利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的装置和方法

技术特征：
1.一种利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，包括：采集含有溢油的海水的荧光光谱数据；对荧光光谱数据进行光谱平滑去噪声处理，得到平滑荧光光谱图；对所述平滑荧光光谱图进行基线校正，去除本地基线；对去除本地基线后的荧光光谱图进行峰值拾取，拾取出所有特征峰的光谱位置和强度；将拾取出的特征峰的光谱位置和强度，与汽油和柴油的荧光光谱图谱进行比对，识别出所述溢油是否为汽油或柴油；在所述溢油不是汽油和柴油时，采集所述含有溢油的海水的拉曼光谱数据；对拉曼光谱数据进行光谱平滑去噪声处理，得到平滑拉曼光谱图；对所述平滑拉曼光谱图进行基线校正，去除本地基线；对去除本地基线后的拉曼光谱图进行峰值拾取，拾取出所有特征峰的光谱位置和强度；将拾取出的特征峰的光谱位置和强度，与原油及成品油多环芳烃种类特征的拉曼光谱图谱进行比对，识别出溢油中所含的多环芳烃种类；根据溢油中所含的多环芳烃种类及各类多环芳烃的含量占比，识别出溢油的类型。2.根据权利要求1所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，在采集所述含有溢油的海水的拉曼光谱数据的过程中，包括：分别利用波长为785nm和830nm的激光照射含有溢油的海水，以激发出785nm所属拉曼光信号和830nm所属拉曼光信号；采集所述785nm所属拉曼光信号和830nm所属拉曼光信号，分别形成785nm所属拉曼特征光谱和830nm所属拉曼特征光谱；对所述785nm所属拉曼特征光谱和830nm所属拉曼特征光谱做差分，得到消除荧光后的拉曼光谱数据。3.根据权利要求1所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，在对拉曼光谱数据和荧光光谱数据进行平滑去噪声处理时，采用savitzky-golay多项式平滑算法，通过加权平均进行光谱去噪。4.根据权利要求3所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，所述基线校正包括：将原始光谱数据p[n]与通过savitzky-golay多项式平滑处理后的光谱数据e[n]中的每个点进行对比分析，即，对p[n
i
]与e[n
i
]作对比，取两者的较小值组合生成baseline曲线b[n]；将原始光谱数据与生成的baseline数据做差值，并采用梯形法求积分，形成新的矩阵c[n];寻找同时满足条件c[n
i-1
]< c[n
i-2
]、c[n
i-1
]< c[n
i
]的点n
i-1
，提取b[n
i-1
]生成最小基线b
min
[n]；将原始光谱数据p[n]与b
min
[n]做差值，得到基线校正后的光谱数据d[n]。5.根据权利要求1所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，在对拉曼光谱图和荧光光谱图进行峰值拾取的过程中，采用以下特征峰拾取过程：
将经过去噪和基线校正后的光谱数据表示为d[n]={n1, n2, n3,
…
,n
z
};将光谱数据中每5个相邻数据点组成一组数据，记为a
k
{n
i-2
, n
i-1
, n
i
, n
i 1
, n
i 2
}，其中，n
i
表示光谱坐标为i处的光强度；对每一组数据中的5个数据点进行升序排序；若相邻的三组数据a
k-1
、a
k
、a
k 1
中，a
k-1
的光谱坐标升序，a
k
的光谱坐标乱序，a
k 1
的光谱坐标降序，则将a
k
位置判定为特征峰位置。6.根据权利要求1所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，所述根据溢油中所含的多环芳烃种类及各类多环芳烃的含量占比，识别出溢油类型的过程中，包括：提取多环芳烃中萘、菲、蒽、荧蒽、芘五种物质所对应的特征峰的峰高；计算所述五种物质的峰高之和，形成总峰高；计算萘、菲两种物质所对应的特征峰的峰高之和相对所述总峰高的占比；若萘、菲两种物质的占比高于20%，则判定为轻质油；若萘、菲两种物质的占比在10%~20%之间，则判定为燃料油；若萘、菲两种物质的占比低于10%，则判定为原油。7.根据权利要求1至6中任一项所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法，其特征在于，在识别出溢油类型后，执行溢油浓度检测过程，包括：若所述溢油为汽油或柴油，则提取荧光光谱图中的所有特征峰强度；若所述溢油不是汽油和柴油，则提取拉曼光谱图中的所有特征峰强度；利用以下多元线性回归模型，计算溢油浓度：y=b0 b1x1 b2x2
…
b
r
x
r
e；其中，y表示溢油浓度；x1，x2，
…
，x
r
表示从荧光光谱图或拉曼光谱图中提取到的r个特征峰强度，r为特征峰的总个数；b0为常数项；b1，b2，
…
，b
r
为回归系数；e为随机误差项。8.一种利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的装置，其特征在于，包括：自动环流平台，其用于采集含有溢油的海水，并将所述海水与用于表面增强拉曼光谱检测所需的纳米材料进行恒温混合，将海水进样和恒温混合液体分时送入比色皿，以分别进行荧光光谱探测和拉曼光谱探测；光学检测系统，其利用可激发荧光信号的激光光源照射比色皿中的海水进样，以激发出荧光信号并进行收集，生成荧光光谱数据；或者利用可激发拉曼光信号的激光光源照射比色皿中的恒温混合液体，以激发出拉曼光信号并进行收集，生成拉曼光谱数据；自动控制单元，其接收所述荧光光谱数据和拉曼光谱数据，并执行如权利要求1至7中任一项所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的方法。9.根据权利要求8所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的装置，其特征在于，所述自动环流平台包括：第一三通阀，其第一选通口用于进样所述纳米材料，第二选通口用于接入管道清洗液；第二三通阀，其第一选通口连通所述第一三通阀的公共口；恒温混合环流管，其入水口连通所述第二三通阀的公共口；第三三通阀，其第一选通口用于进样含有溢油的海水，第二选通口连通所述恒温混合环流管的出水口；
