CN105223177A - 一种距离自适应海洋溢油监测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种距离自适应海洋溢油监测设备，包括光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件、信号控制与处理板，所述光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件与信号控制与处理板连接，所述光源发射组件照射在水面上，并且所述荧光接收组件、红外光接收组件探测所述光源发射组件照射区域的水面信号，所述荧光接收组件、红外光接收组件具有不同频率的光谱响应通道。本发明的有益效果是采用紫外光诱导荧光方法，非接触监测，不需要采集样品进行化学反应，避免了二次污染，同时采用荧光通道和红外通道双通道接收能够自适应距离的变化，具有环境适应性强、灵敏度高、结构简单、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种距离自适应海洋溢油监测设备及方法，属于溢油监测设备技术领域。
背景技术
随着全球工业化进程的快速推进，人们对石油能源的需求与日俱增，深海石油开采和海上石油运输活动急剧增加，由此导致的溢油事故频繁发生，严重危害了海洋生物的生存环境，对海洋生态和沿岸生产生活造成了深远影响。基于地基平台的水面油膜监视与监测设备固定安装于特定地点，对小范围进行重点监视，可及时发现小型溢油事件，并在第一时间发出警报。已有基于地基平台的水面油膜监视与监测设备，多采用紫外诱导油荧光的原理进行溢油监测，采用紫外激光或脉冲氙灯或LED作为激发光源，采用光电探测器进行信号采集，通过对信号强度进行阈值判断判定是否发生溢油，当潮汐或外界环境变化导致监测距离发生变化时，监测信号强度会明显改变，从而使先前设定的阈值失效，不能正确的判断是否发生了溢油。现有设备往往不能自适应探测距离的变化，因此，不能很好地适用于监测环境复杂、探测距离多变的监测地点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种距离自适应海洋溢油监测设备及方法，能够在一定的距离变化范围内自适应对海洋溢油情况进行监测。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种距离自适应海洋溢油监测设备，包括光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件、信号控制与处理板，所述光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件与信号控制与处理板连接，所述光源发射组件照射在水面上，并且所述荧光接收组件、红外光接收组件探测所述光源发射组件照射区域的水面信号，所述荧光接收组件、红外光接收组件具有不同频率的光谱响应通道。
所述光源发射组件发射两个不同光谱的光束，所述荧光接收组件对其中一个光束响应，所述红外光接收组件对另一个光束响应。
所述光源发射组件包括宽光谱光源、第三会聚透镜和发射滤光片，宽光谱光源的前方设置发射滤光片，发射滤光片的前方设置第三会聚透镜，所述发射滤光片将宽光谱光束过滤后得到紫外光和红外光。
所述荧光接收组件包括第一光电探测器、荧光接收带通滤光片、第一会聚镜，所述第一光电探测器的前方安装所述荧光接收带通滤光片，所述荧光接收带通滤光片的前方安装所述第一会聚镜。
所述红外光接收组件包括第二光电探测器、红外接收带通滤光片、第二会聚镜，所述第二光电探测器的前方安装所述红外接收带通滤光片，所述红外接收带通滤光片的前方安装所述第二会聚镜。
所述的信号控制与处理板包括光源脉冲调制控制电路、接收信号解调电路、模数转换、溢油监测算法和对外接口。
宽光谱光源优选脉冲氙灯，功率50W，可根据需要调节发光频率，实现发射光的调制。
发射镜头选用石英镜片，以保证在200nm～400nm的紫外范围内有良好的透过率。
发射滤光片为宽带带通滤光片，透过曲线包含两个通带范围，一个通带范围覆盖200nm～400nm紫外光谱，另一个通带在850nm～1100nm红外范围内，其他谱段完全截止。
接收会聚镜采用石英或K9玻璃透镜，在可见光-近红外范围内有良好的透过率。
荧光接收带通滤光片的透过范围覆盖400nm～700nm范围，透过带优选400nm～500nm，峰值透过率超过50％，在200nm～400nm和600nm～1100nm完全截止。
红外接收带通滤光片的透过范围覆盖850nm～1100nm。
