CN107632001A - 基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法，用于解决现有技术中存在的复杂海面环境下溢油监测虚警率高的技术问题。实现步骤为：MCU控制模块向光源激发模块加载模拟非均匀脉冲调制信号；光源激发模块根据模拟非均匀脉冲调制信号，向被监测海域发射调制紫外光；光电倍增管采集被监测海域的荧光信号，并将这些荧光信号转换为电信号后发送给模数转换器；模数转换器对电信号进行模数转换，并将得到数字信号发送给数据处理模块；数据处理模块将参考信号与数字信号互相关运算的结果及参考信号取反后的信号与数字信号互相关运算的结果作差，并在差值大于监测阈值时累加计数器，当计数器累加结果大于报警阈值时报警。

Description

基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法

技术领域

本发明属于信号检测与识别领域，具体涉及一种基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法，可用于海面溢油监测领域。

背景技术

随着工业建设的快速发展，各个国家对石油的依赖性越来越大，在使石油产量和运输量不断增加的同时，溢油事故也频繁发生，使涉及石油生产和运输的企业单位面临着巨大的压力。溢油事故不但给企业带来了经济损失，而且还给环境与社会造成了巨大的灾难。为了避免和减轻溢油事故带来的危害，需要对水体中的矿物油情况进行实时监测，以便及时发现并对应海上随时可能发生的溢油事故。因此人们急需一种能够实时监测溢油情况并发出报警信号的系统。

目前海面溢油的监测的主要模式包括卫星遥感监测、航空飞机遥感监测、巡逻船遥感监测、定点监测和浮标跟踪五种。卫星遥感监测对于小范围污染的监测准确性低，航空飞机遥感监测和巡逻船遥感监测成本较高，并且不具有实时性的特点，浮标跟踪需要定时维护以免探测器发生故障，该类探测器一般需要人工采样并带回实验室检测，不能实现实时全天候监测海面的溢油监测，需要的人工成本较大。

定点监测的原理是把探测传感器固定安装在被监测水域的某一个固定结构平台上进行监测，探测传感器接收被监测海域的数据，并将数据发送给后端系统，通知相关监测人员，监测设备主要安装在排污水口和油品作业码头使用，可以全天候监测海面溢油情况。现有监测方法通过使用激发装置诱导被监测水域的荧光物质产生荧光信号，光电探测装置接收荧光信号并将其转化为电信号，电信号经过采样后发送给处理模块，根据设定的监测阈值，处理模块判断是否发生溢油。从目前公开的资料来看，现有方法并未对光电探测装置采集到的荧光信号中混有的噪声进行处理，当发生溢油时，监测系统采集到的溢油荧光信号幅度与背景噪声幅度差值较小，阈值分析时无法选取合适阈值监测报警，溢油监测虚警率极高。如申请公布号为CN 106769882 A，名称为“溢油检测仪及其监测方法”的专利申请，公开了一种溢油监测方法，实现步骤为：关闭紫外光源，测量背景噪声幅度；开启紫外光源，测量荧光信号幅度；计算荧光信号幅度和背景噪声幅度的差值是否大于设定阈值，如果不大于设定阈值，则不报警；否则延时一段时间并再次重复上述过程，计算荧光信号幅度和背景噪声幅度的差值是否仍大于设定阈值，如果仍大于设定阈值，即报警，如果不大于设定阈值，则不报警。该方法的优点在于对溢油信号实行两次阈值分析，可有效避免水面耀斑等突变噪声的干扰，不足之处在于对于采集到的荧光信号并未对白噪声等缓变噪声进行降噪，这对阈值设定产生了影响：如果设定阈值过高，在发生溢油的情况下，系统采集到的荧光信号幅度和背景噪声幅度差值较小，差值未超过阈值，无法进行报警；如果设定阈值过低，在未发生溢油情况下，系统采集到的荧光信号幅度和背景噪声幅度差值会超过设定阈值，系统报警。因此该监测方法的虚警率较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提出了一种基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法，用于解决现有技术中存在的复杂海面环境下溢油监测虚警率高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取技术方案包括如下步骤：

