拉曼光谱检测技术具有快速、 高效、 无需样品预处理和非接触检测等独特优势, 是实现大批量样品高通量无损在线检测的理想方法, 同时也是实现白酒产品中乙醇浓度快速筛检的适宜手段。 然而与纯水溶液不同, 在激发光激励下大部分白酒的光谱中除了乙醇和水的拉曼特征峰外, 还存在明显的本底荧光干扰, 给酒精度检测精度带来负面影响。 因此, 基于拉曼特征峰峰强比值法检测乙醇浓度, 在进行数据处理前需人为选取进行荧光本底拟合的数据点, 主观性强, 数据处理效率低, 难以充分满足高通量样品在线筛检的技术需求。 针对上述问题, 基于自主搭建的激光偏振拉曼光谱检测系统, 对不同偏振角度线偏振光激发下四种白酒样品的拉曼特征峰和荧光本底干扰的偏振特性开展了详细研究, 并根据二者间的偏振特征差异提出了偏振拉曼光谱辅助的白酒乙醇浓度快速检测方法。 实验结果表明, 在差分偏振拉曼光谱的辅助下, 三次多项式拟合的相关系数超过0.99, 可实现3%~97%vol范围内乙醇浓度的准确反演, 且四种白酒样品乙醇浓度的反演精度明显高于传统方法, 显著提升了白酒酒精度检测的效率和精度。

为了在耀光干扰下提升粗糙海面溢油的检测效果，基于Cox-Munk粗糙海面概率统计模型，对不同入射和观测几何下海水与油膜反射耀光的偏振度及其差异进行仿真研究。结果表明：入射和观测几何以及海面介质的折射率是海面耀光偏振度空间分布的主要影响因素；当满足一定太阳入射角时，海面介质折射率差异是水/油反射耀光偏振度差出现“正负反转”的主要原因；入射平面内水面溢油最佳偏振观测角度与太阳入射天顶角和溢油折射率相关。

设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构, 口径为4 m, 视场为0.64°, 焦距为21.6 m, 波段范围为 400~1 000 nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构, 视场为240 mm, 光谱分辨率为10 nm.探测器像元尺寸为15 μm×15 μm, 4片探测器交错拼接实现400 km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000 nm的宽波段内, 点列图半径的均方根值均小于3.9 μm, 静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3 lp/mm处大于0.52, 各项指标均满足应用要求.

采用紫外-可见分光法测量不同浓度的海水相对于纯水的吸光度, 为达到高精度检测海水吸光度的要求, 在检测海水吸光度时将仪器本身固有的背景信号及样品容器之间的差异所产生的误差纳入研究范畴, 对实验方法展开进一步的优化, 利用差减的方法滤除背景信号的干扰, 同时验证了比色皿空杯相对于空气吸光度的重复性及比色皿之间相对于空气吸光度的差异性, 再利用差减的方法滤除比色皿之间的差异所带来的误差, 并且选取一定的特征波长观察其相对于纯水的吸光度数据, 验证了运用优化后的实验检测方法最终达到高精度测量海水吸光度的目的(＜0.000 5 AU), 对于精确检测高透明度水域中的各种物质具有重要意义。

基于532 nm脉冲激光器,搭建了船载三通道海洋激光雷达系统。利用该系统对叶绿素a浓度进行了测量,将所得到的测量结果与商业化叶绿素荧光计的测量结果进行了对比,结果显示,二者的相关系数高达0.84,即表现出良好的线性相关性。为了测试和评估该系统对表层海水叶绿素a浓度的探测性能,开展了初步现场走航实验,并获取了走航路径上表层海水的叶绿素a浓度的分布状况。结果表明,基于激光雷达探测数据反演的表层海水的叶绿素a浓度与商业化叶绿素荧光计同步探测得到的表层海水的叶绿素a浓度的相关系数可达0.69。

为了对模拟溢油样品在不同偏振态激发下诱导荧光的偏振特性进行研究, 借鉴了穆勒矩阵椭偏仪的原理和结构, 搭建了基于旋转波片原理的模拟溢油样品激光诱导荧光椭偏实验装置。 通过特征值校准方法对该装置进行校准, 获得了宽波段下偏振状态调制矩阵W(λ)和偏振状态分析矩阵A(λ)的确切调制状态, 并基于荧光光谱强度矩阵Flu(λ)分别建立了轻、 中、 重质原油样品和柴油样品的荧光穆勒矩阵。 通过极化分解方法对荧光穆勒矩阵进行分解后发现, 不同样品荧光光谱的退偏振性质差异十分显著。 柴油样品荧光穆勒矩阵的退偏振系数Δ(λ)没有明显的波长响应性, 在荧光光谱范围内始终保持较高的退偏值, 而三种原油样品的退偏系数Δ(λ)则随波长增大逐渐上升, 其中, 中质原油样品退偏系数随波长的变化幅度小于重质样品, 超过轻质样品; 就不同样品的退偏值来看, 轻质原油样品最高, 重质样品最低, 中质原油样品介于二者之间, 柴油样品的荧光退偏值略低于轻质原油样品, 介于轻质和中质原油样品之间。 将基于荧光穆勒矩阵极化分解后的结果与线偏振激发下样品荧光光谱的正交偏振实验结果进行对比, 发现两种实验方法获得的退偏系数具有较高的吻合程度。 实验还发现, 四种模拟溢油样品荧光穆勒矩阵所包含的双向衰减和相位延迟性质都很微弱, 不具有明显的差异。

