CN113109312A - 一种基于无人水面艇的溢油检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于无人水面艇的溢油检测系统和方法，包括溢油探测模块用于发射紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光，捕捉荧光信息，并反馈至微处理器模块；GPS导航模块用于向微处理器模块反馈实时位置信息；视频模块用于拍摄溢油地点的水面情况；时钟模块用于在进行时间同步；5G通信模块用于进行数据通信；微处理器用于处理并分析溢油探测模块所反馈的荧光信息以获得水面油质信息，并通过5G通信模块将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。本发明可搭载无人艇等自动化设备，采用非接触式检测避免油污附着的同时，使检测精度得到保证；支持5G通讯协议，可实时回传水面油质信息及位置信息、时钟信息，保证系统的实时性。

Description

一种基于无人水面艇的溢油检测系统和方法
技术领域
本发明涉及溢油检测技术领域，尤其涉及一种基于无人水面艇的溢油检测系统和方法。
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，使涉及石油生产及运输的企业单位面临着巨大的压力。溢油事故的发生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，如果能在溢油的初期及时发现溢油源头并进行处理，将极大减少所受到的损失和遭受的污染，目前水面油质检测手段通常有卫星遥感、航空遥感、漂浮浮标跟踪、定点浮标检测四种检测手段。卫星遥感方式重复观测周期长，不具备实时性；航空遥感方式成本高昂，受到天气因素的制约；漂浮浮标跟踪只用于用于溢油事故发生后跟踪漂浮油膜；定点浮标检测受到自身定点监测的制约，检测范围小。并且现有无人艇溢油检测手段单一，多采用水面图像信息处理、收集水体样本分析等方法获取水体表面油膜信息，实时性低，接触式探测对相关设备污染程度高。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种基于无人水面艇的溢油检测系统和方法，本发明可搭载于水面无人艇等水面自动化设备，同时克服了航空遥感大雾等天气无法探测及定点浮标检测技术检测范围小的缺点；通过紫外光诱导荧光的基本原理检测水面油质信息，采用非接触式检测避免油污附着的同时，检测精度得到保证。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于无人水面艇的溢油检测系统，包括溢油探测模块、微处理器模块、5G通信模块、GPS导航模块、视频模块、时钟模块和客户端；
所述溢油探测模块搭载于无人艇，所述溢油探测模块包括光源组件和双通道荧光捕捉器，所述光源组件用于发射紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光，所述双通道荧光捕捉器用于捕捉荧光信息，并反馈至微处理器模块；
所述GPS导航模块用于向所述微处理器模块反馈实时位置信息；
所述视频模块用于拍摄溢油地点的水面情况并生成水面高清图片；
所述时钟模块用于在发现溢油点时进行时间同步；
所述5G通信模块用于进行数据通信；
所述微处理器用于处理并分析所述溢油探测模块所反馈的荧光信息以获得水面油质信息，并通过所述5G通信模块将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。
优选的，所述光源组件和所述双通道荧光捕捉器安装于底板，所述底板通过夹持件搭载安装于无人艇；
所述光源组件由上至下依次安装有电池仓、紫外光灯、锥形聚光镜、第一滤光件、固定环和镜头；
所述锥形聚光镜用于聚集发散的紫外光；
所述第一滤光件用于将聚集的紫外光进行过滤以获取纯净的紫外光。
优选的，所述双通道荧光捕捉器由上至下安装有信号线、光电探测器、第二滤光件和所述镜头；
所述光电探测器用于探测所产生的荧光并生成暗电流；
所述第二滤光件用于过滤非荧光波长的其他光源以获取纯净的荧光；
所述信号线用于向所述微处理器模块发送暗电流和荧光信息。
优选的，所述微处理器模块设置有电流放大组件，所述电流放大组件用于放大暗电流。
优选的，所述时钟模块用于向所述微处理器模块发送时间信息；
所述微处理器模块用于将时间信息随通讯帧发送至所述客户端，并向所述客户端发起时间同步请求，所述客户端用于接收时间同步请求并向所述微处理器模块发送时间戳同步报文，所述时间戳同步报文记录有发送时间TM1；
所述微处理器模块还用于接收所述时间戳同步报文，并记录接收时间TS1，向所述客户端发送延迟请求，并记录发送时间TM3，所述客户端用于接收所述延迟请求，并记录接收时间TS3，并将所述接收时间TS3通过延迟响应报文发送至所述微处理器；
