WO2018040649A1 - 悬浮泥沙浓度监测系统及监测方法 - Google Patents
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- the control unit processes the image, and acquires and displays an average grayscale cumulative average value of the image in real time
- the control unit 40 is connected to the light source 20 and the imaging device 30, respectively.
- the control unit 40 is connected to the imaging device 30 via the data line 50 and the light source 20.
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Abstract
一种悬浮泥沙浓度监测系统（100）和方法，包括控制单元（40）、光源（20）、成像装置（30）和探头（10），探头（10）包括固定装置（12）、传光光纤（14）和光纤传像束（16），光纤传像束（16）包括数万根单丝光纤，光纤传像束（16）将拾像端（162）拾取的图像通过每根单丝光纤逐点传向输出端（164），输出端（164）和成像装置（30）连接，控制单元（40）分别和光源（20）与成像装置（30）连接；利用传光光纤（14）导光、光纤传像束（16）拾像，实现了开放式探头的微型化，结合成像装置（30）实现了对泥沙溶液的实时放大成像，根据数字图像灰度分析提高了图像处理速度，可以实时快速得到泥沙浓度，具有对待测水体干扰小、测量速度快、量程大和精度较高的优点。
Description
本发明涉及水环境监测技术领域，特别是涉及一种悬浮泥沙浓度监测系统及监测方法，可以实现对待测水体小扰动、大量程和较高精度的快速测量。
泥沙含量不仅直接影响水质透明度和水色等光学特性，对水生生态环境和河口海岸带冲淤演变过程也有影响。河流及海水中悬浮泥沙浓度是最基础关键的水文与环境参数，对水体泥沙浓度的准确量化的研究具有重要现实意义。目前研究悬浮沉积物质量浓度的方法有采样法、光学法、声学法和图像法等方法。
采样法是一种传统的泥沙浓度分析方式。利用采样器现场取样，然后对水样进行抽滤、称重、计算悬沙质量浓度。该方法虽然测量精度高，但无法实现对水体泥沙浓度的定点实时监测。
光学法主要利用光学手段，根据米氏散射原理监测水体中悬浮物质由于吸收、反射和散射等因素对透射光和散射光造成的影响来分析水体的浊度，然后标定水体浊度与泥沙等悬浮物浓度的定量关系，得到水体的泥沙浓度。
根据光源和传感器的角度相对位置，光学法还可分为透射法、散射法和背向散射法。光学背向散射法是将传感器固定在于光束传播方向呈较大钝角位置上；散射法一般将传感器固定在与光束传播方向垂直位置；透射法将传感器固定在正对光束传播方向位置。测量过程中射向介质的光束遇到不透光颗粒发生反射和散射改变原来传播方向，在各个传播方向中，90°方向散射光受泥沙粒径影响较小，背向散射角度在泥沙浓度较高时能提供更加充分的测量信息。为消除颜色影响，上述方法一般选择860±30nm的近红外光源。由于不同基质、
粒径的泥沙颗粒对光散射性能的差异，上述光学探测方法准确性仍较低。同时90°方向散射光探测仅适用于泥沙浓度较小情况，一般为兼顾量程和精确度，上述光学探测方法往往采用双传感器方式探测90°散射光和背向散射光。
声学法通过测量水体内从一定剖面由泥沙或其它悬浮颗粒反射的声学信号反演计算悬浮颗粒浓度。虽然声波的反射强度随泥沙浓度增加，但其在传播过程中会随泥沙浓度加大而衰减，因此这类方法只能测量0.6-3.0kg/m3的有限浓度范围。
