西安电子科技大学研究生学位论文模板(2015年修订版)(5)

目录

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摘要 ........................................................................................................................................ I ABSTRACT ........................................................................................................................ III 插图索引 .............................................................................................................................. V 表格索引 ............................................................................................................................ VII 符号对照表 ......................................................................................................................... IX 缩略语对照表 ..................................................................................................................... XI 目录 .................................................................................................................................. XIII 第一章

1.1 1.2 1.3 1.4 第二章

2.1 2.2

绪论 ...................................................................................................................... 1 课题研究背景 ...................................................................................................... 1 国内外海上溢油监测研究进展 .......................................................................... 2 本文研究对象与意义 .......................................................................................... 4 本文内容结构 ...................................................................................................... 5 荧光法溢油监测基本理论 .................................................................................. 7 引言 ...................................................................................................................... 7 利用光谱进行溢油监测的主要方法 .................................................................. 7 2.2.1 可见光法 ................................................................................................... 7 2.2.2 红外光法 ................................................................................................... 7 2.2.3 紫外光法 ................................................................................................... 8 2.2.4 激光荧光法 ............................................................................................... 8 2.3

荧光原理 .............................................................................................................. 9 2.3.1 荧光定义 ................................................................................................... 9 2.3.2 荧光产生原理 ........................................................................................... 9 2.4

矿物油的荧光法检测 ........................................................................................ 11 2.4.1 矿物油组成与分类 ................................................................................. 11 2.4.2 矿物油荧光法检测可行性分析 ............................................................. 12 2.5 第三章

3.1 3.2

本章小结 ............................................................................................................ 13 港口溢油监测系统硬件平台的设计与实现 .................................................... 15 引言 .................................................................................................................... 15 系统硬件总体设计 ............................................................................................ 15 3.2.1 港口溢油监测系统技术指标需求分析 ................................................. 16 3.2.2 港口溢油监测系统各功能模块介绍 ..................................................... 16

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3.3 系统各部分硬件设计与实现 ........................................................................... 17 3.3.1 激发光源 ................................................................................................. 18 3.3.2 探测模块 ................................................................................................. 20 3.3.3 激发探测部分光学设计 ......................................................................... 23 3.3.4 控制与信号采集处理模块 ..................................................................... 25 3.3.5 无线传输模块 ......................................................................................... 36 3.3.6 报警模块 ................................................................................................. 37 3.3.7 摄像模块 ................................................................................................. 38 3.3.8 电压模块 ................................................................................................. 39

3.4 第四章

4.1 4.2 4.3

本章小结 ........................................................................................................... 39 港口溢油监测系统软件设计与实现 ............................................................... 41 引言 ................................................................................................................... 41 系统总体软件流程设计 ................................................................................... 41 硬件驱动程序设计与实现 ............................................................................... 42 4.3.1 FPGA主要功能模块的设计 .................................................................. 42 4.3.2 测试结果 ................................................................................................. 45

4.4 4.5 4.6 第五章

5.1 5.2

系统功能实测结果 ........................................................................................... 45 控制中心监测软件设计 ................................................................................... 49 本章小结 ........................................................................................................... 50 总结与展望 ....................................................................................................... 51 总结 ................................................................................................................... 51 展望 ................................................................................................................... 51

参考文献 ............................................................................................................................. 53 致谢 ..................................................................................................................................... 57 作者简介 ............................................................................................................................. 59

XIV

第一章绪论

第一章

1.1 课题研究背景

绪论

石油是工业社会的必需品，同样是我们日常生活不能缺少的元素之一。大多数发达国家所使用的能源主要用于依赖石油及石油产品运作的运输业上。当前能源使用趋势显示，这种情况在未来不太可能发生变化[1]。工业上，石油及其衍生品被用来制造塑料、化肥以及其他化工原料，并且在未来对这些重要的石油产品的需求也将有增无减。事实上，随着全世界范围内石油开采量、消费量以及石油产品的不断增加，石油污染的风险也在不断增加。石油从油田到消费者的过程涉及许多不同交通运输模式，包括油轮、输油管道和卡车等。因此，溢油事故可能会发生在整个运输过程的任何一个环节。我国原油进口量已在今年上半年的多月中超过美国，成为世界第一大石油进口国。由于水运成本低，我国90%的进口原油靠水运完成，这就意味着海洋运输活动密度日益增加，港口码头货物装卸包括原油运输活动日益频繁。这样一来，海洋运输航线及港口码头等区域发生溢油污染的几率大大增加。