所述微处理器模块还用于根据TM1、TS1、TM3和TS3获取客户端与时钟模块的时间偏差值，根据时间偏差值修正所述时钟模块的时间信息。
一种基于无人水面艇的溢油检测方法，包括使用所述基于无人水面艇的溢油检测系统，所述方法包括如下步骤：
发射紫外光，以使得紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光；
捕捉并分析荧光信息，获得水面油性信息；
拍摄溢油地点的水面情况并生成水面高清图片；
发现溢油地点时进行时间同步；
将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。
优选的，所述发射紫外光和捕捉荧光信息包括：
聚集发散的紫外光，将聚集的紫外光进行过滤后照射于水面；
探测水面油性物质所产生的荧光，将荧光进行过滤以获得纯净的荧光。
优选的，所述时间同步包括如下步骤：
发现溢油地点时，向客户端发起时间同步请求，将当前时间信息随通讯帧回传至客户端；
客户端接收时间同步请求，并发送时间戳同步报文，所述时间戳同步报文记录有发送时间TM1；
接收时间戳同步报文，并记录接收时间TS1；
向客户端发送延迟请求，记录发送时间TM3；
客户端接收延迟请求，记录接收时间TS3，并通过延迟响应报文将接收时间TS3发出；
根据TM1、TS1、TM3和TS3获取时间偏差值；
根据时间偏差值修正时间信息。
优选的，包括基于公式一，根据时间偏差值修改时间信息；
t＝1/2(TS1-TM1-TM3+TS3)--公式一；
其中：
t表示时间偏差值；
TS1表示微处理器模块接收时间戳同步报文时的接收时间；
TM1表示客户端发送时间戳同步报文时的发送时间；
TS3表示客户端接收延迟请求时的接收时间；
TM3表示微处理器模块向客户端发送延迟请求时的发送时间。
本发明相对于现有技术所达到的有益效果：
1、本发明可搭载于水面无人艇等水面自动化设备，同时克服了航空遥感大雾等天气无法探测及定点浮标检测技术检测范围小的缺点；通过紫外光诱导荧光的基本原理检测水面油质信息，采用非接触式检测避免油污附着的同时，检测精度得到保证。
2、本发明搭载5G通讯模块，支持5G通讯协议，可实时回传水面油质信息及其对应的位置信息、时钟信息，保证了系统的实时性。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的溢油检测系统的框架图；
图2是本发明的一个实施例的溢油探测模块的结构图；
图3是本发明的一个实施例的光源组件的结构示意图；
图4是本发明的一个实施例的锥形聚光镜的剖面示意图；
图5是本发明的一个实施例的双通道荧光捕捉器的结构示意图。
其中：夹持件1、光源组件2、电池仓21、紫外光灯22、锥形聚光镜23、第一滤光件24、固定环25、镜头26、双通道荧光捕捉器3、信号线31、光电探测器32、第二滤光件33、底板4。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制；
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
目前水面油质检测手段通常有卫星遥感、航空遥感、漂浮浮标跟踪、定点浮标检测四种检测手段。卫星遥感方式重复观测周期长，不具备实时性；航空遥感方式成本高昂，受到天气因素的制约；漂浮浮标跟踪只用于用于溢油事故发生后跟踪漂浮油膜；定点浮标检测受到自身定点监测的制约，检测范围小。并且现有无人艇溢油检测手段单一，多采用水面图像信息处理、收集水体样本分析等方法获取水体表面油膜信息，实时性低，接触式探测对相关设备污染程度高，为了解决上述问题，本申请提出一种基于无人水面艇的溢油检测系统，具体的，如图1所示，包括溢油探测模块、微处理器模块、5G通信模块、GPS导航模块、视频模块、时钟模块和客户端；
所述溢油探测模块搭载于无人艇，所述溢油探测模块包括光源组件2和双通道荧光捕捉器3，所述光源组件2用于发射紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光，所述双通道荧光捕捉器3用于捕捉荧光信息，并反馈至微处理器模块；
所述GPS导航模块用于向所述微处理器模块反馈实时位置信息；
所述视频模块用于拍摄溢油地点的水面情况并生成水面高清图片；
所述时钟模块用于在发现溢油点时进行时间同步；
所述5G通信模块用于进行数据通信；
所述5G通信模块采用NSA、SA双模5G组网，能提供低时延通讯服务；本申请还提供RS485硬件连接通讯方式，可以通过RS485读取数据。
在本实施例中，还包括模数转换器，该转换器为12位模数转换器；用到储存芯片，所述存储芯片用于存储荧光信息，储存芯片为W25Q64，使用SPI接口实现5G通信模块与微处理器模块之间的通讯。