随着摄影技术和数字图像技术的发展，采用图像法测量泥沙浓度成为可能。钟强等人提出了一种天然河流中泥沙浓度级配原位实时测量装置及其方法(ZL201410190678.0)，该装置通过一个封闭的入水壳体实现泥沙浓度级配原位实时的采集，入水壳体侧面设置透明平面观测窗，内部固定安装环形LED光源、微距镜头和工业相机等测量设备；随后将采集图像通过颗粒图像识别算法和拉普拉斯算子等图像处理技术获得泥沙浓度及级配信息。该方法图像处理过程比较复杂，处理速度较慢，进而影响整个测量过程的采样间隔。
上述光学法和声学法除了泥沙含量测量精度和测量范围的局限外，还存在入水探头尺寸大的缺点。图像法虽然在泥沙含量测量精度和测量范围上有所突破，但是入水探头尺寸以及测量速度问题仍未解决。大尺寸探头会对待测水体产生巨大影响，较慢测量速度无法测量水体泥沙浓度的快速变化，对水体动力学研究十分不利。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种对待测水体干扰小、测量速度快的悬浮泥沙浓度快速实时监测系统及监测方法。
一种悬浮泥沙浓度监测系统，包括控制单元、光源、成像装置和探头，所述探头包括固定装置、传光光纤和光纤传像束，所述光纤传像束包括数万根单
丝光纤，所述光纤传像束的一端为拾像端，另一端为输出端，所述光纤传像束将所述拾像端拾取的图像通过每根所述单丝光纤逐点传向所述输出端，所述拾像端固定于所述固定装置上，所述输出端和所述成像装置连接，所述传光光纤的一端为出光端，所述出光端固定于所述固定装置上，所述传光光纤的另一端和所述光源连接，所述光纤传像束的拾像端和所述传光光纤的出光端相对设置，所述控制单元分别和所述光源与所述成像装置连接。
在其中一个实施例中，所述成像装置包括可调镜筒、透镜、CCD相机和光纤转接件，所述可调镜筒包括固定镜筒和移动镜筒，所述透镜设于所述固定镜筒内，所述CCD相机设于所述固定镜筒远离所述移动镜筒的一端，所述移动镜筒的一端套设于所述固定镜筒内，所述光纤转接件设于所述移动镜筒的另一端，所述移动镜筒相对于所述固定镜筒可移动。
在其中一个实施例中，所述传光光纤的出光端与光纤传像束的拾像端的中垂线重合，所述传光光纤的纤芯直径大于所述光纤传像束的拾像端的有效成像区域的直径。
在其中一个实施例中，所述传光光纤的出光端与所述光纤传像束的拾像端的距离为毫米级。
在其中一个实施例中，所述光纤传像束中的单根所述单丝光纤的直径为13μm，分辨率44LP/mm。
在其中一个实施例中，所述传光光纤的直径为2mm，所述光纤传像束的直径为1mm。
在其中一个实施例中，所述探头为开放式系统。
一种采用悬浮泥沙浓度监测装置的监测方法，包括如下步骤：
将所述探头放入泥沙溶液中；
所述控制单元发送信号开启所述光源和所述成像装置，通过所述光纤传像
束的拾像端连续采集若干图像；
所述成像装置将采集的所述图像发送至所述控制单元；
所述控制单元处理所述图像，实时获取、显示所述图像的平均灰度累积平均值；
通过泥沙浓度值与图像的平均灰度累积平均值的关系式，计算不同的所述平均灰度累积平均值对应的泥沙浓度值。
在其中一个实施例中，所述泥沙浓度值与所述图像的平均灰度累积平均值的关系式通过如下方法得到：
分别配置不同浓度的泥沙溶液；
将所述探头的固定装置放入所述泥沙溶液中；
所述控制单元发送信号开启所述光源和所述成像装置，连续采集多张图像；
所述成像装置将采集的所述图像发送至所述控制单元；
所述控制单元处理所述图像，实时获取、显示和存储每张所述图像的平均灰度值、累积平均值和灰度谱信息，得到不同泥沙浓度下多张所述图像的平均灰度累积平均值；
通过拟合得到泥沙浓度值与所述图像的平均灰度累积平均值的关系式。
在其中一个实施例中，在将所述探头放入泥沙溶液中的步骤之前，还包括对所述悬浮泥沙浓度监测装置进行标定的步骤，标定方法如下：
将所述探头的固定装置放入清水中；
所述控制单元发送信号开启所述光源和所述成像装置，调节成像装置使得成像装置清晰成像，同时调整光源光强，防止图像出现过饱和现象。
上述悬浮泥沙浓度监测系统及监测方法，利用传光光纤导光、光纤传像束
