CN108983277A - 智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋放射性检测技术领域，公开了智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置，装置包括闪烁体探测器、多道脉冲幅度分析器、通信模块、电源系统、北斗通信系统、GPS定位系统、数据存储模块、时钟模块、对照模块和主控制模块。本技术方案能够选择性采集数据，压缩大容量数据传输数据，使传回终端的数据实用性增强，同时增强了数据精确性和有效性。

Description

智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置

技术领域

本发明涉及海洋放射性监测领域，具体而言，涉及智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置。

背景技术

2011年日本福岛核电站爆炸引起了十分严重的海洋核污染事故。为监测该事故中日方持续排放的放射性污水是否经大洋环流对西太平洋及中国管辖海域环境造成影响，国家海洋局组织实施多个航次的西太平洋放射性监测工作。每个航次均需要完成60多个站位的海水、海洋生物采样，然后将大量样品带回实验室进行处理和分析。一个样品检测周期往往持续2-3天，不仅程序繁琐，而且耗时费力，检测结果往往在航次结束后3-4个月才能发布。更重要的是，这种非实时、断续的检验模式不可能对海洋核污染情况进行实时、长时间有效的监测。因此，迫切需要海洋放射性实时能谱数据采集传输方法及装置，实现海洋放射性实时、连续监测，对构建西太平洋放射性环境监测体系具有重要的意义。

但是，现有的检测方法不够智能，频繁采集数据导致单个数据不一定准确，且每个数据容量大，发送缓慢时效性差，就算发回分析，该数据的有效性或有用性也不能确定。这就造成了投入较大，收效甚微的尴尬。因为放射性能谱数据需要累积一定的时间才能保证数据的可用性，放射性物质含量高时很短的时间就能累积到可用的能谱数据，这时需要增加采集次数降低采集时长；放射性物质含量低的时候，需要累积很长时间才能得到可用的能谱数据，这时需要增加采集时长降低采集次数，这就需要根据放射性物质含量不同设置不同的采集时长和采集次数，保证装置在高放射性的探测效率和在低放射性的探测灵敏度。因此，提供一种智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置。该方法及装置可以用于海洋放射性实时、智能化、连续监测，并通过卫星通信将监测有效压缩数据快速发送给岸上接收终端。

本发明通过以下技术方案实现。

智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置主要包括γ能谱测量系统、主控系统、北斗通信系统、GPS定位系统和电源系统。

γ能谱测量系统主要包括闪烁体探测器、多道脉冲幅度分析器、通信电路和高低压电源等组成。闪烁体探测器将γ射线转换成电信号，多道脉冲幅度分析器将闪烁体探测器转换输出的电信号经过一系列数据处理得到所需的放射性能谱数据，然后经过通信电路发送给主控系统。高压电源是为闪烁体探测器提供所需电源，低压电源主要为多道脉冲幅度分析器和通信电路提供电源。

主控系统主要包括主控制电路、对照模块、时钟电路、数据存储电路、北斗通信电路、GPS定位电路和电源管理电路。时钟电路主要是为系统提供准确的时间；数据存储电路主要是存储γ能谱测量系统传送过来的大量实时能谱数据；北斗通信电路为主控系统与北斗通信系统信号转换电路；GPS电路为主控系统与GPS定位系统信号转换电路；电源管理电路为将电源系统电压转换成本装置所需电压电路、电源电压监测电路和本装置各系统通断电控制电路；主控电路为本系统的核心，主要是控制γ能谱测量系统进行数据采集并将所得到的放射性实时能谱数据存储，然后将得到的放射性能谱数据、时间信息、位置信息和电源电压信息打包，通过北斗通信系统发送给岸上接收终端。对照模块负责比较各参数之间的大小关系等,主控制模块通过比较判断测量值与设定阈值的大小，确定采集时长及采集次数，将信号传递给γ能谱测量系统。