所述微处理器用于处理并分析所述溢油探测模块所反馈的荧光信息以获得水面油质信息，并通过所述5G通信模块将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。
本申请通过光源发射紫外光到水面，遇到油质激发荧光，收集水面反射光信息，通过与事先设定的阈值比较，超过阈值表示该地点水面有溢油的情况，此时通过5G通讯回传该地点的图片信息、位置信息、该时刻的时间。
优选的，如图2至图4所示，所述光源组件2和所述双通道荧光捕捉器3安装于底板4，所述底板4通过夹持件1搭载安装于无人艇；
所述光源组件2由上至下依次安装有电池仓21、紫外光灯22、锥形聚光镜23、第一滤光件24、固定环25和镜头26；
所述锥形聚光镜23用于聚集发散的紫外光；
所述第一滤光件24用于将聚集的紫外光进行过滤以获取纯净的紫外光。
在本实施例中，所述夹持件1包括支架，支架采用铝合金制作，无人艇侧采用可调夹式固定，上下两条横杆为固定提供受力；所述底板4采用螺丝固定于支架；
进一步的，所述电池仓21为紫外光灯22供电；紫外光灯22可发射波长范围360-370nm，峰值波长为365nm的紫外光；锥形聚光镜23可聚集发散的紫外光。第一滤光件24在本实施例为300-400nm带阻滤光片，其作用为滤除其它光，产生纯净的紫外光，固定环25作用为将镜头26固定在溢油探测器模块底板4上。
优选的，如图5所示，所述双通道荧光捕捉器3由上至下安装有信号线31、光电探测器32、第二滤光件33和所述镜头26；
所述光电探测器32用于探测所产生的荧光并生成暗电流；
所述第二滤光件33用于过滤非荧光波长的其他光源以获取纯净的荧光；
所述信号线31用于向所述微处理器模块发送暗电流和荧光信息。
在本实施例中，所述光电探测器32用于探测产生的荧光，其相应波长为200-1100nm，能产生相应暗电流；第二滤光件33为两级300-400nm带通滤光片，能有效滤除其它波长光源，收集纯净的荧光信息。
优选的，所述微处理器模块设置有电流放大组件，所述电流放大组件用于放大暗电流。
在本实施例中，所述微处理器模块是以单片机为核心的微机系统，其中荧光捕捉器回传的暗电流通过集成与本模块的电流放大组件进行放大，所述电流放大组件采用达林顿管阵列。所述微处理器模块的主要功能在于：(1)对采集到的的数据进行分析；(2)协调整个系统的运行。
优选的，所述时钟模块用于向所述微处理器模块发送时间信息；
所述微处理器模块用于将时间信息随通讯帧发送至所述客户端，并向所述客户端发起时间同步请求，所述客户端用于接收时间同步请求并向所述微处理器模块发送时间戳同步报文，所述时间戳同步报文记录有发送时间TM1；
所述微处理器模块还用于接收所述时间戳同步报文，并记录接收时间TS1，向所述客户端发送延迟请求，并记录发送时间TM3，所述客户端用于接收所述延迟请求，并记录接收时间TS3，并将所述接收时间TS3通过延迟响应报文发送至所述微处理器；
所述微处理器模块还用于根据TM1、TS1、TM3和TS3获取客户端与时钟模块的时间偏差值，根据时间偏差值修正所述时钟模块的时间信息。
优选的，包括基于公式一，根据时间偏差值修改时间信息；
t＝1/2(TS1-TM1-TM3+TS3)--公式一；
其中：
t表示时间偏差值；
TS1表示微处理器模块接收时间戳同步报文时的接收时间；
TM1表示客户端发送时间戳同步报文时的发送时间；
TS3表示客户端接收延迟请求时的接收时间；
TM3表示微处理器模块向客户端发送延迟请求时的发送时间。
所述时钟模块用于提供稳定的时间信息，该信息在发现溢油点时会随着通讯帧回传到客户端。所述时间修正每天至多进行一次。
一种基于无人水面艇的溢油检测方法，包括使用所述基于无人水面艇的溢油检测系统，所述方法包括如下步骤：
发射紫外光，以使得紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光；
捕捉并分析荧光信息，获得水面油性信息；
拍摄溢油地点的水面情况并生成水面高清图片；
发现溢油地点时进行时间同步；
将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。
优选的，所述发射紫外光和捕捉荧光信息包括：
聚集发散的紫外光，将聚集的紫外光进行过滤后照射于水面；
探测水面油性物质所产生的荧光，将荧光进行过滤以获得纯净的荧光。
优选的，所述时间同步包括如下步骤：
发现溢油地点时，向客户端发起时间同步请求，将当前时间信息随通讯帧回传至客户端；
客户端接收时间同步请求，并发送时间戳同步报文，所述时间戳同步报文记录有发送时间TM1；
接收时间戳同步报文，并记录接收时间TS1；
向客户端发送延迟请求，记录发送时间TM3；
客户端接收延迟请求，记录接收时间TS3，并通过延迟响应报文将接收时间TS3发出；
根据TM1、TS1、TM3和TS3获取时间偏差值；