拾像等方法，实现了开放式探头的微型化，结合成像装置实现了对泥沙溶液的实时放大成像，根据数字图像灰度分析提高了图像处理速度，可以实时快速得到泥沙浓度，具有对待测水体干扰小、测量速度快、量程大和精度较高等优点。
图1为一实施方式的悬浮泥沙浓度监测系统的结构示意图；
图2为图1所示的探头的放大结构示意图；
图3为图1所示的悬浮泥沙浓度监测系统的标定示意图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一实施方式的悬浮泥沙浓度监测系统100，包括探头10、光源20、成像装置30和控制单元40。
探头10包括固定装置12、传光光纤14和光纤传像束16。光纤传像束16包括数万根单丝光纤，光纤传像束16的一端为拾像端162，另一端为输出端164，光纤传像束16将拾像端162拾取的图像通过每根单丝光纤逐点传向输出端164，拾像端162固定于固定装置12上，输出端164和成像装置30连接。传光光纤14的一端为出光端142，出光端142固定于固定装置12上，传光光纤14的另一端和光源20连接。光纤传像束16的拾像端162和传光光纤14的出光端142相对设置。
在其中一个实施方式中，请参看图2，固定装置12包括两个法兰座122，两个法兰座122通过两根以上固定螺丝124与螺母固定连接。拾像端162和出
光端142分别通过光纤接头安装在两个法兰座122上。光纤接头具体可以为SMA905光纤接头。可以理解，固定装置12也可以为其他结构的固定装置。
进一步的，传光光纤14的出光端142与光纤传像束16的拾像端162的中垂线尽量重合。传光光纤14的纤芯直径大于光纤传像束16的拾像端的有效成像区域的直径。保证输出的光线能均匀照亮光纤传像束16的成像区域。其中，有效成像区域即光纤传像束16纤芯横截面。传光光纤14的出光端142与光纤传像束16的拾像端162的距离为毫米级，可使水体流过。
在一个实施方式中，传光光纤的直径为2mm，光纤传像束的直径为1mm。光纤传像束中的单根单丝光纤的直径为13μm，分辨率44LP/mm。光纤传像束16由数以万计单根单丝光纤组成，可将拾像端162一定面积图像通过每根单丝光纤逐点传向输出端，具有数值孔径大、无像差和景深小等特点，分辨率由光纤传像束16的单根单丝光纤直径决定。
探头10为开放式水下测量设备。除了传光光纤14的出光端142和光纤传像束16的拾像端162以及固定螺丝124与螺母，探头10四面开放，尽可能减小探头10对水体运动的影响。
光源20为光纤耦合LED光源。光源20与传光光纤14连接，为探头140提供照明光源。在其中一个实施例中，光源20为15W高功率LED冷光源。
成像装置30采集由光纤传像束16的拾像端162传送过来的悬浮泥沙图像。在一个实施方式中，成像装置30包括可调镜筒32、透镜34、CCD相机36和光纤转接件38。
可调镜筒32包括固定镜筒322和移动镜筒324，透镜34设于固定镜筒322内。CCD相机36设于固定镜筒322远离移动镜筒324的一端，在其中一个实施方式中，CCD相机36为MV-1300UM相机。移动镜筒324的一端套设于固定镜筒322内，光纤转接件38设于移动镜筒324的另一端，移动镜筒324相对于固定镜筒322可移动。在其中一个实施例中，移动镜筒324和固定镜筒
322通过螺纹连接。移动镜筒324的外螺纹和固定镜筒322的内螺纹连接。
通过设置透镜34与光纤传像束16的图像输出端164及CCD相机36感光面之间的距离，可以控制图像放大比例。透镜34到光纤传像束16的图像输出端164之间的距离可微调对焦，保证CCD相机36对光纤传像束16的输出端164清晰成像。
控制单元40分别和光源20与成像装置30连接。控制单元40通过数据线50与光源20与成像装置30连接。在其中一个实施方式中，控制单元40为计算机。具体的，控制单元40和成像装置30的CCD相机36连接。
控制单元40采用Matlab软件编写程序控制光源20和CCD相机36成像，同时将采集到的图像进行图像处理与存储，最终显示并存储探头10所在位置处的泥沙浓度的实时信息。其中，图像处理采用简便快捷的灰度分析方式，保证测量过程的实时快速。