主控制模块可以设定采集时长、采集次数和辐射物质阈值。

主控制模块可以设定连续发送数据次数N和数据差值阈值τ。

如果测得数据差不大于数据差值阈值，且测量次数与设定连续发送数据次数相同，则主控制模块向终端发送差值数据。

在主控制模块向终端发送差值数据模式下如果测得数据差不大于数据差值阈值，且测量次数与设定连续发送数据次数相同，则主控制模块向终端发送典型数据。

典型数据为⁴⁰K、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、¹³¹I四种核素数据。

为闪烁体探测器提供高压电源，为多道脉冲幅度分析器和通信模块提供低压电源。

智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集方法，包括以下步骤：

步骤一：初始化采集时长ε₀、采集次数δ₀和放射性物质含量监测上限阈值σ_u，下限阈值σ_l；

步骤二：采集放射性数据σ，数据打包发送；

步骤三：判断σ、σ_l和σ_u的数值大小关系，确定采集次数δ和采集时长ε。

在步骤三中，如果σ≤σ_l，且ε≤24/δ₀-2，则δ＝δ₀，ε＝ε+1，采集放射性数据，其中ε取正整数；

如果σ≤σ_l，且ε>24/δ₀-2，则δ＝δ₀，ε取最后一次累加值采集放射性数据；

如果σ_l≤σ≤σ_u，则δ＝δ₀，ε＝ε₀，采集放射性数据；

如果σ≥σ_u，且δ≤24/(ε₀+2)，则ε＝ε₀，δ＝δ+1，采集放射性数据，其中δ取正整数；

如果σ≥σ_u，且δ>24/(ε₀+2)，则ε＝ε₀，δ取最后一次累加值采集放射性数据。

智能海洋放射性大容量实时能谱数据传输方法，包括以下步骤：

步骤一：初始化连续发送数据次数N和数据差值阈值τ；

步骤二：将初始检测的整体数据发送终端；

步骤三：如果数据值ζ满足|ζ_n-ζ_n-1|≤τ，且n＝N，则向数据终端发送差值数据；

步骤四：在满足步骤三的前提下如果后续测量数据值ζ满足|ζ_n-ζ_n-1|≤τ，且n＝N，则向数据终端发送典型数据。

步骤二中，还包括检测整体数据发送完整性，如果没有收到终端反馈数据完整，则补发数据。

步骤三中，还包括检测差值数据发送完整性，如果没有收到终端反馈数据完整，则补发数据。

步骤四中，还包括检测典型数据发送完整性，如果没有收到终端反馈数据完整，则补发数据。

本技术方案是根据监测海域放射性物质含量情况智能设置放射性监测数据采集时长和采集间隔的方法，并且根据相应的数据采集时长以及历史放射性物质含量设计了一种大容量实时能谱数据传输方法，减少了冗余数据传输，解决了因为北斗短报文数据传输限制造成的大容量实时能谱数据单次传输时间长的问题，同时本方法设计了丢包数据补发机制，防止因北斗通信问题造成的能谱数据丢包问题。可以监测海水中放射性物质含量，分辨放射性核素种类，能够实时采集海水中放射性能谱数据并通过北斗通信将数据发送给岸上接收终端；在系统设计上，采用闪烁体探测器和多道脉冲幅度分析器可以得到放射性能谱数据，通过北斗通信将数据传送给岸上接收终端，经过分析可以得到放射性含量以及放射性核素种类等数据，可以实时、连续监测海水放射性污染，分辨污染核素种类和含量，以及海水放射性本底的变化；根据监测海域放射性物质含量情况智能设置放射性监测数据采集时长和采集间隔，可以提高装置的探测效率和灵敏度，降低系统功耗；根据每次采集放射性物质含量与上次放射性物质含量差值绝对值与设定阈值比较，以及满足设定比较条件的连续次数，设计了放射性能谱数据的差值谱数据压缩发送方法和典型核素谱数据压缩发送2种无损数据压缩方法，分别将数据量压缩了4倍和40倍，减少冗余数据传输，传输时间从1小时缩短到十几分钟和2分钟，解决了因为北斗短报文数据传输限制造成的大容量实时能谱数据单次传输时间长的问题；根据岸上终端接收到的能谱数据情况设计了丢包数据补发机制，防止因北斗通信问题造成的能谱数据丢包问题；在系统功能上，该装置可以实时、智能化、连续监测海洋放射性情况；在系统性能上，可以达到海洋放射性环境监测的实时性、灵敏度和监测效率的要求。

附图说明

图1：本发明智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置原理结构图；

图2：本发明智能设置放射性监测数据采集时长和采集间隔的方法流程图；

图3：本发明大容量实时能谱数据传输方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1为本发明提供的智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置原理结构图。如图所示，智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置主要包括γ能谱测量系统、主控系统、北斗通信系统、GPS定位系统和电源系统。