蠕动泵，其入水口连通所述第三三通阀的公共口；第四三通阀，其公共口连通所述蠕动泵的出水口，其第一选通口连通所述第二三通阀的第二选通口，第四三通阀的第二选通口连通所述比色皿；其中，在对海水溢油进行分类检测的过程中，所述自动控制单元对所述自动环流平台执行以下控制过程：控制所述第三三通阀的公共口与自身的第一选通口连通，控制所述第四三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，启动所述蠕动泵，向比色皿中泵入含有溢油的海水，以用于荧光光谱探测；控制所述第一三通阀、第二三通阀和第四三通阀的公共口与自身的第一选通口连通，控制所述第三三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，将所述纳米材料泵入所述恒温混合环流管；控制所述第二三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，控制所述第三三通阀的公共口与自身的第一选通口连通，泵入一定量含有溢油的海水；控制所述第三三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，形成混合环路，使所述海水与纳米材料通过所述恒温混合环流管进行充分混合并保持恒温，以形成恒温混合液体；控制所述第四三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，将所述恒温混合液体泵入所述比色皿，以用于拉曼光谱探测；在拉曼光谱探测结束后，控制所述第一三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，并控制所述第二三通阀和第四三通阀的公共口与自身的第一选通口连通，将管道清洗液泵入自动环流平台的管路中；控制所述第二三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，形成清洗环路，对自动环流平台的管路进行清洗；控制所述第四三通阀的公共口与自身的第二选通口连通，对所述比色皿进行清洗。10.根据权利要求8所述的利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的装置，其特征在于，所述光学检测系统包括：荧光光路系统，其包括荧光激光光源、第一准直透镜、第一窄带滤光片、第一汇聚透镜、第二准直透镜、第一长波通滤光片、第二汇聚透镜和荧光探测器；其中，荧光激光光源用于发射360nm的激光，经由第一准直透镜处理成平行光后，出射至第一窄带滤光片，以消除掉360nm以外的杂散光后，经由第一汇聚透镜汇聚到所述比色皿，照射比色皿中含有溢油的海水，以激发出荧光信号；所述第二准直透镜收集所述荧光信号，并以平行光出射至所述长波通滤光片，以滤除掉非荧光信号的干扰光后，通过第二汇聚透镜汇聚到荧光探测器，以实现荧光光谱数据的采集；拉曼光路系统，其包括差分拉曼激光器、第三准直透镜，短波通二向色镜、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第一长波通二向色镜、第三汇聚透镜、第二长波通二向色镜、第二长波通滤光片、第四汇聚透镜和拉曼探测器；其中，所述差分拉曼激光器用于发射785nm和830nm的激光，经由第三准直透镜处理成平行光后，出射至短波通二向色镜，所述短波通二向色镜对785nm的激光透光、对830nm的激光反射，形成两束激光分路传输；其中，785nm的激光通过第二窄带滤光片滤除掉785nm以外的杂散光后，出射至第一长波通二向色镜；830nm的激光通过第三窄带滤光片滤除掉830nm以外的杂散光后，通过第二长波通二向色镜反射
至所述第一长波通二向色镜；所述第一长波通二向色镜对785nm的激光进行反射，对830nm的激光进行透射，使785nm和830nm的两束激光经由第三汇聚透镜汇聚到所述比色皿，以照射比色皿中的恒温混合液体，激发出785nm和830nm两路拉曼光信号；所述两路拉曼光信号分别通过第三汇聚透镜、第一长波通二向色镜和第二长波通二向色镜透射至第二长波通滤光片，以滤除掉小于830nm的非拉曼光信号，经由第四汇聚透镜汇聚到拉曼探测器，以实现拉曼光谱数据的采集。

技术总结
本发明公开了一种利用光谱分析技术对海水溢油进行分类检测的装置和方法，属于多光谱测量技术领域，采用荧光光谱识别汽油和柴油，采用拉曼光谱识别原油、燃料油和轻质油，通过对荧光光谱和拉曼光谱进行平滑去噪、基线校正和峰值拾取，实现了特征峰位置和强度的准确拾取，解决了因特征峰位置估计不准确所导致的油品识别易出现错误的问题，提高了海水溢油分类的准确性。同时，本发明在海水溢油分类检测装置中设计自动环流平台、光学检测系统和自动控制单元，可以自动完成从海水取样、混合、溢油激发、光信号采集、光谱处理到溢油分类识别的全过程，不仅提高了溢油分类检测的速度和准确度，而且可对海水实现原位检测，解决了溢油溯源困难的问题。源困难的问题。源困难的问题。


技术研发人员：马海宽 元光 刘岩 张颖颖 张述伟 曹煊 吴宁 孔祥峰 史倩 王昭玉 马然
受保护的技术使用者：山东省科学院海洋仪器仪表研究所
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/6/21