CN103712606A - 一种海冰监测系统及其监测方法 - Google Patents

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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications

Abstract

本发明公开了一种海冰监测系统及其监测方法，所述的系统包括激光发射系统、激光荧光接收系统、光电转换系统、信号采集系统和控制系统；激光发射系统向海面发射大功率、较高重复频率的特定波长的激光；激光荧光接收系统收集海冰受激发射的荧光信号，并将接收到的荧光信号传输到光电转换系统中；信号采集系统将模拟的电信号转换为数字信号，并存储到控制系统内；控制系统通过数据分析处理系统进行数据分析、处理、对比和显示。本发明可以使用不同温度下海冰激发的荧光光谱数据库，由计算机进行分析对比，所以可以实现实时、高效、准确的分辨海冰的存在。本发明通过测定荧光信号强度在海冰中的衰减度，可以准确的反演出海冰的厚度。

Description

一种海冰监测系统及其监测方法
技术领域
本发明属于海洋环境检测技术领域，尤其涉及一种海冰监测系统及其监测方法。
背景技术
海冰作为全球海—气系统的一员，与海洋和大气环流相互作用影响着人类海上运输、海洋渔业和海洋油气资源开发等活动。海冰不仅能够封锁港口航道中断海上运输，还能破坏港口工程设施和各种海上设施，而且在冰情严重时还会影响渔业生产活动，海冰的漂移也会对海上油气勘探和生产造成巨大的危害。
目前海冰监测手段主要包括：现场人员观测、长期冰站观测和卫星遥感观测，现场人员监测和长期冰站监测耗费大量的人力物力，并且监测海域范围较小。卫星遥感监测依据技术不同，又可分为可见光、热红外、微波等监测。卫星微波遥感观测作为大尺度监测手段，已经不能很好的满足海上运输对海洋环境信息精准性的要求，而可见光、热红外监测受天气影响较大，不能实时性的监测海冰的分布。为了保障海上生产活动的安全，对海冰实时、高效、准确的监测技术方法显得非常重要。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够实时、高效、准确的监测海冰的分布，并判断海冰的存在区域和海冰的厚度的海冰监测系统及其监测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种海冰监测系统，包括激光发射系统、激光荧光接收系统、光电转换系统、信号采集系统和控制系统，所述的激光发射系统与控制系统连接，所述的激光荧光接收系统与光电转换系统连接，所述的光电转换系统与信号采集系统连接，所述的信号采集系统与控制系统连接；所述的激光发射系统包括激光器、激光电源和冷却系统，所述的激光荧光接收系统包括望远镜、滤光器和光纤，所述的控制系统包括计算机和数据分析处理系统。
一种海冰监测系统的监测方法，包括以下步骤：
A、激光发射系统向海面发射大功率、较高重复频率的特定波长的激光；
B、激光荧光接收系统收集海冰受激发射的荧光信号，并将接收到的荧光信号传输到光电转换系统中；
C、光电转换系统将激光荧光接收系统接收到的荧光信号转换成模拟的电信号，并传输到信号采集系统；
D、信号采集系统将模拟的电信号转换为数字信号，并存储到控制系统内；
E、控制系统通过数据分析处理系统进行数据分析、处理、对比和显示，具体步骤如下：
E1、数据分析处理系统运用自适用滤波技术、平滑去噪技术和插值处理技术对激光荧光接收系统接收到的荧光信号进行预处理，去除荧光信号中的杂波信号和背景信号；
E2、将预处理后的荧光数据运用光谱匹配算法、波段选择算法和海冰厚度反演算法反演海冰分布及海冰厚度；
E3、控制系统将最终处理后的荧光数据以波形图的形式在计算机显示器中显示出来，并在控制系统面板中读取海冰的分布以及海冰厚度相关参数。
本发明的工作原理如下：
本发明的激光发射系统向海面发射特定波长、能量的激光，通过激光与海面物质的相互作用，海面物质会激发特定的荧光光谱，荧光进入到激光荧光接收系统的望远镜视场，并经过光谱仪的分光系统选择激光和荧光的反射信号，用光电倍增管放大荧光信号并将其转化为电信号，电信号进入信号采集系统转换为数字信号，计算机对数字信号进行处理、分析；
当用一种波长的光（如紫外光）照射某种物质时，这个物质会在极短的时间内发射出较照射光波长较长的光（如可见光），这种光就称为荧光。荧光并不是所有物质受激都可以发射出来，荧光的产生同物质的分子结构、外部环境（如溶剂的极性、温度、PH值、浓度等）有密切关系；
建立不同温度下海冰激发的荧光光谱数据库，将测得的荧光光谱与数据库中的荧光光谱进行光谱匹配，可以准确的分辨出海冰的存在。海水在激光作用下会产生特定的荧光光谱，海水和海冰的化学组成基本相同，但分子结构（分子之间距离和排列方式）有很大的区别，所以二者产生的荧光光谱会有很大的区别，可以准确的测量出海冰在海水中的覆盖范围；通过测定荧光信号强度在海冰中的衰减度，可以准确的反演出海冰的厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可以使用不同温度下海冰激发的荧光光谱数据库，由计算机进行分析对比，所以可以实现实时、高效、准确的分辨海冰的存在。
2、本发明根据海水和海冰激发的荧光光谱的不同，可以准确的测量出海冰在海水中的覆盖范围。通过测定荧光信号强度在海冰中的衰减度，可以准确的反演出海冰的厚度。
附图说明
本发明共有附图2张，其中：
图1为激光荧光系统结构示意图；
图2为数据分析处理过程示意图。
图中：1、激光发射系统，2、激光荧光接收系统，3、光电转换系统，4、信号采集系统，5、控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
如图1所示的激光荧光系统结构，包括向海面发射激光的激光发射系统1，用于接收海面受激物质发射的荧光信号的激光荧光接收系统2，将荧光信号转换成模拟电信号的光电转换系统3，将模拟电信号转换成数字信号的信号采集系统4，用于将数据分析、处理、对比和显示等操作的控制系统5。
如图2所示的数据分析处理过程，首先将接收到的荧光数据传输到控制系统5中的数据分析处理系统中的预处理模块，主要运用自适用滤波技术、平滑去噪技术和插值处理等技术对数据进行预处理，去除荧光数据中的杂波信号、背景信号等问题；将预处理后的荧光数据传输到控制系统5中的数据分析处理系统中的数据处理和分析模块，运用光谱匹配算法、波段选择算法和海冰厚度反演算法等技术反演海冰分布及海冰厚度。