光电传感器选用大面阵硅光电二极管，在400nm～600nm范围内有较高的光电转换效率，同时光谱响应范围覆盖400nm～1100nm。
信号控制与处理板以DSP处理器为核心，可选用TMS320F28335。功能包括光源脉冲调制控制电路、接收信号解调电路、模数转换、溢油监测算法和对外接口。光源脉冲调制控制电路控制光源发射高频脉冲光束，接收信号解调电路接收荧光信号或红外信号并进行解调，通过信号调制解调，滤除环境光信号的干扰，最大限度的提高信噪比。模数转换将解调后的电压信号转换为数字信号，运行溢油监测算法，计算出是否有溢油发生，最终通过对外接口如RS232、无线通信接口等实时传递给上位机做进一步应急预警处理。
一种距离自适应海洋溢油监测方法，采用宽光谱光源，宽光谱光源发出的宽光谱光束经滤光片过滤后得到紫外光和红外光，由会聚镜会聚并投射到被监测水面区域，分别采用两路通道对受激激发的荧光信号和水面反射的激发光束中红外信号进行接收，两路信号强度都包含了随距离的衰减因子，通过将两路信号求比值消除信号强度随距离的变化，通过对两路信号比值设定阈值，判断水面是否有油膜存在。
本发明的有益效果是采用紫外光诱导荧光方法，非接触监测，不需要采集样品进行化学反应，避免了二次污染，同时采用荧光通道和红外通道双通道接收能够自适应距离的变化，具有环境适应性强、灵敏度高、结构简单、成本低的优点。
附图说明
图1是本发明的模块结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例所述一种距离自适应海洋溢油监测设备，包括光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件、信号控制与处理板，所述光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件与信号控制与处理板连接，所述光源发射组件照射在水面上，并且所述荧光接收组件、红外光接收组件探测所述光源发射组件照射区域的水面信号，所述荧光接收组件、红外光接收组件具有不同频率的光谱响应通道。
所述光源发射组件发射两个不同光谱的光束，所述荧光接收组件对其中一个光束响应，所述红外光接收组件对另一个光束响应。
所述光源发射组件包括宽光谱光源、第三会聚透镜和发射滤光片，宽光谱光源的前方设置发射滤光片，发射滤光片的前方设置第三会聚透镜，所述发射滤光片将宽光谱光束过滤后得到紫外光和红外光。
所述荧光接收组件包括第一光电探测器、荧光接收带通滤光片、第一会聚镜，所述第一光电探测器的前方安装所述荧光接收带通滤光片，所述荧光接收带通滤光片的前方安装所述第一会聚镜。
所述红外光接收组件包括第二光电探测器、红外接收带通滤光片、第二会聚镜，所述第二光电探测器的前方安装所述红外接收带通滤光片，所述红外接收带通滤光片的前方安装所述第二会聚镜。
所述的信号控制与处理板包括光源脉冲调制控制电路、接收信号解调电路、模数转换、溢油监测算法和对外接口。
宽光谱光源优选脉冲氙灯，功率50W，可根据需要调节发光频率，实现发射光的调制。
发射镜头选用石英镜片，以保证在200nm～400nm的紫外范围内有良好的透过率。
发射滤光片为宽带带通滤光片，透过曲线包含两个通带范围，一个通带范围覆盖200nm～400nm紫外光谱，另一个通带在850nm～1100nm红外范围内，其他谱段完全截止。
接收会聚镜采用石英或K9玻璃透镜，在可见光-近红外范围内有良好的透过率。
荧光接收带通滤光片的透过范围覆盖400nm～700nm范围，透过带优选400nm～500nm，峰值透过率超过50％，在200nm～400nm和600nm～1100nm完全截止。
红外接收带通滤光片的透过范围覆盖850nm～1100nm。
光电传感器选用大面阵硅光电二极管，在400nm～600nm范围内有较高的光电转换效率，同时光谱响应范围覆盖400nm～1100nm。
信号控制与处理板以DSP处理器为核心，可选用TMS320F28335。功能包括光源脉冲调制控制电路、接收信号解调电路、模数转换、溢油监测算法和对外接口。光源脉冲调制控制电路控制光源发射高频脉冲光束，接收信号解调电路接收荧光信号或红外信号并进行解调，通过信号调制解调，滤除环境光信号的干扰，最大限度的提高信噪比。模数转换将解调后的电压信号转换为数字信号，运行溢油监测算法，计算出是否有溢油发生，最终通过对外接口如RS232、无线通信接口等实时传递给上位机做进一步应急预警处理。