(1)MCU控制单元向光源激发模块加载模拟非均匀脉冲调制信号；

(1a)MCU控制单元向FPGA内部的相位累加器发送设定的频率控制字；

(1b)相位累加器根据设定的频率控制字，向FPGA内部的波形存储器发送相位信息；

(1c)波形存储器根据接收到的相位信息查找相位与数字非均匀脉冲调制信号幅度的对应表，得到数字非均匀脉冲调制信号并输出；

(1d)数模转换器对数字非均匀脉冲调制信号进行数模转换，得到模拟非均匀脉冲调制信号，并通过运放器件将其加载到光源激发模块上；

(2)光源激发模块根据模拟非均匀脉冲调制信号，向被监测海域发射调制紫外光，得到荧光信号；

(3)光电倍增管采集被监测海域的荧光信号，并将荧光信号转换为电信号后发送给模数转换器；

(4)模数转换器对电信号进行模数转换，并将得到数字信号发送给数据处理模块；

(5)设置监测阈值H1、报警阈值H2、计数器的初始值M＝0和参考信号，其中参考信号与数字非均匀脉冲调制信号的周期长度相等，且波形相同；

(6)数据处理模块判断被监测海域是否发生溢油：

(6a)数字处理模块从数字信号中选取一段和数字非均匀脉冲调制信号一个周期长度相等的数据，与参考信号进行互相关运算，得到荧光信号幅度V1，同时与参考信号取反后的信号进行互相关运算，得到背景噪声幅度V2；

(6b)数字处理模块判断荧光信号幅度V1与背景噪声幅度V2的差是否大于监测阈值H1，若是，执行步骤(6c)，若否，执行步骤(6a)；

(6c)数字处理模判断计数器的数值M＝M+1是否大于报警阈值H2，若是，则驱动声光报警器报警，若否，执行步骤(6a)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明通过加载模拟非均匀脉冲调制信号的紫外发光二极管照射被监测海域，从而使被监测海域的荧光信号也包含调制信息，再对荧光信号采样后得到的数字信号和数字非均匀脉冲调制信号进行互相关计算，可有效提升荧光信号幅度，对荧光信号采样后的数字信号和数字非均匀脉冲调制信号的反信号进行互相关计算可有效降低背景噪声的幅度，抵制了白噪声等环境中的缓变噪声对溢油荧光信号的影响，增大了荧光信号幅度和背景噪声幅度的差值，进而提升了阈值分析的准确性，与现有技术相比，有效地降低了溢油监测的虚警率。

附图说明

图1是本发明适用的监测系统的整体结构示意图；

图2是本发明的实现流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图1、基于光源调制的海面溢油监测系统，包括激发装置和探测装置。

激发装置包括MCU控制单元、FPGA、数模转换器、运放器件和光源激发模块。MCU控制单元用于向FPGA内部的相位累加器提供频率控制字，设定模拟非均匀脉冲调制信号的频率；FPGA模块包括相位累加器和波形存储器，相位累加器用于向波形存储器提供需要的相位信息；波形存储器用于存储相位与数字非均匀脉冲调制信号幅度对应表：通过对激发光源加载的模拟非均匀脉冲调制信号采样后获得数字非均匀脉冲调制信号的幅度，将数字非均匀脉冲调制信号的幅度按照其对应的相位存储至波形存储器；数模转换器用于将数字非均匀脉冲调制信号转换为模拟非均匀脉冲调制信号；运放器件用于调整模拟非均匀脉冲调制信号幅值至合适大小加载至光源激发模块；光源激发模块用于发射紫外光至被监测海域，诱导荧光物质产生荧光信号。

探测装置包括光电倍增管、模数转换器、数据处理模块和声光报警器，光电倍增管用于采集被监测海域的荧光信号，并将其转换电信号；模数转换器用于将电信号转换为数字信号；数据处理模块用于处理模数转换器发送的数字信号并判断是否发生溢油，如果发生溢油，则驱动声光报警器进行报警；声光报警器用于提示用户是否有溢油发生。

