全天时水面溢油智能监测装置及方法

1.本发明涉及全天时水面溢油智能监测装置及方法，属于化工安全领域。


背景技术：

2.水面溢油是最常见的水体污染物之一。船舶碰撞、翻沉、海底油田开采泄露和井喷等事故，会引起油体泄露，造成水体环境严重污染。有害物质直接污染水质，危害海洋植物和动物安全，破坏海洋食物链，降低海域自净能力。石油中的可溶性芳烃有较大毒性，进入于水体中在海洋生物体内长期富集迁移，并通过食物链最终进入到人体中，危害身体健康。溢油在水面上形成的油膜能阻碍水-气交换，影响水面对电磁波辐射的吸收、传递和反射，减弱了太阳辐射进入水体的能量，直接影响浮游植物的光合作用，致使鱼类、鸟类、海藻等大量死亡。
3.实现水面溢油现场快速检测分析，准确获取事故水域油污泄漏源、泄漏量和扩散信息，可以为溢油污染状况评估和防控措施的制定提供基础数据，对完善国家和区域溢油应急反应体系和提高我国溢油事故应急响应能力具有重要的现实意义。现场监测油类污染物方法中，相比激光荧光法、微波辐射法、微波散射法等，光谱技术监测方法信噪比高、分辨率高、油类污染物归类能力强，但目前光谱技术监测方法只能在白天被动测量，且由于无法实时对光谱校正处理，误差较大。