在采集间隔期间，整个装置除了时钟电路其他部分均处于休眠状态，当到达采样时间后，时钟电路唤醒主控系统，主控系统开启GPS电源获取位置信息，完成后关闭GPS。然后根据设定的采集时长控制γ能谱测量系统采集放射性能谱数据并存储在SD卡内，当能谱数据采集完成，关闭γ能谱测量系统电源开启北斗通信系统电源，将放射性能谱数据、时间信息、位置信息和电源电压信息打包按照设定的发送模式发送给岸上接收终端，确定所有数据包发送完成后关闭北斗电源。主控系统采用图2所示方法根据采集到的数据智能设置放射性监测数据下次工作周期采集时长和采集次数，采用图3所示方法根据采集到的数据设置下次工作周期的能谱数据发送模式，并将采集时长、采集次数和发送模式参数存储方便下次工作周期调用，然后主控系统进入休眠模式等待下一次唤醒。

图2为本发明提供的智能设置放射性监测数据采集时长和采集间隔的方法流程图。系统最大数据量发送时间为1小时，令采集时长为ε，采集次数为δ，故采样间隔ΔT如式(1)所示：

其中ΔT为正整数，最小值取1，即：

ΔT≥1 (2)

由式(1)和式(2)可得：

其中采集时长ε，采集间隔δ均取大于1的正整数。

系统程序首次运行先设置默认的采集时长ε₀、采集次数δ₀和放射性物质含量上限阈值σ_u、下限阈值σ_l。然后运行放射性数据采集程序等，将数据打包后经过北斗发送，发送完成后主控系统比较本次采集的放射性物质含量与设定的上限阈值σ_u、下限阈值σ_l大小。当大于上限阈值σ_u时，装置所在海域可能存在放射性污染事故，γ能谱测量系统不需要很长的累计时间就能得到有效的能谱数据，为了确定是否存在污染，提高装置探测效率，系统保持默认采集时长ε₀不变检测此时采集次数，当满足式(3)时增加一次采集次数，下个工作周期放射性物质含量如果依然大于上限阈值继续增加采集次数直到不满足式(3)，此时保持最新一次采集次数采集，当放射性物质含量小于上限阈值时，系统恢复默认采样次数。同理，当小于下限阈值σ_l时，装置所在海域放射性本底降低，γ能谱测量系统需要长的累计时间才能得到有效的能谱数据，为了更好的监测海水放射性本底变化，提高装置灵敏度，系统保持默认采集次数δ₀不变检测此时采集时长，当满足式(4)时增加一小时采集时长，下个工作周期放射性物质含量如果依然小于下限阈值继续增加采集时长直到不满足式(4)，此时保持最新一次采集时长采集，当放射性物质含量大于下限阈值时，系统恢复默认采样时长。

图3为本发明大容量实时能谱数据传输方法流程图。令ζ_n为第n次能谱数据，ζ_n-1为第n-1次能谱数据，|ζ_n-ζ_n-1|取发送的能谱数据中每一道数据差值绝对值最大值与谱数据差值阈值τ比较，如下所示：

|ζ_n-ζ_n-1|≤τ (5)

|ζ_n-ζ_n-1|>τ (6)

首先程序初始化使用同一发送模式下满足式(5)或式(6)连续发送次数N和谱数据差值的阈值τ，然后发送全谱数据，全谱数据为4kByte，需要分50多包发送，发送所有数据需要将近1个小时，发送完成后检查岸上终端回执看数据发送是否完整，如果有丢包补发丢包数据，如果完全发送，检查数据和前一次数据差值绝对值看是否小于阈值τ以及阈值小于τ的连续发送次数是否为N，如果其中有一项不是则等待下一次发送命令，继续上一发送模式，如果两个条件均满足则等待下一次发送命令转换到下一发送模式。同理，使用差值谱数据发送模式发送的是本次测量的谱数据与上次测量的谱数据之差，流程与发送全谱数据相同，但是发送数据量只有1kByte，数据压缩了4倍，发送所有数据仅需要十几分钟，大大减小了通讯工作量；使用典型核素谱数据发送模式只关注⁴⁰K、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、¹³¹I四种核素，只发送4种核素所在位置区间的谱数据与上次谱数据的差值，整个发送数据量可以减小到100Byte以内，数据压缩了40倍，北斗发送所有数据仅需要2分钟，最多发送2次数据即可完成。当4种典型核素值与上一次差值绝对值大于τ并且大于τ的连续发送次数大于N则等待下一次发送命令转换到全谱数据发送模式。

