CN105241818A - 一种水面油监测光电探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水面油光电探头，主要包括光源、同轴光镜头、光电探测器、控制与信号处理电路，所述同轴光镜头包括半反半透镜和投影镜头，所述半反半透镜相对于所述投影镜头的镜面倾斜放置，并且所述半反半透镜位于所述投影镜头和所述投影镜头的焦点之间，所述光电探测器和所述光源位于所述半反半透镜的两侧并且对称布置，其中所述光电探测器和所述光源位于所述投影镜头的焦点位置。本发明采用LED光源和硅光电二极管阵列，成本更低；采用大面阵光源和近场共轭镜头压缩，使得光强更强，有效提高的探测距离；采用同轴光方法，并且光源大小与探测器大小相同，光源光束和反射光束光路完全重合，探测的测量范围更大。

Description

一种水面油监测光电探头

技术领域

本发明涉及一种水面油监测光电探头，属于光电探测技术领域，特别是用于探测水面溢油污染的传感器技术领域。

背景技术

河流、湖泊、沼泽等水体表面存在浮油时会对水体环境造成极大危害，对水面油的实时监测非常重要，已经有多种类型传感器用于固定点水面浮油的实时监测，其中基于光学探测方法的水面油监测传感器是目前应用最为广泛的实时水面油监测传感器，具有成本低、非接触的优点。

空气的相对折射率为1，水的相对折射率约为1.33，一般油的相对折射率为1.4～1.5之间，根据菲涅尔定律，水面的光反射率一般在2％左右，水面油的反射率在3％～4％之间。因此，当水面存在浮油时，水面的反射率会提高50％～100％，基于光学反射原理可以实现水面油监测。目前已经有相关的产品，采用半导体激光器或发光二极管(LED)作为光源，利用凹面反射镜收集水面反射光，会聚到光电探测器上，探测器进行光电转换，将采集信号与纯水时采集的信号进行对比，根据反射光信号的大小判断是否有水面油存在。现有的基于光反射法的水面油监测设备存在一定缺陷。采用半导体激光器作为光源，虽然光强很强，但是由于光束很细，在对平静水面进行监测时效果较好，但是当水面状态较为复杂，波纹较大时，效果就不理想。现有产品为了提高水面状态复杂时的探测效果，采用二维振镜扫描的方式，将投射到水面的光束扩展为一个面，虽然效果较好，但是增加了扫描振镜，扫描设备相对复杂，成本也大大增加。同时，为了降低环境光的干扰，采用光源调制的方式，但调制主要采用机械式的斩波器，由于存在机械运动部件，可靠性大大降低。现有的采用LED光源的反射式水面油光电探头，虽然成本较低，但由于光源和探测器的光轴是分开的，只在一定的距离范围内有较好的重叠，探测范围很有限，一般在1米之内。在水面状态复杂，水面高度变换较大的情况下，现有的基于光反射法的水面油光电探头很难满足要求，因此，急需一种同时具有成本低、工作距离长、测量范围大和抗干扰能力强的光反射水面油光电探头。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种水面油光电探头，同时具有成本低、工作距离长、测量范围大和抗干扰能力强的优点。

本发明的技术方案是：

一种水面油光电探头，主要包括光源、同轴光镜头、光电探测器、控制与信号处理电路，所述同轴光镜头包括半反半透镜和投影镜头，所述半反半透镜相对于所述投影镜头的镜面倾斜放置，并且所述半反半透镜位于所述投影镜头和所述投影镜头的焦点之间，所述光电探测器和所述光源位于所述半反半透镜的两侧并且对称布置，其中所述光电探测器和所述光源位于所述投影镜头的焦点位置；所述光源和所述光电探测器与所述控制与信号处理电路连接。

