系统、光栅分光系统、近红外线阵探测器、长波红外光学系统、滤光片系统、长波红外面阵探测器、可见光摄像机、全波段探照光源以及系统电气组件，所述的滤光片系统包括一个全透镜片以及对应不同波段的第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片。
[0009]所述的一种红外溢油监测装置，其近红外光学系统、长波红外光学系统以及可见光摄像机并排安装在最前端，所述的光栅分光系统沿光轴安装在近红外光学系统的后方，所述的近红外线阵探测器沿光轴安装在光栅分光系统的后方，所述的滤光片系统安装在长波红外光学系统的后方，所述的长波红外面阵探测器沿长波红外光学系统的光轴安装在滤光片系统的后方，所述的全波段探照光源平行安装在近红外光学系统一侧。
[0010]所述的一种红外溢油监测装置，其光栅分光系统将透过近红外光学系统的近红外光分成离散波段的光信号并聚焦在近红外线阵探测器上，所述的近红外线阵探测器将接收的近红外光信号转换为模拟电信号并传输给系统电气组件，所述的滤光片系统对透过长波红外光学系统的长波红外光进行滤波并获得四个不同波段的红外光，所述的长波红外面阵探测器将四个不同波段的红外信号转化为模拟电信号并传输给系统电气组件，所述的可见光摄像机采集目标场景的可见光图像并传输给系统电气组件，所述的全波段探照光源在夜间开启，用于代替太阳给目标场景提供入射光源，从而使得近红外光学系统在夜间仍然能够接收到目标场景的近红外反射光，所述的系统电气组件用于将来自于近红外线阵探测器和长波红外面阵探测器的模拟电信号转换为数字信号，并进行数字图像处理和图像融合分析，所述的系统电气组件为系统各组件的正常工作提供所需的偏压和控制信号。
[0011]所述的一种红外溢油监测装置，其滤光片系统经由电机驱动绕轴心O点转动，每转过90度角就更换一个镜片与长波红外光学系统共光轴，第一滤光片允许透过9.4微米的波长，第二滤光片允许透过10.4微米的波长，第三滤光片允许透过11.4微米的波长，所述的光栅分光系统可以将入射的近红外光分成480个波段。
[0012]本发明的目的之二是提供上述监测装置的监测方法。
[0013]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种红外溢油监测装置的监测方法，包括如下步骤:
I系统数据库训练阶段
a)、白天时，在一片已知的溢油区域对系统进行训练，将长波红外光学系统对准溢油区域进行成像；
b)、电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得第一滤光片与长波红外光学系统共光轴；长波红外面阵探测器接收红外辐射光，并将接收到的辐射信号转换为模拟电信号传输给系统电气组件，系统电气组件则将接收到的模拟电信号转换为数字图像Il ;
C)、电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得第二滤光片与长波红外光学系统共光轴，系统将获得波长为10.4微米的数字图像12 ;电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得第三滤光片与长波红外光学系统共光轴，系统将获得波长为11.4微米的数字图像13 ;电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得全透镜片与长波红外光学系统共光轴，系统将获得未被滤波的长波红外数字图像14 ；
d)、系统电气组件将获得的数字图像11、12以及13进行融合，获得伪彩色图像，对已知的溢油区域进行标记，并在数据库中记录当前溢油区域的色彩范围；
e)、将近红外光学系统的光轴对准溢油区域，透过近红外光学系统的光被光栅分光系统分成一系列离散波段的光并由近红外线阵探测器接收转换为模拟电信号传输给系统电气组件，系统电气组件将接收到的模拟电信号转换为光谱数字信号并在数据库中记录下来；
f)、对不同的溢油品种和油膜厚度进行长波红外成像和近红外光谱记录，每一种溢油品种和油膜厚度都重复多次试验，使得数据库中记录大量的溢油图像数据和溢油光谱数据；
g)、在夜间时，打开全波段探照光源，使其对溢油区域进行照射，然后重复步骤a)至步骤f);
II溢油监测阶段
h)、白天时，将长波红外光学系统对准监测区域进行成像；
i)、电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得第一滤光片与长波红外光学系统共光轴；长波红外面阵探测器接收红外辐射光，并将接收到的辐射信号转换为模拟电信号传输给系统电气组件，电气组件则将接收到的模拟电信号转换为数字图像Il ;
j)、电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得第二滤光片与长波红外光学系统共光轴，系统获得波长为10.4微米的数字图像12 ;电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得第三滤光片与长波红外光学系统共光轴，系统获得波长为11.4微米的数字图像13 ;电机驱动滤光片系统绕轴心O点转动，使得全透镜片与长波红外光学系统共光轴，系统将获得未被滤波的长波红外数字图像14 ；
k)、系统电气组件将获得三个长波红外波段的数字图像I1、12以及13进行融合，获得伪彩色图像，将伪彩色图像的像素和数据库中记录的溢油区域的像素进行相似度计算，当相似度值大于设定的阈值Tl，且为一系列相似度值中的最大值时，则认为该像素所对应的区域属于溢油区域，并认为相似像素所对应的油膜厚度为该溢油区域的大概油膜厚度；
I)、将近红外光学系统的光轴对准溢油区域，透过近红外光学系统的光将被光栅分光系统分成一系列离散波段的光并由近红外线阵探测器接收转换为模拟电信号传输给系统电气组件，系统电气组件将接收到的模拟电信号转换为光谱数字信号并在数据库中记录下来；
m)、将获得的光谱数据和数据库中对应的光谱数据库进行对比，计算相似度，当相似度大于设定的阈值T2，且为一系列相似度值中的最大值时，则认为该数据库中相似像素所对应的溢油品种为探测区域的溢油品种；
η)、在夜间时，打开全波段探照光源，使其对溢油区域进行照射，然后重复步骤h)至步骤m) ο
[0014]本发明的有益效果是:利用长波红外波段的多波段融合技术实现海面溢油和海水等物质的分类，实现溢油区域的精确探测