参照图2、基于光源调制的海面溢油监测方法，包括如下步骤：

步骤1)MCU控制单元向光源调制模块加载模拟非均匀脉冲调制信号，光源调制模块光源激发模块加载的模拟非均匀脉冲调制信号，其脉冲宽度相等，脉冲间隙逐渐加大，[]在本实施例中，模拟非均匀脉冲调制信号一个周期为320ms，则脉冲宽度为10ms，脉冲间隙为10ms、30ms、50ms、70ms、90ms，所述的光源调制模块为紫外发光二极管，其中心波长为365nm；

步骤1a)MCU控制单元向FPGA内部的相位累加器发送设定的频率控制字，频率控制字主要控制模拟非均匀脉冲调制信号的频率；

步骤1b)相位累加器根据频率控制字，以该频率向波形存储器发送相位信息；

步骤1c)波形存储器根据接收到的相位信息，查找相位与数字非均匀脉冲调制信号幅度的对应表，得到数字非均匀脉冲调制信号并输出：幅度与相位的对应表通过对所设置的模拟非均匀脉冲调制信号采样后得到，并将其存储至波形存储器之中；

步骤1d)数模转换器对数字非均匀脉冲调制信号进行数模转换，得到模拟非均匀脉冲调制信号，并通过运放器件将其加载到光源激发模块上；

步骤2)光源激发模块根据模拟非均匀脉冲调制信号，向被监测海域发射调制紫外光，诱导荧光物质产生荧光信号：

所述的荧光信号的波长范围在355nm-455nm，光源激发模块加载模拟非均匀脉冲调制信号照射被监测海域时，产生的荧光信号和模拟非均匀脉冲调制信号的波形相同，周期一致，被检测海域海面上通常由浮游植物等荧光物质，因此不管有无溢油发生，紫外光照射被监测海域总会产生荧光信号，但浮游植物等荧光物质经紫外光诱导产生的荧光信号幅度较小，对海面溢油时荧光监测没有太大影响；

步骤3)光电倍增管采集被监测海域的荧光信号，并将这些荧光信号转换为电信号后发送给模数转换器：光电倍增管是将光信号转换为电信号的真空电子器件，通常根据实际需要波段选择滤光片安置在光电倍增管的前端，在本实施例中，所选滤光片的接收范围为415nm-425nm，因为大多数油品的荧光信号在此波段幅值比较大；

步骤4)模数转换器对电信号进行模数转换，并将得到数字信号发送给数据处理模块；

步骤5)设置监测阈值H1、报警阈值H2、计数器的初始值M＝0和参考信号，其中参考信号与数字非均匀脉冲调制信号的周期长度相等，且波形相同：

监测阈值H1和报警阈值H2根据被监测海域的实际情况进行设置，通常会在被监测海域倒入石油，监测此时系统的荧光信号幅度和背景信号幅度，计算其差值作为监测阈值H1，设置报警阈值H2是为了抵制水面耀斑、荧光特性比较强的漂浮物等突变信号对监测系统的干扰，海面溢油通常大面积发生，短时间内无法消散，而所述突变信号通常荧光信号幅度强，持续时间短，因此通常情况下，只有监测阈值达到一定次数，才能确定海面有溢油发生，报警阈值H2通常设置为模拟非均匀脉冲调制信号的频率的倍数；参考信号的设置是为了和采集到的荧光信号进行互相关计算，而荧光信号的波形和周期与模拟非均匀脉冲调制信号的波形和周期相同，因此参考信号的波形与周期与模拟非均匀脉冲调制信号采样后的数字信号即数字非均匀脉冲调制信号的波形与周期也相同，在本实施例中，将探测系统固定在距离海面5m处，向被监测海域倒入石油，测得监测阈值H1为7000，因为光源激发模块所加载模拟非均匀脉冲调制信号周期为320ms，其频率为3.125，因此选取报警阈值H2为3125，根据周期脉冲信号的波形及幅度，参考信号被设置为序列{1，0，1，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1}；

