研究目的
开发一种紧凑型荧光高光谱系统，用于快速响应和分析溢油事故，实现油品成分分析及油膜厚度定量估算。
研究成果
所开发的荧光高光谱成像系统成功实现了油样成分分析与油膜厚度估算，展现出荧光强度与油膜厚度间的线性关系（R2=0.9823），具有高精度特性。该系统结构紧凑、成本经济，适合部署于无人机用于溢油应急响应，但在实际复杂环境中仍需进一步优化。
研究不足
该系统仅适用于可激发并发射荧光的样本。海水中的荧光成分可能造成干扰。使用更高功率的激光器和更灵敏的相机可提升对较薄油膜的检测灵敏度。
1：实验设计与方法选择：
设计并搭建了一套荧光高光谱检测系统，采用405 nm线激光作为激发光源，配备自主研制的棱镜-光栅-棱镜结构成像光谱仪进行检测。系统包含电动平移台用于样品扫描。方法包括光谱校准、数据预处理（背景扣除、条纹噪声消除、Savitzky-Golay平滑）以及采用PCA和K-means聚类进行油品分类、线性回归进行厚度估算的数据分析。
2：样品选择与数据来源：
使用三种原油及其混合物（见表1）进行组分分析。通过向培养皿水中精确添加不同体积柴油，制备100-400 μm厚度（间隔25 μm）的油膜样品，模拟溢油场景。
3：实验设备与材料清单：
设备含405 nm线激光器（200 mW）、二向色分束镜（DMLP425R，Thorlabs）、长通滤光片（FELH0450，Thorlabs）、成像透镜（AC254-030-A，Thorlabs）、狭缝、非球面消色差透镜（#49-665，Edmund）、带光栅（GT25-03，Thorlabs）的棱镜-光栅-棱镜结构、CMOS相机（ASI74MM，ZWO）、电动平移台、样品槽、校准光源（HG-1，Ocean Optics）及移液器。材料包括原油样品、柴油和水。
4：实验流程与操作规范：
系统通过校准光源进行标定。油样检测时电动平移台以20 mm/s速度移动，每50 μm采集一次曝光100 ms的图像。厚度估算时每份柴油样品扫描50幅图像，间距0.5 mm。预处理包含背景扣除、噪声消除和平滑，经PCA降维后采用K-means聚类分析油品分布，通过线性回归建立荧光强度与油膜厚度的关系。
5：5 mm。预处理包含背景扣除、噪声消除和平滑，经PCA降维后采用K-means聚类分析油品分布，通过线性回归建立荧光强度与油膜厚度的关系。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：采用非线性迭代偏最小二乘法PCA进行降维，K-means聚类将光谱归类为油品类型，线性回归分析荧光强度与油膜厚度的关系并计算决定系数R2。
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dichroic beam splitter
DMLP425R
Thorlabs
Reflects the 405 nm laser light to excite the sample and transmits the fluorescence signal for detection.
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longpass filter
FELH0450
Thorlabs
Blocks shorter wavelengths to allow only fluorescence signals above 450 nm to pass through to the spectrometer.
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-
imaging lens
AC254-030-A
Thorlabs
Focuses the fluorescence signal onto the slit of the imaging spectrometer.
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aspherical achromatic lens
#49-665
Edmund
Collimates and focuses the dispersed light in the spectrometer.
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grating
GT25-03
Thorlabs
Disperses the light in the prism-grating-prism structure for spectral analysis.
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calibration source
HG-1
Ocean Optics
Used for spectral calibration of the imaging spectrometer.
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CMOS camera
ASI74MM
ZWO
Detects the hyperspectral images with high sensitivity.
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line laser
Excites fluorescence in oil samples with a 405 nm wavelength and 200 mW power.
暂无现货
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motorized linear stage
Moves the imaging spectrometer to scan samples and acquire hyperspectral data.
暂无现货
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pipette
Measures precise volumes of diesel oil for thickness estimation samples.
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