根据时间偏差值修正时间信息。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于无人水面艇的溢油检测系统，其特征在于：包括溢油探测模块、微处理器模块、5G通信模块、GPS导航模块、视频模块、时钟模块和客户端；
所述溢油探测模块搭载于无人艇，所述溢油探测模块包括光源组件和双通道荧光捕捉器，所述光源组件用于发射紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光，所述双通道荧光捕捉器用于捕捉荧光信息，并反馈至微处理器模块；
所述GPS导航模块用于向所述微处理器模块反馈实时位置信息；
所述视频模块用于拍摄溢油地点的水面情况并生成水面高清图片；
所述时钟模块用于在发现溢油点时进行时间同步；
所述5G通信模块用于进行数据通信；
所述微处理器用于处理并分析所述溢油探测模块所反馈的荧光信息以获得水面油质信息，并通过所述5G通信模块将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。
2.根据权利要求1所述一种基于无人水面艇的溢油检测系统，其特征在于：
所述光源组件和所述双通道荧光捕捉器安装于底板，所述底板通过夹持件搭载安装于无人艇；
所述光源组件由上至下依次安装有电池仓、紫外光灯、锥形聚光镜、第一滤光件、固定环和镜头；
所述锥形聚光镜用于聚集发散的紫外光；
所述第一滤光件用于将聚集的紫外光进行过滤以获取纯净的紫外光。
3.根据权利要求2所述一种基于无人水面艇的溢油检测系统，其特征在于：
所述双通道荧光捕捉器由上至下安装有信号线、光电探测器、第二滤光件和所述镜头；
所述光电探测器用于探测所产生的荧光并生成暗电流；
所述第二滤光件用于过滤非荧光波长的其他光源以获取纯净的荧光；
所述信号线用于向所述微处理器模块发送暗电流和荧光信息。
4.根据权利要求3所述一种基于无人水面艇的溢油检测系统，其特征在于：
所述微处理器模块设置有电流放大组件，所述电流放大组件用于放大暗电流。
5.根据权利要求1所述一种基于无人水面艇的溢油检测系统，其特征在于：
所述时钟模块用于向所述微处理器模块发送时间信息；
所述微处理器模块用于将时间信息随通讯帧发送至所述客户端，并向所述客户端发起时间同步请求，所述客户端用于接收时间同步请求并向所述微处理器模块发送时间戳同步报文，所述时间戳同步报文记录有发送时间TM1；
所述微处理器模块还用于接收所述时间戳同步报文，并记录接收时间TS1，向所述客户端发送延迟请求，并记录发送时间TM3，所述客户端用于接收所述延迟请求，并记录接收时间TS3，并将所述接收时间TS3通过延迟响应报文发送至所述微处理器；
所述微处理器模块还用于根据TM1、TS1、TM3和TS3获取客户端与时钟模块的时间偏差值，根据时间偏差值修正所述时钟模块的时间信息。
6.一种基于无人水面艇的溢油检测方法，其特征在于：包括使用如权利要求1-5的任一项所述基于无人水面艇的溢油检测系统，所述方法包括如下步骤：
发射紫外光，以使得紫外光照射于水面，激发水面油性物质产生荧光；
捕捉并分析荧光信息，获得水面油性信息；
拍摄溢油地点的水面情况并生成水面高清图片；
发现溢油地点时进行时间同步；
将位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端位置信息、时钟信息、水面油质信息和水面高清图片发送至客户端。
7.根据权利要求6所述一种基于无人水面艇的溢油检测方法，其特征在于：
所述发射紫外光和捕捉荧光信息包括：
聚集发散的紫外光，将聚集的紫外光进行过滤后照射于水面；
探测水面油性物质所产生的荧光，将荧光进行过滤以获得纯净的荧光。
8.根据权利要求6所述一种基于无人水面艇的溢油检测方法，其特征在于：
所述时间同步包括如下步骤：
发现溢油地点时，向客户端发起时间同步请求，将当前时间信息随通讯帧回传至客户端；
客户端接收时间同步请求，并发送时间戳同步报文，所述时间戳同步报文记录有发送时间TM1；
接收时间戳同步报文，并记录接收时间TS1；
向客户端发送延迟请求，记录发送时间TM3；
客户端接收延迟请求，记录接收时间TS3，并通过延迟响应报文将接收时间TS3发出；
根据TM1、TS1、TM3和TS3获取时间偏差值；
根据时间偏差值修正时间信息。
9.根据权利要求8所述一种基于无人水面艇的溢油检测方法，其特征在于：
包括基于公式一，根据时间偏差值修改时间信息；
Figure FDA0003056158760000031
其中：
t表示时间偏差值；
TS1表示微处理器模块接收时间戳同步报文时的接收时间；
TM1表示客户端发送时间戳同步报文时的发送时间；
TS3表示客户端接收延迟请求时的接收时间；
TM3表示微处理器模块向客户端发送延迟请求时的发送时间。
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