据统计，我国1997~2002年沿海港口码头海域共发生1吨以上溢油事故178起。其中，操作性事故145起，占总溢油事故次数的82%；事故性漏油33起，占总溢油事故次数的18%。其中1999年在广州珠江口海域发生的“闽燃供2”油轮溢油事故共造成589.7 t燃料油泄露危害重大[2]。2010年7月16日傍晚，位于大连新港码头附近的一输油管道发生爆裂，1500吨原油因此四处飘散。据中国海监船监视结果显示，附近约430平方公里海域被污染。该事故对附近海域的船舶通行、浅海养殖和人工海水浴场等造成了严重影响。2011年6月，渤海海域蓬莱19-3号油田发生重大海底油井原油泄露事件。这是近年来我国大陆地区第一起大规模海底油田漏油事故。据统计，约有700桶原油外溢漂浮在渤海海面，大约2500桶矿物油泥浆渗漏并在海床沉积。国家海洋局透露，这次海底漏油事故导致5500平方公里渤海海域受到污染，仅河北省乐亭县和昌黎县两地的海水养殖业就遭受了高达13亿元的经济损失。2013年11月22日凌晨3点，位于青岛市黄岛区秦皇岛路与斋堂岛路交汇处，中石化输油储运公司一输油管道发生爆裂。斋堂岛路约1000多平方米的路面被原油覆盖，大量原油通过地表流入胶州湾内，约3000平方米胶州湾海域受到污染，直接经济损失达7.5亿元。

由此可见，一旦重大溢油事故发生，海洋生态将遭受严重损害，人民生命财产将受到极大威胁。其中港口发生的重大溢油更是会直接给人们日常生活、海洋生态环境、浅海养殖业以及码头相关行业等造成极大威胁[3]。目前，我国治理环境污染的首要问

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题是对水中矿物油污染的治理[4]。因此，为了避免和减轻溢油事故带来的危害，需要对水体中的矿物油情况进行实时监测，以便及时发现并应对海上随时可能发生的溢油事故。

1.2 国内外海上溢油监测研究进展

目前，海上溢油监测的主要模式包括卫星遥感监测、航空飞机遥感监测、巡逻船遥感监测、CCTV监测、定点监测和浮标跟踪六种[5]。下面将针对这些主要的监测模式对国内外先关的研究进展进行梳理总结。 1) 卫星遥感监测

卫星遥感监测是指以人造卫星为载体，运用卫星搭载的各种不同溢油遥感传感器来接收来自海平面的相关信息，然后对这些信息进行处理分析，从而识别水面油膜[6,7]。

上世纪70年代开始，卫星遥感海洋溢油监测技术开始兴起，经历了从单卫星监测到多卫星监测获取海面信息的过程。1985年，美国科学家们利用ERTS-1卫星影像对弗吉尼亚州阿萨蒂格岛东南海域100公里长的油膜进行了监测试验，在影像中看到了油膜，估算了面积，推断了油污的来源；1989年，美国瑞蒙赛刑利用Landsat-5卫星资料对阿拉斯加湾内的威廉王子湾油轮触礁原油污染进行了监测，确定了油污分布，预报了扩散方向；1998年，美国海洋与大气管理局科学家利用NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)系列卫星ERS-1雷达卫星成功的检测了1991年波斯湾战争期间原油溢油[8]。目前各国开展的用于溢油监测的遥感卫星主要有：陆地资源卫星、欧空局环境卫星、ERS-2雷达卫星、法国斯波特卫星、Radarsat-1雷达卫星、美国国家海洋和大气管理局系列卫星以及美国海洋水色卫星SeaWIFS、IKONOS、Orbview-3和Quickbird等[5]。

