航运对沿海人口密地区的氮氧化物和硫化物沉降影响巨大,70%的污染集中在400公里范围内,船舶及港口污染是影响城市及区域空气质量的主要元凶。控制燃油质量是减排船舶排放硫氧化物和颗粒物的有效手段。联合国国际海事组织(IM0)近年来大力推进船用大气污染防治的各种措施。2016年IMO大会已通过修订MARPOL公约,决定 2020年后船舶应在全球范围内使用含硫量小于0.5%m/m燃油。在此背景下,迫切需要开展船舶燃料含硫量监测技术研究。欧洲和香港尝试用移动传感器监控排放量,但沿海船舶排放气体扩散较快,监测结果受气象条件影响较大,需要具体监控到每一艘船舶。欧洲尝试用大型无人机监控排放,这种方式效率低下且受到天气影响。光学遥感技术可以在非接触气体条件下实现几公里定量监测,是船舶燃料含硫量的有效技术手段。IMO制定了利用烟气SO2和CO2体积分数比值反演船舶含硫量方法,为船舶燃料含硫量遥测奠定了基础。气体遥测技术按照有无主动光源分为主动式和被动式,主动式需要架设主动光源,无法满足海上船舶监测需求。被动方式主要有差分吸收技术和红外遥测技术等,差分吸收的方式受限非合作目标,红外遥测技术则不受目标限制。高光谱红外遥测技术广泛应用于气体的监测分析方面,如针对于固定排放源或相对固定背景下的监测应用等,然而对于运动中及时变背景下的船舶排放,特别是复杂海况及辐射传输环境下的遥感监测则必须解决相关的基础和技术问题。本文主要研究内容和创新点如下:1、船舶复杂时变背景下的红外高光谱鉴别方法在港口遥测船舶排放烟气过程中,船舶移动导致背景不断变化,目标气体受到大气干扰。大气光谱随着湿度、大气厚度不同而变化,需要一种自适应目标特征提取方法。传统亮温光谱法在先验信息中限定大气和目标的浓度程长值,预先固定了大气和目标光谱形状,在实际应用中大气和目标光谱与设定值不完全相同,因而传统亮温光谱法缺乏自适应性。研究了一种基于LASSO(least absolute shrinkage and selection operator)的红外光谱特征提取方法,充分挖掘先验信息,仿真批量大气和目标光谱数据集,利用LASSO的变量选择优点自适应选择先验光谱,实现背景光谱的自适应扣除。2、海洋环境低仰角天空的大气辐射传输影响校正获取光谱需要经过辐射定标转换为辐亮度,仪器线型函数(ILS)对光谱也具有展宽作用,需要校正这些仪器参数对于获取光谱的影响,提出了一种基于大气吸收光谱的ILS校正方法,使得仿真光谱与实测光谱相匹配。海洋环境下,大气温度和湿度快速变化,测量的光谱包含了快速变化的大气光谱,利用ECMWF(European Center for Medium Range Weather Forecasts)数据实时获取当地温湿度廓线,并结合仪器ILS函数计算仪器测量的大气光谱,提升了大气校正精度。3、建立了我国第一个船舶燃油含硫与红外高光谱数据关联模型,并开展实验验证设计了一套基于傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的船舶尾气遥测系统,编写了控制采集软件,实时显示被测船舶的含硫量。提出了外场条件下的辐射定标方法,利用内置黑体实现外场条件下的快速定标,在实验室内将外置黑体定标系数传递至内置黑体,并通过多温度数据校准内置黑体发射率不准确性。在上海海事大学开展了定量评价实验,测试了不同燃料含硫量、不同工况条件下系统的遥测能力,通过实验证明本系统能够检测0.36%m/m的燃料。在深圳盐田港、上海外高桥港、广州惠州港开展了实地遥测实验,并与抽油检测、无人机嗅探检测进行了对比,反演结果具有较好一致性。论文开展了船舶燃料的红外光谱遥测技术研究,从气体遥测原理入手,分析了 FTIR遥测系统及关键参数,突破了变化背景下微弱气体信号特征提取方法,建立了傅里叶变换红外光谱仪遥测系统,开展了定量评价和港口实验验证,并对遥测影响因素和改进方向进行了分析。通过以上研究,为港口船舶使用燃料含量遥测提供了技术手段,填补了该领域高光谱红外遥测技术应用的空白,为实现船舶燃油清洁自动化监测提供有力支撑。