CN112577900A - 一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水体生态环境监测技术领域，公开了一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统，包括水下监测装置、水面扫描遥测装置、惯性导航系统、系统综合控制器和供电模块，水下监测装置包括水下荧光计，用于监测水下物质浓度，水面扫描遥测装置包括水面遥测激光雷达，用于扫描水面物质浓度分布，水下荧光计包括水下激光光源和水下光探测器；水下激光光源包括水下LED光源和水下激光光源；水面遥测激光雷达包括激光发射模块、光探测模块和收发光路。本发明采用激光传感探测，对水体无干扰，不存在试剂对环境的影响，无需频繁维护；通过同步激光雷达遥测和水下光源诱导监测，同时获取近水面叶绿素和油脂浓度，提高监测效率和监测数据质量。

Description

一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统

技术领域

本发明属于水体生态环境监测技术领域，特别是涉及一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统。

背景技术

目前常规自动监测以生物化学手段为主，需要周期性人工更换化学试剂，后期试剂成本和人工成本高，采取现场实时监测和取样分析的方式，取样返回实验室分析耗费时间，无法及时获取现场环境参数，且无法大面积监测，对大面积水域的环境参数分布情况无法高分辨率把控，对于大面积环境监测，卫星遥感技术是新兴技术，但是由于卫星高度高，空间分辨率有限，对小尺度环境无法准确观测，适用于大范围环境监测，同时由于卫星运动特点，时间分辨率无法保证，卫星遥测方式空间和时间分辨率低，精度受天气、光照等影响强烈。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统，包括水下监测装置、水面扫描遥测装置、惯性导航系统、系统综合控制器和供电模块，水下监测装置包括水下荧光计，用于监测水下物质浓度，水面扫描遥测装置包括水面遥测激光雷达，用于扫描水面物质浓度分布，水下荧光计包括水下激光光源和水下光探测器，水下激光光源包括水下LED光源和水下激光光源；水面遥测激光雷达包括激光发射模块、光探测模块和收发光路，光源采用激光模块，波长采用紫外波段，光探测模块采用光电二极管或者光电倍增管等光接收模块；惯性导航模块用于获取位置信息、船舶航行方向信息以及激光雷达的扫描信息；系统综合控制器综合控制各个组件，包括高精度时间序列控制，保证光源和光探测器的同步性以及水下水面测量的同步性，以及测控组件和惯导模块的同步性；供电模块提供稳定直流电源，采用风能、太阳能、锂电池、柴油发电机、交流电源等供电方式。

水面扫描遥测系统安装在船体上方，距离水面2000mm，水下浓度测量系统安装在船体下方，水下400mm，控制采集系统安装在船体上，船体上安装有天线，水面扫描遥测系统、水下浓度测量系统和控制采集系统采用蓄电池供电，水面扫描遥测系统、水下浓度测量系统和控制采集系统上电后，通过笔记本连接系统软件，打开系统软件，可以看到水面遥测装置的实时位置和姿态，包括GPS信息、横摇、纵摇、方向等六自由度信息；系统软件用来实现和系统通信、控制系统工作，接受系统回传的实测数据，可以实时查看系统状态、系统回传参数，同时数据会实时保存在笔记本上供后期进一步分析使用；系统软件工作后，会实时反馈当前水下和表面浓度信息，如水下叶绿素/油脂浓度，水表叶绿素/油脂，同时实时跟踪当前位置信息，数据同步实时保存。

水面扫描遥测系统可以配置为扫描模式，可以设置扫描点的数量，获取表面浓度分布。

系统控制软件包括室外GPS惯导航定位模块GNSS、LiDARLIF表面浓度扫描模块、UnderwaterLIF水下浓度扫描模块和Settings水下扫描模块，可以单独显示当前系统的参数设置，实时回传位置信息、浓度数据等。

水下水面环境同步监测装置包括水面遥测叶绿素组件、固定组件和水下环境浓度监测组件，水面遥测叶绿素组件安装在固定组件上方，水下环境浓度监测组件安装在固定组件下方，水面遥测叶绿素组件放置在较高的位置，高度通过要扫描的面积决定，架设高度可以从1米到100米范围，扫描面积覆盖1km范围以内区域，通过增加激光功率等可以扩大监测范围、提高监测效果；水下环境浓度监测组件布置在水下不同深度处，测量水下浓度，水下水面通过综合控制模块中的时序控制高精度同步采集。

水面遥测叶绿素组件包括外壳、激光光源、反光镜、前面板、惯导模块、聚光镜头，外壳为方体结构，外壳前侧设有透明窗口，激光光源、光探测器、聚光镜头和反光镜安装在外壳内。