上述悬浮泥沙浓度监测系统100工作过程为：将探头10沉入待测水体，打开控制单元40以及控制软件，通过控制软件设计采集参数发送采集命令，通过数据线50传递指令打开光源20和CCD相机36；光源20通过传光光纤14照亮探头10处的水体，光纤传像束16将拾像端162附近悬浮泥沙图像传送到输出端164，悬浮泥沙图像通过透镜34放大成像到CCD相机36的感光面；CCD相机36定时连续采集图像并传送到控制单元40，控制单元40直接按照事先标定好关系式在特定窗口快速实时显示所测水体悬浮泥沙浓度并给出连续测量的累积平均结果；采集完毕后，点击保存命令存储数据。
上述悬浮泥沙浓度监测系统100，利用传光光纤14导光、光纤传像束16拾像等方法，实现了开放式探头10的微型化，结合成像装置30实现了对泥沙溶液的实时放大成像，根据数字图像灰度分析提高了图像处理速度，可以实时快速得到泥沙浓度，具有对待测水体干扰小、测量速度快、量程大和精度较高等优点。
此外，还提供一种采用上述悬浮泥沙浓度监测装置100的监测方法，包括如下步骤：
S10、将探头放入泥沙溶液中。
请同时参考图3，在将探头放入泥沙溶液中的步骤之前，还包括对悬浮泥沙浓度监测装置进行标定的步骤，标定方法如下：
S1、将探头的固定装置放入清水中。
具体的，选取或制作合适的标定容器60，将探头安装在可调固定装90送入标定容器60中，向标定容器60中注入清水，直至淹没探头。
S2、控制单元发送信号开启光源和成像装置，调节成像装置使得成像装置清晰成像，同时调整光源光强，防止图像出现过饱和现象。
具体的，打开控制单元的软件操作界面，发送指令，打开光源，调节成像装置可调镜筒对焦，使得CCD相机对光纤传像束输出端清晰成像，同时调整光源光强，防止CCD图像出现过饱和现象。接着，固定光源强度，旋紧可调镜筒上的固定卡环。
S20、控制单元发送信号开启光源和成像装置，通过光纤传像束的拾像端连续采集若干图像。
S30、成像装置将采集的图像发送至控制单元。
S40、控制单元处理图像，实时获取、显示图像的平均灰度累积平均值。
在其中一个实施方式中，控制单元还可以保存拾像端连续采集的图像。
S50、通过泥沙浓度值与图像的平均灰度累积平均值的关系式，计算不同的平均灰度累积平均值对应的泥沙浓度值，实现泥沙浓度的实时监测。
具体的，可以由Matlab软件快速实时处理所采集图像并按照标定关系式给出泥沙浓度，在软件操作界面显示窗口实时显示并记录泥沙浓度。最后点击
数据保存，存储所测泥沙浓度信息。
S50中，泥沙浓度值与图像的平均灰度累积平均值的关系式通过如下方法得到：
S51、分别配置不同浓度的泥沙溶液。
S52、将探头的固定装置放入泥沙溶液中。
具体的，将标定容器60置于磁力搅拌器70上，称量一定质量泥沙和一定体积清水，倒入标定容器60内，配制出特定泥沙浓度溶液，并采用磁力搅拌器70的磁力搅拌子80不断搅拌，防止泥沙分层，将入水探头放入标定容器60内，通过可调固定装置90调节位置，保证探头被泥沙溶液淹没。
S53、控制单元发送信号开启光源和成像装置，连续采集多张图像。
S54、成像装置将采集的图像发送至控制单元。
S55、控制单元处理图像，实时获取、显示和存储每张图像的平均灰度值、累积平均值和灰度谱信息，得到不同泥沙浓度下多张图像的平均灰度累积平均值。
S56、通过拟合得到泥沙浓度值与图像的平均灰度累积平均值的关系式。
通过拟合得到泥沙浓度值与图像的平均灰度累积平均值的关系式之后，还可以通过标定好的关系式，重新编译软件，将各个图片平均灰度值对应成泥沙浓度。
上述悬浮泥沙浓度监测方法，利用传光光纤导光、光纤传像束拾像等方法，结合成像装置实现了对泥沙溶液的实时放大成像，根据数字图像灰度分析提高了图像处理速度，可以实时快速得到泥沙浓度，且具有对待测水体干扰小、测量速度快、量程大和精度较高等优点。此外，上述悬浮泥沙浓度监测方法操作简单，实时快速。
此外，本发明提供的悬浮泥沙浓度监测系统及监测方法还可以实现悬浮固