进一步优选的，所述半反半透镜与所述投影镜头的镜面之间所呈倾角为30-80度之间。

更进一步的，所述半反半透镜与所述投影镜头的镜面之间所呈倾角为40-60度之间。

进一步优选的，还包括带通滤光片，所述带通滤光片位于所述投影镜头的下方，使经过所述投影镜头的出射光线穿过所述带通滤光片之后再照射到水面上。

或者，所述带通滤光片，放置在所述光电探测器感光面的前端。

所述光电探测器，为大面阵硅光电二极管，在可见光至近红外谱段具有良好的光电转换效率。感光面与同轴光镜头的焦面重合，接收透过半反半透镜的光束。

所述光源和光电探测器相对于同轴光镜头的位置可互换。

所述光源采用LED光源阵列，LED光源阵列的发光面与同轴光镜头的焦面位置重合。

LED光源阵列的发光面大小与光电探测器感光面大小相同；或者经过近场共轭光学镜头进行放大或缩小，并采用光阑放置在光源的实像面上进行大小限制，光阑面与同轴光镜头焦面重合，光阑开口大小与光电探测器感光面大小相同。LED光源阵列由驱动电路控制，实现光源的调制，调制方式可为方波调制或正弦调制。

所述控制与信号处理电路，包括光源调制驱动模块、前置放大模块、接收信号解调模块、模数转换模块、数字信号处理器和接收信号处理模块，

所述前置放大模块与所述光电探测器连接，用以接收所述光电探测器的电信号；所述接收信号解调模块，与所述前置放大模块连接，用以接收所述前置放大模块发送的电信号，并对电信号进行解调；所述模数转换模块，接收所述接收信号解调模块的电信号，并对电信号进行模数转换之后发送给所述数字信号处理器；所述数字信号处理器同时与所述接收信号解调模块、所述模数转换模块、所述接收信号处理模块、所述光源调制驱动模块连接；所述光源调制驱动模块与光源连接。

所述前置放大模块，包括电流电压转换模块、滤波模块和调制信号放大模块，其中所述电流电压转换模块与所述滤波模块连接，所述滤波模块与所述调制信号放大模块连接。

所述光源调制驱动模块为恒流源驱动模块。

所述控制与信号处理电路，以数字信号处理器为核心，产生调制信号控制恒流源驱动光源发出调制光，对前置放大后的电压信号进行解调，并控制模数转换器将解调后的电压信号转换为数字信号，进一步通过数字信号处理实现水面油的监测。

所述恒流源驱动模块驱动所述LED光源阵列发出具有一定调制频率的光，进入同轴光镜头后，首先经半反半透镜反射，再通过镜头投射到水面，原路返回的水面反射光再次进入同轴光镜头会聚，透过半反半透镜的光会聚至光电探测器的感光面。控制与信号处理电路接收探测器的调制光电流信号，经电流/电压转换，将电压信号进行放大、解调，经A/D转换为数字信号，进一步通过数字信号处理实现水面油的监测。光路中还包含一个带通滤光片，用于限制工作光谱范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用LED光源和硅光电二极管阵列，成本更低；采用大面阵光源和近场共轭镜头压缩，使得光强更强，有效提高的探测距离；采用同轴光方法，并且光源大小与探测器大小相同，光源光束和反射光束光路完全重合，探测的测量范围更大；同时具有光源调制和面光源测量的特点，使得抗干扰能力更强。

附图说明

图1为一种水面油监测光电探头的原理图；

图中1为光源，2为半反半透镜，3为投影镜头，4为带通滤光片，5为水面光斑区域，6为光电探测器，7为控制与信号处理电路，8为恒流源驱动模块，9为前置放大模块，10为接收信号解调模块，11为模数转换模块，12为接收信号处理模块，13为数字信号处理器。

图2为前置放大电路原理图。

图3是两种探测探头光路的结构图；其中图3a是带通滤光片位于同轴光镜头的前端的结构图；图3b是带通滤光片位于光电探测器感光面的前端的结构图。

图4a是进行远距离探测时，采用大面阵LED光源的光路图；

图4b是大面阵LED光源的光路放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本发明的技术方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本发明技术方案的内容，在本发明的基础上进行的改进和设计，应属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种水面油光电探头：主要包括光源1、同轴光镜头、光电探测器6、控制与信号处理电路7等几部分。

