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高光谱成像的船舶燃油硫含量遥测技术

摘要在港口运输领域，船舶燃油中硫含量检测一直是海事部门的监管重点。随着我国港口贸易飞速发

展，一种简单高效的船舶燃油硫含量检测手段对我国海洋环保事业具有重要意义。现有的检测方法普遍存

在时效性差，应用范围窄等问题，难以实现船舶尾气的大范围快速遥测。利用高光谱成像技术实现船舶尾气

中CO2和SO2的遥测，充分发挥高光谱成像技术信息丰富、检测距离远、检测范围广等优势，发展傅里叶变

换干涉型高光谱成像技术与高光谱成像三维低秩优化技术，解决了开放光路下的低浓度检测问题和复杂环

境干扰问题，成功计算出船舶燃油中的硫含量，为我国船舶燃油中硫含量监测提供有效工具。研究主要包

括：在天津港东疆码头开展昼、夜时段固定船舶硫含量检测试验以及随机船舶硫含量检测试验，采集大量船

舶尾气高光谱图像，建立船舶尾气数据库；发展针对复杂开放光路气体远距离检测的傅里叶变换干涉型高

光谱成像技术，具有高通量、高光谱分辨率、高信噪比等优点，可以将检测距离扩增至1200m，单次检测用

时小于3s；设计基于高光谱成像三维低秩优化技术对高光谱数据进行预处理，以低秩作为约束对高光谱图

像进行三维重建，去除复杂环境对高光谱图像的干扰，实现高光谱图像信噪比的进一步提升；利用偏最小二

乘法化学计量技术实现SO2和CO2气体浓度的准确解析，并依据真实大气辐射情况，建立辐射传输模型，

从而实现对昼、夜环境下加注高硫油的固定船舶以及随机船舶中的准确识别，并在高光谱图像中SO2气体

浓度过高的部分进行主动标识。所述技术已在天津港进行了实地应用，成功检测出Xinchunshun号排放尾气

中SO2气体浓度超标，检测结果与海事部门掌握的数据相符，验证了基于高光谱成像技术的远程被动测量

船舶尾气及燃油中硫含量检测的可行性。

关键词船舶燃油；硫含量检测；远程检测；高光谱成像

监管领域中人为通过视觉观察船舶烟口的尾气排放情况，

引言选择性地登船进行燃油取样并送第三方检验部门做化验分

析。该方法检测目标较随机，针对性不强，效率较低[4。嗅

随着全球航运事业的高速发展，我国港口贸易繁荣，港探法和光学检测法属于遥测技术，通过船舶尾气中CO2和

区流量不断加大，但与之而来的污染问题同样不容忽视。目SO的浓度推测得到船舶燃油中硫含量。嗅探法通过在桥

前船舶使用的燃油（也称为渣油或重油)是炼油的残余产物，梁、固定岸基等承载结构体上加装CO2和SO2嗅探器进行

含硫量高[。燃料燃烧后，燃料油中的硫大部分转化成二氧远程检测[5]。此种方法较为便捷、检测灵敏度高，但嗅探仪

化硫（SO2），部分被氧化为三氧化硫（SO），产生硫酸和硫酸器需要借助外部承载结构，适用范围窄，且易受风力、测试

盐气溶胶，并直接以颗粒物的形式排出，严重影响到大气环距离等的影响[6。光学检测方法中，目前较为流行的包括差

境和气候变化[2]。因此，简单高效的船舶燃油硫含量检测手分吸收雷达技术、分子吸收光谱法7等。其中，差分吸收雷

段对我国海洋环保事业的发展具有重要意义。达技术采用主动探测方式，能够实现立体检测，但设备庞

现有的船舶燃油中硫含量检测方法主要包括抽样检测大，不具备便携性和工程性]。分子吸收光谱法响应速度

法、嗅探法以及光学检测法[3]。抽样检测法需要执法人员在快、检测精度高、可同时检测不同种类的气体，但仅限于单

收稿日期：2021-08-09，修订日期：2022-07-06

1698光谱学与光谱分析第43卷

点检测91，检测效率不足。

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数据量丰富、检测距离远、检测范围广等优势，适合应用于分束镜

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