步骤6)数据处理模块判断被监测海域是否发生溢油：

步骤6a)数字处理模块从数字信号中选取一段和数字非均匀脉冲调制信号一个周期长度相等的数据，与参考信号进行互相关运算，得到荧光信号幅度V1，同时与参考信号取反后的信号进行互相关运算，得到背景噪声幅度V2：参考信号与系统采集到的数字信号进行互相关运算，可提升荧光信号幅度，参考信号的反信号与系统采集到的数字信号进行互相关运算降低背景噪声的幅度，；

步骤6b)数字处理模块判断荧光信号幅度V1与背景噪声幅度V2的差是否大于监测阈值H1，若是，执行步骤(6c)，若否，执行步骤(6a)；

步骤6c)数字处理模判断计数器的数值M＝M+1是否大于报警阈值H2，若是，则驱动声光报警器报警，若否，执行步骤(6a)。

具体的，在本实施例中，将监测装置固定在距离海面5米处，加载模拟非均匀脉冲调制信号的紫外发光二极管照射被监测海域，光电倍增管接收被监测海域的荧光信号，数据处理模块测得荧光信号幅度为3000-3500，背景噪声幅度为2000-2200，未达到监测阈值，不进行报警；向被监测海域倒入石油，数据处理模块测得的荧光信号幅度在10000-11000，背景噪声幅度为2000-2200，差值范围在8800-9000，达到监测阈值，计数器开始累加，当计数器数值超过3125时，系统报警有溢油发生。证明系统对白噪声等缓变噪声具有很好的抑制效果，需要说明的是，如果将被监测海域的石油换为一块飘入被监测海域的木头(木头具有很强的荧光特性)，荧光信号幅度与背景噪声幅度的差值一样会超过监测阈值，但如果在计数器累加至报警阈值之前，木头飘出被监测海域，则系统依然不会报警，证明系统对海面漂浮物及水面耀斑等突变信号具有很好的抑制效果。

Claims (3)

1.一种基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)MCU控制单元向光源激发模块加载模拟非均匀脉冲调制信号；

(1a)MCU控制单元向FPGA内部的相位累加器发送设定的频率控制字；

(1b)相位累加器根据设定的频率控制字，向FPGA内部的波形存储器发送相位信息；

(1c)波形存储器根据接收到的相位信息，查找相位与数字非均匀脉冲调制信号幅度的对应表，得到数字非均匀脉冲调制信号并输出；

(1d)数模转换器对数字非均匀脉冲调制信号进行数模转换，得到模拟非均匀脉冲调制信号，并通过运放器件将其加载到光源激发模块上；

(2)光源激发模块根据模拟非均匀脉冲调制信号，向被监测海域发射调制紫外光，诱导荧光物质产生荧光信号；

(3)光电倍增管采集被监测海域的荧光信号，并将这些荧光信号转换为电信号后发送给模数转换器；

(4)模数转换器对电信号进行模数转换，并将得到数字信号发送给数据处理模块；

(5)设置监测阈值H1、报警阈值H2、计数器的初始值M＝0和参考信号，其中参考信号与数字非均匀脉冲调制信号的周期长度相等，且波形相同；

(6)数据处理模块判断被监测海域是否发生溢油：

(6a)数字处理模块从数字信号中选取一段和数字非均匀脉冲调制信号的一个周期长度相等的数据，并与参考信号进行互相关运算，得到荧光信号幅度V1，同时与参考信号取反后的信号进行互相关运算，得到背景噪声幅度V2；

(6b)数字处理模块判断荧光信号幅度V1与背景噪声幅度V2的差值是否大于监测阈值H1，若是，执行步骤(6c)，若否，执行步骤(6a)；

(6c)数字处理模块判断计数器的数值M＝M+1是否大于报警阈值H2，若是，则驱动声光报警器报警，若否，执行步骤(6a)。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法，其特征在于：步骤(1d)中所述的模拟非均匀脉冲调制信号，其脉冲宽度相同，且脉冲间隙逐渐加大。

3.根据权利要求1所述的基于非均匀脉冲调制的海面溢油监测方法，其特征在于：步骤(1d)中所述的光源激发模块，采用紫外发光二极管。