激光诱导荧光是海洋溢油探测的有效手段之一, 但该技术的应用易受自然水体中叶绿素、 CDOM等物质荧光信号的干扰。 为了寻求排除自然水体荧光干扰的方法, 基于532 nm连续激光器搭建了激光诱导偏振荧光实验装置, 并针对六种不同密度的模拟溢油样品和自然水体开展了荧光光谱偏振特性研究。 实验结果发现, 与自然水体的荧光光谱不具有明显的偏振特性不同, 所有模拟溢油样品的诱导荧光均具有明显的偏振特性, 这一结论说明激光诱导荧光光谱的偏振特性可以作为排除叶绿素、 CDOM等物质荧光干扰的依据。 实验还发现, 溢油样品的荧光偏振性质因样品种类而异。 在线偏振光激发下, 原油样品荧光偏振度随波长逐渐降低, 其中重质原油样品偏振度降低幅度最大, 轻质原油样品幅度最小, 而柴油样品荧光偏振度没有明显变化； 当周期性改变激发光的偏振状态时, 所有模拟溢油样品的荧光偏振度随之发生趋势相同的周期性波动, 中质样品荧光偏振度波动的幅度低于重质样品, 但明显超过轻质样品。 这一结果说明, 模拟溢油样品诱导荧光偏振度的波长变化特性及对激发光偏振态的响应特性均与样品密度存在一定关联, 其偏振特性可以作为辅助油种识别的重要参量。

在柴油、 汽油、 重质燃料油等成品油和原油等溢油油源的区分方面, 荧光光谱结合模式识别手段得到了广泛的应用。 传统的三维荧光光谱分析方法虽然能够获得溢油样品丰富的成分信息, 但难以适应现场应用的要求, 目前还停留在实验室检测的阶段。 发展适用于现场应用的原油识别方法, 对于海洋溢油污染的快速响应与处理意义重大。 面向激光雷达的需要, 发展了一种基于激光诱导时间分辨荧光手段、 结合支持向量机（SVM）模型的原油识别方法, 从时间和波长两个不同维度出发, 通过对时间窗口和波长范围的选取进行优化, 获得了理想的油种识别准确率。 实验结果表明通过选取ICCD探测延时为54～74 ns可以将分类正确率从全谱线数据的83.3%提高到88.1%。 通过选取波长范围为387.00～608.87 nm的谱线数据, 可将疑似油种的分类正确率从全谱线数据的84%提高到100%。 激光荧光雷达在实际工作中, 受波浪、 运载平台晃动等因素的影响, 探测延时会出现一定的波动。 本文介绍的分类识别方法通过时间和波长两个维度的筛选, 更加适用于现场探测数据的识别, 并进一步凸显了原油时间分辨荧光光谱特征, 为疑似油种分类识别过程中数据量的压缩提供了重要依据。

为探索激光诱导时间分辨荧光光谱技术应用于海洋悬浮溢油原位探测的可行性, 对来自胜利油田六个不同井区不同密度的原油样品的时间分辨荧光光谱进行了探测分析。 结果发现, 各原油样品荧光发射的持续时间基本相同, 从ICCD中数字延时发生器(DDG)的输入延时52 ns开始, 到输入延时82 ns左右结束, 各原油样品的荧光峰强度随时间变化曲线的半高宽约10 ns; 不同原油样品的最强荧光峰位及其衰减寿命不尽相同, 并且与样品密度有一定相关性, 密度相近的原油具有相近的最强荧光峰位和相似的荧光寿命。 对比六种原油样品的时间分辨荧光光谱发现, 在荧光增强时, 原油荧光光谱峰位不变, 当荧光从最大强度开始衰减时, 六种原油样品的荧光光谱峰位均出现了不同程度(17~30 nm)的红移现象, 这一定程度上反映出原油中各荧光组分的荧光衰减速率存在差异, 或者存在荧光组分之间的能量传递。 所观测到的原油密度相关的时间分辨光谱信息和荧光峰红移现象可望成为水下悬浮溢油识别的有效特征之一。