技术实现要素：

4.本发明采用主被动结合光谱，以及现场实时校正技术，实现水面溢油的全天时、无人值守、连续的智能化监测。
5.本发明采用如下技术方案：
6.全天时水面溢油智能监测装置，包括光谱仪、ccd相机、氙灯光源、光传感器、主控模块和无线数据传输模块；光谱仪、ccd相机、氙灯光源、光传感器和无线数据传输模块分别与主控模块连接。
7.进一步地，全天时水面溢油智能监测装置的光谱仪、ccd相机、氙灯光源和光传感器分别装有透明玻璃窗口，用于接收光谱信号或发射光线。
8.进一步地，其中光谱仪、ccd相机和氙灯光源安装在装置一侧平面，光传感器安装在装置对面的一侧平面。
9.进一步地，使用时，光谱仪、ccd相机和氙灯光源垂直朝向水面，光传感器朝向天空。
10.进一步地，光谱仪负责采集水面反射的太阳或者氙灯光源的光谱数据，用于分析水面是否有溢油以及油膜厚度，光谱仪采集光谱区间为300nm～1400nm。
11.进一步地，ccd相机负责拍摄监测区域图像，图像中监测区域亮度数据用于对光谱仪数据进行归一化处理，扣除背景影响。
12.进一步地，氙灯光源用于在夜间作为光源使用，光谱区间为200nm～1500nm。
13.进一步地，光传感器接收太阳直射以及天空散射光，用来判断场景为白天还是夜间；主控模块负责控制并采集各部分数据，并根据采集数据分析水面溢油情况。
14.进一步地，无线数据传输模块用于和远程计算机之间传输报警信息和数据。
15.一种全天时水面溢油智能监测方法，使用如上任一项所述的装置，所述方法包括如下步骤：
16.①
安装后，第一次使用时首先使用光谱仪测量需要监测水域未溢油区域的光谱信号，作为水体背景光谱数据b；
②
主控模块采集光传感器数据，用来判断白天还是晚上：如果是白天，则不打开氙灯光源，如果是晚上，则打开氙灯光源；
③
光谱仪采集水面反射的太阳或者氙灯光谱数据；
④
ccd相机采集水面图像数据；
⑤
主控模块进行数据处理，根据光谱仪数据和ccd相机数据判断溢油情况，如果有溢油，则通过无线数据传输模块向远程计算机发送报警信息，并发送处理后得到的溢油种类和油膜厚度信息，如果没有溢油则继续从
②
开始监测。
17.进一步地，步骤
⑤
中，数据处理的方法为：
18.(a)根据ccd相机数据获得光谱采样区域辐射亮度数值l；
19.(b)光谱仪数据s滤波去噪得到光谱数据s
′
；(s为
③
步骤中光谱仪采集的原始光谱数据)；
20.(c)s
′
除l，得到归一化校正的光谱仪数据s
″
；
21.(d)s
″
与存储的水体背景光谱数据b进行相关运算，如果相关性《80，则判断为溢油，否则判断未溢油；
22.(e)如果判断为溢油，选取s
″
中450nm，550nm，650nm，700nm，800nm，1150nm数据作为特征点，和数据库中油类特征数据对比，确认溢油种类；(油类特征数据为装置自身存储的不同种类油的光谱特征数据，每个油类特征数据都包含450nm，550nm，650nm，700nm，800nm，1150nm六个波长处的光谱值)；
23.(f)油类确定后，选取s
″
的730nm～770nm和540nm～560nm数据，通过计算这两段光谱数据与1300nm处光谱数据(1300nm处光谱数据指的是s
″
的1300nm处光谱数据)的比值得到油膜厚度。
24.与现有技术相比，本发明优点在于：
25.1、本发明结合主、被动方法优势，实现了水面溢油的全天24小时连续监测；
26.2、本发明不同于传统的采集离散波段光谱数据方法，而是基于连续光谱数据反演溢油情况及油膜厚度，精度更高；
27.3、本发明通过对光谱进行实时校正处理，提高了溢油监测精度。
附图说明
28.图1全天时水面溢油智能监测装置示意图；
29.图2全天时水面溢油智能监测装置工作流程图。
具体实施方式
30.下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的
技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
31.本发明采用主被动结合光谱，以及现场实时校正技术，实现水面溢油的全天时、无人值守、连续的智能化监测。
32.如图1所示，全天时水面溢油智能监测装置主要包括光谱仪、ccd相机、氙灯光源、光传感器、主控模块和无线数据传输模块六部分。光谱仪、ccd相机、氙灯光源、光传感器和无线数据传输模块分别与主控模块连接。
33.全天时水面溢油智能监测装置的光谱仪、ccd相机、氙灯光源和光传感器部分分别装有透明玻璃窗口，用于接收光谱信号或发射光线。
34.其中光谱仪、ccd相机和氙灯光源安装在装置一侧平面，光传感器安装在装置对面的一侧平面。
35.使用时，光谱仪、ccd相机和氙灯光源垂直朝向水面，光传感器朝向天空。进一步地，光谱仪负责采集水面反射的太阳或者氙灯光源的光谱数据，用于分析水面是否有溢油以及油膜厚度，光谱仪采集光谱区间为300nm～1400nm。
36.ccd相机负责拍摄监测区域图像，图像中监测区域亮度数据用于对光谱仪数据进行归一化处理，扣除背景影响。
37.氙灯光源用于在夜间作为光源使用，光谱区间为200nm～1500nm。
38.光传感器接收太阳直射以及天空散射光，用来判断场景为白天还是夜间；主控模块负责控制并采集各部分数据，并根据采集数据分析水面溢油情况。
39.无线数据传输模块用于主控模块和远程计算机之间传输报警信息和数据。
40.如图2所示，上述装置工作流程如下：上述装置安装后，第一次使用时首先使用光谱仪测量需要监测水域未溢油区域的光谱信号，作为水体背景光谱数据b。
①
主控模块采集光传感器数据，用来判断白天还是晚上：如果是白天，则不打开氙灯光源，如果是晚上，则打开氙灯光源；
②
光谱仪采集水面反射的太阳或者氙灯光谱数据；
③
ccd相机采集水面图像数据；
④
主控模块进行数据处理，根据光谱仪数据和ccd相机数据判断溢油情况，如果有溢油，则通过无线数据传输模块向远程计算机发送报警信息，并发送处理后得到的溢油种类和油膜厚度信息，如果没有溢油则继续从
①
开始监测。
41.步骤
④
中，数据处理的方法为：
42.(a)根据ccd相机数据获得光谱采样区域辐射亮度数值l；
43.(b)光谱仪数据s滤波去噪得到光谱数据s
′
；
44.(c)s
′
除l，得到归一化校正的光谱仪数据s
″
；
45.(d)s
″
与存储的水体背景光谱数据b进行相关运算，如果相关性＜80，则判断为溢油，否则判断未溢油；
46.(e)如果判断为溢油，选取s
″
中450nm，550nm，650nm，700nm，800nm，1150nm数据作为特征点，和数据库中油类特征数据对比，确认溢油种类；
47.(f)油种类确定后，选取s
″
的730nm～770nm和540nm～560nm数据，通过计算这两段光谱数据与s
″
的1300nm处光谱数据的比值得到油膜厚度。
48.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员
对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。