所述控制与信号处理电路7，包括光源调制驱动模块、前置放大模块9、接收信号解调模块10、模数转换模块11、数字信号处理器13和接收信号处理模块12，

所述前置放大模块9与所述光电探测器6连接，用以接收所述光电探测器6的电信号；所述接收信号解调模块10，与所述前置放大模块9连接，用以接收所述前置放大模块9发送的电信号，并对电信号进行解调；所述模数转换模块11，接收所述接收信号解调模块10的电信号，并对电信号进行模数转换之后发送给所述数字信号处理器13；所述数字信号处理器13同时与所述接收信号解调模块10、所述模数转换模块11、所述接收信号处理模块12、所述光源调制驱动模块连接；所述光源调制驱动模块与光源1连接。

所述前置放大模块如图2，包括电流电压转换模块、滤波模块和调制信号放大模块，其中所述电流电压转换模块与所述滤波模块连接，所述滤波模块与所述调制信号放大模块连接。

所述光源调制驱动模块为恒流源驱动模块8。

恒流源驱动LED光源发出具有一定调制频率的光，进入同轴光镜头后，首先经半反半透镜2反射，再通过镜头3投射到水面，原路返回的水面反射光再次进入同轴光镜头会聚，透过半反半透镜2的光会聚至光电探测器6的感光面。控制与信号处理电路接收探测器的调制光电流信号，经电流/电压转换，将电压信号进行放大、解调，经A/D转换为数字信号，进一步通过数字信号处理实现水面油的监测。光路中还包含一个带通滤光片，用于限制工作光谱范围。

所述的光源1采用高亮度LED光源阵列，LED的发光面与同轴光镜头的焦面位置重合。LED的发光面大小与光电探测器感光面大小相同；或者经过近场共轭光学镜头进行放大或缩小，并采用光阑放置在光源的实像面上进行大小限制，光阑面与同轴光镜头焦面重合，光阑开口大小与光电探测器感光面大小相同。LED光源由驱动电路控制，实现光源的调制，调制方式可为方波调制或正弦调制。

所述的同轴光镜头，包括半反半透镜2和投影镜片3，光源光束经半反半透镜反射2后主光线与透镜镜片3光轴重合。

如图3所示，所述的带通滤光片4，可放置在同轴光镜头的前端(如图3a)或光电探测器感光面的前端(如图3b)。

所述的光电探测器，为大面阵硅光电二极管，在可见光至近红外谱段具有良好的光电转换效率。感光面与同轴光镜头的焦面重合，接收透过半反半透镜的光束。

所述的控制与信号处理电路，包括光源调制驱动、前置放大、调制光电流信号接收及解调、模数转换、信号处理。此电路以数字信号处理器为核心，产生调制信号控制恒流源驱动光源发出调制光，对前置放大后的电压信号进行解调，并控制模数转换器将解调后的电压信号转换为数字信号，进一步通过数字信号处理实现水面油的监测。

所述的光源和光电探测器相对于同轴光镜头的位置可互换。控制与信号处理电路的核心选用DSP，如TMS320F28335；恒流源驱动采用运放加MOSFET构成；前置放大及信号解调电路采用快速精密运放，如ADA4077；模数转换器选用SAR型ADS8364。

如图2所示，前置放大电路由电流/电压转换电路、滤波电路及调制信号放大电路构成。电流/电压转换电路将光电探测器接收到光信号转换为电压信号，输入滤波电路滤除部分噪声光信号，最后输入调制信号放大电路将调制荧光电压信号放大。

仪器运行模式分为学习模式和在线监测模式。学习模式下，仪器通过长时间监测被监测区域无油污情况下的信号值并统计出信号平均值，设为SR。在线监测模式下，实时采集水面反射信号值，假设仪器采集到的当前信号值为s(t)，计算(s(t)-SR)/SR,当该比值连续n次(如n＝5)超出设定的阈值(如50％)，则认为发生了油污染事故。仪器初次安装或被监测区域的外环境发生变化时，可通过学习模式获取并学习被监测区域正常(无油污)情况下的信号情况，学习完毕后，可进入运行在线监测模式，实时监测是否发生了溢油。