水下环境浓度监测组件包括密封舱体、设置在密封舱体上下的密封盖、水下光探测器、内部光路固定结构、光源、独立组件，密封舱体前侧设有水下透明窗口，水下光探测器和内部光路固定结构安装在密封舱体内。

本发明每次使用前需要进行率定，采用标准叶绿素/油溶液，对系统进行标定，获取系统率定参数，用于反演精确环境浓度参数，水下水上设备同步率定装置包括水下设备、设置在人字梯上的水上设备、率定水槽，水下设备安装在率定水槽内；配置不同浓度标准溶液，将不同浓度标准溶液放置在测量点，通过水下或者水面测量组件激发，获取当前系统采集的强度值，通过标准浓度和采集到的强度值的线性关系，获得率定参数；也可以水面和水下同步率定，节省时间和率定精度；系统最优使用环境为夜间弱光环境。

有益效果：

1.本发明采用激光传感探测，对水体无干扰，更不存在试剂对环境的影响，无需频繁维护；通过同步激光雷达遥测和水下光源诱导监测，同时获取近水面叶绿素和油脂浓度，提高监测效率和监测数据质量。

3.本发明采用同步监测系统可以岸基固定观测，也可以有人船或者无人船走航观测，获取大面积水体的整体表面分布和水下端面分布；采用海洋光学测量手段，可以为海岸带生态环境监测提供一种岸基大面积扫描手段，在固定点同时扫描；采用激光遥测技术，可以覆盖大面积水体，可以快速扫描水体表面叶绿素等物质浓度，测量快速；采用光学遥测和水下探测技术，同步获取水下和水面浓度，可以快速获取大面积水域表面浓度和水下物质浓度分布，无需化学试剂，可以固定在岸边或者船载走航监测。

附图说明

图1为本发明水下水面环境同步监测装置安装测量结构示意图；

图2为本发明水下水上设备同步率定装置结构示意图；

图3为本发明叶绿素率定曲线；

图4为本发明油脂率定曲线；

图5为本发明水下水面环境同步监测装置结构示意图；

图6为本发明水面遥测叶绿素组件结构示意图；

图7为本发明水下环境浓度监测组件结构示意图；

图8为本发明控制软件界面；

图9为本发明实测叶绿素浓度分布图；

图10为本发明生成的Excel表格数据文件和浓度分布；

如图所示：水下浓度测量系统1、水面扫描遥测系统2、控制采集系统3、水上设备4、率定水槽5、水下设备6、水面遥测叶绿素组件7、固定组件8、水下环境浓度监测组件9、外壳10、惯导模块11、透明窗口12、反光镜13、激光光源14、光探测器15、光源16、密封盖17、独立组件18、密封舱体19、水下光探测器20、内部光路固定结构21。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统，包括水下监测装置、水面扫描遥测装置、惯性导航系统、系统综合控制器和供电模块，水下监测装置包括水下荧光计，用于监测水下物质浓度，水面扫描遥测装置包括水面遥测激光雷达，用于扫描水面物质浓度分布，水下荧光计包括水下激光光源和水下光探测器20，水下激光光源包括水下LED光源和水下激光光源；水面遥测激光雷达包括激光发射模块、光探测模块和收发光路，光源16采用激光模块，波长采用紫外波段，光探测模块采用光电二极管或者光电倍增管等光接收模块；惯性导航模块用于获取位置信息、船舶航行方向信息以及激光雷达的扫描信息；系统综合控制器综合控制各个组件，包括高精度时间序列控制，保证光源16和光探测器的同步性以及水下水面测量的同步性，以及测控组件和惯导模块11的同步性；供电模块提供稳定直流电源，采用风能、太阳能、锂电池、柴油发电机、交流电源等供电方式。

水面扫描遥测系统2安装在船体上方，距离水面2000mm，水下浓度测量系统1安装在船体下方，水下400mm，控制采集系统3安装在船体上，船体上安装有天线，水面扫描遥测系统2、水下浓度测量系统1和控制采集系统3采用蓄电池供电，水面扫描遥测系统2、水下浓度测量系统1和控制采集系统3上电后，通过笔记本连接系统软件，打开系统软件，可以看到水面遥测装置的实时位置和姿态，包括GPS信息、横摇、纵摇、方向等六自由度信息；系统软件用来实现和系统通信、控制系统工作，接受系统回传的实测数据，可以实时查看系统状态、系统回传参数，同时数据会实时保存在笔记本上供后期进一步分析使用；系统软件工作后，会实时反馈当前水下和表面浓度信息，如水下叶绿素/油脂浓度，水表叶绿素/油脂，同时实时跟踪当前位置信息，数据同步实时保存。