卫星遥感模式具有能够全天候监测、作用范围大以及图像数据易于处理等优点，但是其空间分辨率低和重复观测周期长的缺点使得卫星遥感监测方法只能在大范围海域内得到应用，在港口码头以及内河河道等小区域无法有效使用。 2) 航空飞机遥感监测

目前，航空飞机遥感监测主要是采用飞机搭载不同种类的探测设备，获取并处理海面溢油信息，根据获得的信息作出反应。

航空飞机遥感监测使用的探测设备主要包括：机载侧视雷达(SLAR)、红外/紫外扫描仪(IR/UV扫描仪)、微波辐射计(MWR)、航空摄像机、电视摄影机以及与这些仪器相匹配的具有实时图像处理功能的传感器控制系统[9]。

1998年，挪威污染控制局就部署了一架双涡轮螺桨飞机进行海事监测。从2008年夏天开始，比利时军队的无人驾驶飞机就被安放在北海南部海域以对溢油进行监测。

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第一章绪论

目前，美国国土安全部海岸防护队装备的航空溢油监测设备处于该技术领域前沿。我国在航空遥感方面的研究起步较晚，2006年9月广东海事局、大连海事大学及国内有关公司开始研发便携式航空遥感监测海上溢油系统，并于2008年初投入使用[5,10]。

航空飞机遥感监测具有部署机动灵活、监测覆盖范围广并且携带的探测器可根据需求自行选择，但其携带的探测设备价格昂贵，航空飞机遥感监测受天气因素和环境条件影响大，恶劣天气下难以有效工作。 3) 巡逻船遥感监测

巡逻船监视是利用其自带的航海雷达和信息处理系统平台实现对海面溢油遥感监视。巡逻船监视具有一定的机动性，能够达到雨天、雾天等恶劣天气下对海上溢油情况进行监视的目的，克服了光学监测设备的缺点，给海上溢油应急人员提供有效的信息支持。上世纪80年代，在巡逻船航海雷达海面溢油监视方面，俄罗斯、荷兰、加拿大和美国等国家便开始运用X波段雷达进行海面溢油监视做了大量的探索研究，获得的相关技术成果早已在海洋溢油实时监测系统的研究和开发中得到应用。而在国内，只有大连海事大学和长江船舶设计院等少数院校和机构在进行该方面的研发工作，长江船舶设计院研发的船舶溢油监测系统现也已投入使用。

巡逻船溢油监测设备可以实现夜间溢油监测，由于海事工作人员大多在白天进行巡视，因此巡逻船溢油监测设备很少用于夜间监测，而多用于溢油事故发生以后的海面情况跟踪监测，该方法比较容易受环境和天气因素的影响，风浪大时基本无法出海航行。 4) CCTV监测

国内业界根据CCTV监视系统功能将其命名为管道内窥电视摄像检测系统，它是一种基于可见光/反射红外波段的遥感监测技术。国内外对该系统都有成功有效的运用，比如基于摄像机、照相机的CCTV监测系统。现在我国北方大多数港口，比如烟台、天津、秦皇岛和大连都已经建立了CCTV监测系统，其中，烟台港区的CCTV实时监测系统一期工程于2001年开始建设，是中国海事系统最早的数字化电视监控系统，烟台港设有三个CCTV监视点，主要用来监视烟台港区危险品码头、锚地和航道运行状况。长江海事局在沿江的所有重要码头也都配备了CCTV实时监视系统，一旦发生溢油事故，监控指挥人员便可以通过CCTV监视系统清晰地获取溢油现场的情况，对溢油事故做出及时有效的反应。然而，CCTV监视系统只能依靠工作人员肉眼观察鉴别，溢油信息很难通过CCTV检测系统自动识别，因此，该方法对海面溢油事故的发现与监测贡献不大，多用于特定港区特殊时段的溢油监测。 5) 定点监测

定点监视原理是把探测传感器固定安装在被监测水域的某一固定结构平台上进行监测。用于固定探测传感器的平台可以是码头或桥梁的一个固定物体，也可以是漂

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