如图4a、图4b所示，当进行远距离探测时，面阵LED光源能量不足，可采用大面阵LED光源21，所述大面阵LED光源21为圆形，并且在所述大面阵LED光源21的前方设置有近场共轭镜头22，所述近场共轭镜头22的前方设置有具有透光孔的挡板23，所述挡板23的透光孔的中心位于所述近场共轭镜头22的主光轴上，并且所述挡板23的透光孔的中心与所述近场共轭镜头22的距离大于所述近场共轭镜头22的焦距，所述大面阵LED光源21的面积远大于探测器尺寸，所述大面阵LED光源21的直径大于所述近场共轭镜头22的直径，所述挡板23的透光孔的直径小于所述近场共轭镜头22的直径，使大面阵LED光源的总发光亮很大，可经过近场共轭镜头将大面阵LED光源大小压缩至与光电探测器大小相同，此并且压缩后的像与光电探测器相对于半反半透镜对称。优选地，所述挡板23的透光孔的中心点与所述光电探测器6的中心点相对于所述半反半透镜2对称布置，近场共轭镜头实际上是一个缩小成像系统，可以使光源的发光通量不变，发光面积变小，从而大大提高光源的亮度，起到提高探测距离的目的。

Claims (10)

1.一种水面油光电探头，主要包括光源、同轴光镜头、光电探测器、控制与信号处理电路，其特征在于，所述同轴光镜头包括半反半透镜和投影镜头，所述半反半透镜相对于所述投影镜头的镜面倾斜放置，并且所述半反半透镜位于所述投影镜头和所述投影镜头的焦点之间，所述光电探测器和所述光源位于所述半反半透镜的两侧并且对称布置，其中所述光电探测器和所述光源位于所述投影镜头的焦点位置；所述光源和所述光电探测器与所述控制与信号处理电路连接。

2.如权利要求1所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

所述半反半透镜与所述投影镜头的镜面之间所呈倾角为30-80度之间。

3.如权利要求2所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

所述半反半透镜与所述投影镜头的镜面之间所呈倾角为40-60度之间。

4.如权利要求1所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

还包括带通滤光片，所述带通滤光片位于所述投影镜头的下方。

5.如权利要求1所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

还包括带通滤光片，所述带通滤光片，放置在所述光电探测器感光面的前端。

6.如权利要求1至5之一所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

所述光电探测器，为大面阵硅光电二极管，在可见光至近红外谱段具有良好的光电转换效率。感光面与同轴光镜头的焦面重合，接收透过半反半透镜的光束。

7.如权利要求1所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

所述光源采用LED光源阵列，LED光源阵列的发光面与同轴光镜头的焦面位置重合。

8.如权利要求7所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

LED光源阵列的发光面大小与光电探测器感光面大小相同；或者经过近场共轭光学镜头进行放大或缩小，并采用光阑放置在光源的实像面上进行大小限制，光阑面与同轴光镜头焦面重合，光阑开口大小与光电探测器感光面大小相同。

9.如权利要求1所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

所述控制与信号处理电路，包括光源调制驱动模块、前置放大模块、接收信号解调模块、模数转换模块、数字信号处理器和接收信号处理模块，

所述前置放大模块与所述光电探测器连接，用以接收所述光电探测器的电信号；所述接收信号解调模块，与所述前置放大模块连接，用以接收所述前置放大模块发送的电信号，并对电信号进行解调；所述模数转换模块，接收所述接收信号解调模块的电信号，并对电信号进行模数转换之后发送给所述数字信号处理器；所述数字信号处理器同时与所述接收信号解调模块、所述模数转换模块、所述接收信号处理模块、所述光源调制驱动模块连接；所述光源调制驱动模块与光源连接。

10.如权利要求9所述的一种水面油光电探头，其特征在于，

所述前置放大模块，包括电流电压转换模块、滤波模块和调制信号放大模块，其中所述电流电压转换模块与所述滤波模块连接，所述滤波模块与所述调制信号放大模块连接。