水面扫描遥测系统2可以配置为扫描模式，可以设置扫描点的数量，获取表面浓度分布。

系统控制软件包括室外GPS惯导航定位模块GNSS、LiDARLIF表面浓度扫描模块、UnderwaterLIF水下浓度扫描模块和Settings水下扫描模块，可以单独显示当前系统的参数设置，实时回传位置信息、浓度数据等；系统实时显示当前叶绿素浓度和油脂浓度，并实施显示历史浓度曲线数据，包括水下浓度和水面浓度数据，同时软件实时记录当前地理信息、采集时间、原始强度值、实测浓度值等具体信息。

水下水面环境同步监测装置包括水面遥测叶绿素组件7、固定组件8和水下环境浓度监测组件9，水面遥测叶绿素组件7安装在固定组件8上方，水下环境浓度监测组件9安装在固定组件8下方，水面遥测叶绿素组件7放置在较高的位置，高度通过要扫描的面积决定，架设高度可以从1米到100米范围，扫描面积覆盖1km范围以内区域，通过增加激光功率等可以扩大监测范围、提高监测效果；水下环境浓度监测组件9布置在水下不同深度处，测量水下浓度，水下水面通过综合控制模块中的时序控制高精度同步采集。

水面遥测叶绿素组件7包括外壳10、激光光源14、反光镜13、前面板、惯导模块11、聚光镜头，外壳10为方体结构，外壳10前侧设有透明窗口12，激光光源14、光探测器15、聚光镜头和反光镜13安装在外壳10内。

水下环境浓度监测组件9包括密封舱体19、设置在密封舱体19上下的密封盖17、水下光探测器20、内部光路固定结构21、光源16、独立组件18，密封舱体19前侧设有水下透明窗口12，水下光探测器20和内部光路固定结构21安装在密封舱体19内。

使用环境最优为夜间弱光环境，也可在白天进行监测，每次使用前需要进行率定，采用标准叶绿素/油溶液，对系统进行标定，获取系统率定参数，用于反演精确环境浓度参数，水下水上设备4同步率定装置包括水下设备6、设置在人字梯上的水上设备4、率定水槽5，水下设备6安装在率定水槽5内；配置不同浓度标准溶液，将不同浓度标准溶液放置在测量点，通过水下或者水面测量组件激发，获取当前系统采集的强度值，通过标准浓度和采集到的强度值的线性关系，获得率定参数；也可以水面和水下同步率定，节省时间和率定精度。

当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上，当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

本实施例中的左右上下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统，其特征在于：包括水下监测装置、水面扫描遥测装置、惯性导航系统、系统综合控制器和供电模块，所述水下监测装置包括水下荧光计，用于监测水下物质浓度，水面扫描遥测装置包括水面遥测激光雷达，用于扫描水面物质浓度分布，所述水下荧光计包括水下激光光源和水下光探测器，所述水下激光光源包括水下LED光源和水下激光光源；所述水面遥测激光雷达包括激光发射模块、光探测模块和收发光路，光源采用激光模块，波长采用紫外波段，所述光探测模块采用光电二极管或者光电倍增管等光接收模块；所述惯性导航模块用于获取位置信息、船舶航行方向信息以及激光雷达的扫描信息；所述系统综合控制器综合控制各个组件，包括高精度时间序列控制；所述供电模块提供稳定直流电源；

水下水面环境同步监测装置包括水面遥测叶绿素组件、固定组件和水下环境浓度监测组件，水面遥测叶绿素组件安装在固定组件上方，水下环境浓度监测组件安装在固定组件下方。

水面扫描遥测系统安装在船体上方，距离水面2000mm，水下浓度测量系统安装在船体下方，水下400mm，控制采集系统安装在船体上，船体上安装有天线，水面扫描遥测系统、水下浓度测量系统和控制采集系统采用蓄电池供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统,其特征在于：所述水面遥测叶绿素组件包括外壳、激光光源、反光镜、前面板、惯导模块、聚光镜头，所述外壳为方体结构，所述外壳前侧设有透明窗口，所述激光光源、光探测器、聚光镜头和反光镜安装在外壳内。

3.根据权利要求1所述的一种基于海洋光学的水体生态环境参数扫描监测系统,其特征在于：所述水下环境浓度监测组件包括密封舱体、设置在密封舱体上下的密封盖、水下光探测器、内部光路固定结构、光源、独立组件，所述密封舱体前侧设有水下透明窗口，所述水下光探测器和内部光路固定结构安装在密封舱体内。

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