热液释放的高温甲烷气体经扩散作用先后进入海洋和大气, 并对地球物理、 化学和生物方面产生深刻影响。 由于海洋溶解甲烷数据的缺乏, 导致人们对深海热液释放甲烷的活动机制和环境效应还缺乏足够的认识。 我们前期提出一种光学被动成像干涉系统OPIIS用于热液甲烷浓度、 温度和压强的实时探测和长期观测。 为了从OPIIS的干涉光谱中精确、 稳定、 快速的获取热液甲烷信息, 采用将干涉光谱与偏最小二乘法相结合的方法处理OPIIS数据。 首先分别建立三个甲烷浓度、 温度和压强的单因变量预测模型, 再利用干涉条纹与辐射光谱的关系, 间接建立干涉光谱与甲烷浓度、 温度和压强的PLS预测模型, 提高了预测模型在实际应用中的抗干扰能力和稳定性。 基于洛仑兹线型建立了不同于大气环境的深海气体辐射模型, 并利用HITRAN2016分子光谱数据库的光谱参数, 建立了深海甲烷在任意浓度、 任意温度和任意压强下的辐射光谱数据库。 挑选热液其他气体对甲烷探测干扰较小的甲烷泛频带1.64～1.66 μm内的六条谱线建立甲烷辐射光谱与浓度、 温度和压强的偏最小二乘回归模型。 另外, 分析了训练集取样个数、 取样间隔和主成分个数对提高预测模型综合性能的作用。 利用不同训练集样本数, 不同训练集取样间隔和不同的主成分数, 分别建立96个浓度、 温度和压强预测模型, 并分别利用25组预测集样本对预测模型进行交叉验证。 不同模型预测均方根误差和决定系数的对比表明, 训练集取样个数、 取样间隔和主成分个数等单一因素的改变并不能同时提高预测模型的预测精度、 稳定性、 适用范围和运算量等综合性能。 经过平衡选取各项指标确定的最优回归模型的参数为: 浓度、 温度和压强的适用范围分别为5～375 mmol·L-1, 580～678 K, 10～34.5 MPa, 浓度、 温度和压强的训练集取样个数分别为50组, 25组, 25组, 采样间隔分别为5 mmol·L-1, 2 K, 0.5 MPa, 浓度、 温度和压强预测模型的主成分数分别为2, 2, 5。 浓度、 温度和压强预测模型的预测均方根误差分别为3.082×10-6, 0.977 0, 5.052×10-3, 决定系数分别为0.999 9, 0.998 9, 0.999 9。 浓度、 温度和压强的预测误差分别为±1.21×10-7, ±3.63×10-3, ±9.49×10-4, 对应的预测精度分别为±45.4 nmol·L-1, ±2.5 K, ±3.3×10-2 MPa。 结果表明, 干涉光谱结合偏最小二乘法的反演算法可以精确、 稳定、 快速的获取热液甲烷气体的浓度、 温度和压强信息。

本文提出利用光学成像干涉技术主动遥感探测可燃冰的温度、压强、浓度物理量。通过光纤将海面上波长为1.65 μm的激光传输到海底, 激发海底可燃冰, 将CH4发射的1.65 μm附近相距很近的10条谱线用光纤收集传回到海面上, 经过成像干涉系统, 在CCD相机上得到5条成像干涉条纹, 选择两条相邻干涉条纹的灰度值, 利用“转动谱线测温法”和洛伦兹线型即可获得海底可燃冰CH4的温度、压强、浓度等参量。实验得出CH4的正演成像干涉图, 并得到CCD上的电子计数1.68×105远远大于拟用CCD噪声400e, 系统的最大信噪比为291, 窄带干涉滤光片可在16°视场内区分CH4的10条目标谱线, CH4的温度和浓度探测精度分别为1 K和3%。研究表明, 该成像干涉系统可用于遥感探测海底可燃冰。

为了实现对热液甲烷浓度、温度和压强信息的实时、长期探测, 提出一种新颖的光学被动成像干涉系统(Optical Passive Imaging Interference System, OPIIS), 并建立了该系统的正演模型和反演模型。首先利用IDL语言建立了包括深海气体辐射模型、海水传输模型和仪器响应模型的OPIIS正演模型, 并模拟其正演干涉图。正演干涉图信噪比总体处于50~70, 浓度探测灵敏度为0.1 mmol/L, 温度灵敏度为2 K, 压强灵敏度为0.1 MPa。其次采用成像干涉技术结合偏最小二乘法的方法进行OPIIS数据的精确、快速反演。利用25个建模样本建立了甲烷多因变量PLS回归模型, 并利用25个预测样本对回归模型进行交叉检验。该最优回归模型的浓度预测最大误差为1.9%, 温度预测最大误差为0.38%, 压强预测最大误差为1.0%。