一种距离自适应海洋溢油监测方法，采用宽光谱光源，宽光谱光源发出的宽光谱光束经滤光片过滤后得到紫外光和红外光，由会聚镜会聚后投射到被监测水面区域，分别采用两路通道对受激激发的荧光信号和水面反射的激发光束中红外信号进行接收，两路信号强度都包含了随距离的衰减因子，通过将两路信号求比值消除信号强度随距离的变化，通过对两路信号比值设定阈值，判断水面是否有油膜存在。
本发明的有益效果是采用紫外光诱导荧光方法，非接触监测，不需要采集样品进行化学反应，避免了二次污染，同时采用荧光通道和红外通道双通道接收能够自适应距离的变化，具有环境适应性强、灵敏度高、结构简单、成本低的优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。同时本发明的上述实施例举仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而对本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化、变动或替换，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化、变动或替换仍处于本发明及权利要求的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种距离自适应海洋溢油监测设备，包括光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件和信号控制与处理板，其特征在于，所述光源发射组件、荧光接收组件、红外光接收组件与信号控制与处理板连接，所述光源发射组件照射在水面上，并且所述荧光接收组件、红外光接收组件探测所述光源发射组件照射区域的水面信号，所述荧光接收组件、红外光接收组件具有不同频率的光谱响应通道。
2.如权利要求1所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
所述光源发射组件发射两个不同光谱的光束，所述荧光接收组件对其中一个光束响应，所述红外光接收组件对另一个光束响应。
3.如权利要求2所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
所述光源发射组件包括宽光谱光源、发射滤光片和第三会聚透镜，宽光谱光源的前方设置发射滤光片，发射滤光片的前方设置第三会聚透镜，所述发射滤光片将宽光谱光束过滤后得到紫外光和红外光。
4.如权利要求3所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
所述荧光接收组件包括第一光电探测器、荧光接收带通滤光片、第一会聚镜，所述第一光电探测器的前方安装所述荧光接收带通滤光片，所述荧光接收带通滤光片的前方安装所述第一会聚镜。
5.如权利要求4所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
所述红外光接收组件包括第二光电探测器、红外接收带通滤光片、第二会聚镜，所述第二光电探测器的前方安装所述红外接收带通滤光片，所述红外接收带通滤光片的前方安装所述第二会聚镜。
6.如权利要求1所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
宽光谱光源优选脉冲氙灯。
7.如权利要求2所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
发射滤光片为宽带带通滤光片，透过曲线包含两个通带范围，一个通带范围覆盖紫外光谱，另一个通带在红外范围内，其他谱段完全截止。
8.如权利要求1所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
荧光接收带通滤光片的透过范围覆盖400nm～700nm范围，透过带优选400nm～500nm，峰值透过率超过50％，在200nm～400nm和600nm～1100nm完全截止。
9.如权利要求1所述的距离自适应海洋溢油监测设备，其特征在于，
红外接收带通滤光片的透过范围覆盖850nm～1100nm。
10.一种距离自适应海洋溢油监测方法，采用宽光谱光源，宽光谱光源发出的宽光谱光束经滤光片过滤后得到紫外光和红外光，由会聚镜会聚并投射到被监测水面区域，分别采用两路通道对受激激发的荧光信号和水面反射的激发光束中红外信号进行接收，两路信号强度都包含了随距离的衰减因子，通过将两路信号求比值消除信号强度随距离的变化，通过对两路信号比值设定阈值，判断水面是否有油膜存在。
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