Claims (2)

1.一种海冰监测系统，其特征在于：包括激光发射系统（1）、激光荧光接收系统（2）、光电转换系统（3）、信号采集系统（4）和控制系统（5），所述的激光发射系统（1）与控制系统（5）连接，所述的激光荧光接收系统（2）与光电转换系统（3）连接，所述的光电转换系统（3）与信号采集系统（4）连接，所述的信号采集系统（4）与控制系统（5）连接；所述的激光发射系统（1）包括激光器、激光电源和冷却系统，所述的激光荧光接收系统（2）包括望远镜、滤光器和光纤，所述的控制系统（5）包括计算机和数据分析处理系统。
2.一种海冰监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、激光发射系统（1）向海面发射大功率、较高重复频率的特定波长的激光；
B、激光荧光接收系统（2）收集海冰受激发射的荧光信号，并将接收到的荧光信号传输到光电转换系统（3）中；
C、光电转换系统（3）将激光荧光接收系统（2）接收到的荧光信号转换成模拟的电信号，并传输到信号采集系统（4）；
D、信号采集系统（4）将模拟的电信号转换为数字信号，并存储到控制系统（5）内；
E、控制系统（5）通过数据分析处理系统进行数据分析、处理、对比和显示，具体步骤如下：
E1、数据分析处理系统运用自适用滤波技术、平滑去噪技术和插值处理技术对激光荧光接收系统（2）接收到的荧光信号进行预处理，去除荧光信号中的杂波信号和背景信号；
E2、将预处理后的荧光数据运用光谱匹配算法、波段选择算法和海冰厚度反演算法反演海冰分布及海冰厚度；
E3、控制系统（5）将最终处理后的荧光数据以波形图的形式在计算机显示器中显示出来，并在控制系统（5）面板中读取海冰的分布以及海冰厚度相关参数。
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