两种谱数据压缩发送方式发送的谱数据都是以上一次谱数据为基础作差得到的，而岸站终端已经获得最初的全谱数据，岸站终端可以使用递推的方法无损恢复所有的能谱数据，本发明提供的方法既能做到高效实时发送能谱数据也能无损恢复出所有能谱数据。

本发明提供的智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输方法及装置具有较高的实时性、灵敏度和监测效率，不需去海上进行海水、海洋生物采样；很好地跟踪监测低本底海水放射性和放射性核素泄漏造成的高放射性海水污染；既能防止因北斗通信问题造成的能谱数据丢包问题又能很好地解决了因为北斗短报文数据传输限制造成的大容量实时能谱数据单次传输时间长的问题；装置适合在海上浮标、海岛等无人坚守场合长期连续实时监测也适合船载等走航设备快速检测，装置同样适用于除了海水放射性之外的其他放射性检测工作，方法适用于放射性能谱数据传输之外的其他数据的实时传输。

实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：初始化采集时长ε₀、采集次数δ₀和放射性物质含量监测上限阈值σ_u，下限阈值σ_l；

步骤二：采集放射性数据σ，数据打包；

步骤三：判断σ、σ_l和σ_u的数值大小关系，确定采集次数δ和采集时长ε。

2.根据权利要求1所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集方法，其特征在于：在步骤三中，如果σ≤σ_l，且ε≤24/δ₀-2，则δ＝δ₀，ε＝ε+1，采集放射性数据，其中ε取正整数；

如果σ≤σ_l，且ε>24/δ₀-2，则δ＝δ₀，ε取最后一次累加值采集放射性数据；

如果σ_l≤σ≤σ_u，则δ＝δ₀，ε＝ε₀，采集放射性数据；

如果σ≥σ_u，且δ≤24/(ε₀+2)，则ε＝ε₀，δ＝δ+1，采集放射性数据，其中δ取正整数；

如果σ≥σ_u，且δ>24/(ε₀+2)，则ε＝ε₀，δ取最后一次累加值采集放射性数据。

3.智能海洋放射性大容量实时能谱数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：初始化连续发送数据次数N和数据差值阈值τ；

步骤二：将初始检测的整体数据发送终端；

步骤三：如果数据值ζ满足|ζ_n-ζ_n-1|≤τ，且n＝N，则向数据终端发送差值数据；

步骤四：在满足步骤三的前提下如果后续测量数据值ζ满足|ζ_n-ζ_n-1|≤τ，且n＝N，则向数据终端发送典型数据。

4.根据权利要求3所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据传输方法，其特征在于：步骤二中，还包括检测整体数据发送完整性，如果没有收到终端反馈数据完整，则补发数据。

5.根据权利要求3所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据传输方法，其特征在于：步骤三中，还包括检测差值数据发送完整性，如果没有收到终端反馈数据完整，则补发数据。

6.根据权利要求4所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据传输方法，其特征在于：步骤四中，还包括检测典型数据发送完整性，如果没有收到终端反馈数据完整，则补发数据。

7.智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置，其特征在于：包括闪烁体探测器、多道脉冲幅度分析器、通信模块、电源系统、北斗通信系统、GPS定位系统、数据存储模块、时钟模块、对照模块和主控制模块。

8.根据权利要求7所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据传输装置，其特征在于：时钟模块、数据存储模块、电源系统、北斗通讯系统和GPS定位系统均与主控制模块连接，闪烁体探测器与多道脉冲幅度分析器连接，多道脉冲幅度分析器与通信模块连接，通信模块与主控制模块连接。

9.根据权利要求8所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置，其特征在于：主控制模块具有数据比较判断功能，从时钟模块和数据存储模块获取时间、数据信息，通过比较判断控制多道脉冲幅度分析器测量、数据的压缩和北斗通信系统的数据传输模式。

10.根据权利要求9所述的智能海洋放射性大容量实时能谱数据采集传输装置，其特征在于：主控制模块可以从定位系统获取位置信息，为闪烁体探测器提供高压电源，为多道脉冲幅度分析器和通信模块提供低压电源。