体颗粒形貌、粒径分布的直接可视化测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
- 一种悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，包括控制单元、光源、成像装置和探头，所述探头包括固定装置、传光光纤和光纤传像束，所述光纤传像束包括数万根单丝光纤，所述光纤传像束的一端为拾像端，另一端为输出端，所述光纤传像束将所述拾像端拾取的图像通过每根所述单丝光纤逐点传向所述输出端，所述拾像端固定于所述固定装置上，所述输出端和所述成像装置连接，所述传光光纤的一端为出光端，所述出光端固定于所述固定装置上，所述传光光纤的另一端和所述光源连接，所述光纤传像束的拾像端和所述传光光纤的出光端相对设置，所述控制单元分别和所述光源与所述成像装置连接。
- 如权利要求1所述的悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，所述成像装置包括可调镜筒、透镜、CCD相机和光纤转接件，所述可调镜筒包括固定镜筒和移动镜筒，所述透镜设于所述固定镜筒内，所述CCD相机设于所述固定镜筒远离所述移动镜筒的一端，所述移动镜筒的一端套设于所述固定镜筒内，所述光纤转接件设于所述移动镜筒的另一端，所述移动镜筒相对于所述固定镜筒可移动。
- 如权利要求1所述的悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，所述传光光纤的出光端与光纤传像束的拾像端的中垂线重合，所述传光光纤的纤芯直径大于所述光纤传像束的拾像端的有效成像区域的直径。
- 如权利要求1所述的悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，所述传光光纤的出光端与所述光纤传像束的拾像端的距离为毫米级。
- 如权利要求1所述的悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，所述光纤传像束中的单根所述单丝光纤的直径为13μm，分辨率44LP/mm。
- 如权利要求1所述的悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，所述传光光纤的直径为2mm，所述光纤传像束的直径为1mm。
- 如权利要求1所述的悬浮泥沙浓度监测系统，其特征在于，所述探头为开放式系统。
- 一种采用如权利要求1-7中任一项所述的悬浮泥沙浓度监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述探头放入泥沙溶液中；所述控制单元发送信号开启所述光源和所述成像装置，通过所述光纤传像束的拾像端连续采集若干图像；所述成像装置将采集的所述图像发送至所述控制单元；所述控制单元处理所述图像，实时获取、显示所述图像的平均灰度累积平均值；通过泥沙浓度值与图像的平均灰度累积平均值的关系式，计算不同的所述平均灰度累积平均值对应的泥沙浓度值。
- 如权利要求8所述的监测方法，其特征在于，所述泥沙浓度值与所述图像的平均灰度累积平均值的关系式通过如下方法得到：分别配置不同浓度的泥沙溶液；将所述探头的固定装置放入所述泥沙溶液中；所述控制单元发送信号开启所述光源和所述成像装置，连续采集多张图像；所述成像装置将采集的所述图像发送至所述控制单元；所述控制单元处理所述图像，实时获取、显示和存储每张所述图像的平均灰度值、累积平均值和灰度谱信息，得到不同泥沙浓度下多张所述图像的平均灰度累积平均值；通过拟合得到泥沙浓度值与所述图像的平均灰度累积平均值的关系式。
- 如权利要求8所述的监测方法，其特征在于，在将所述探头放入泥沙溶液中的步骤之前，还包括对所述悬浮泥沙浓度监测装置进行标定的步骤，标定方法如下：将所述探头的固定装置放入清水中；所述控制单元发送信号开启所述光源和所述成像装置，调节成像装置使得成像装置清晰成像，同时调整光源光强，防止图像出现过饱和现象。
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