溢油监测仪及其监测方法与流程

本发明属于溢油监测技术领域，具体地讲，涉及一种溢油监测仪及其监测方法。

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的不断增加的同时，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，如果我们能在在溢油的初期及时发现溢油源头并进行处理，将极大减少我们受到的损失和遭受的污染。因此，人们亟需一种能够实时监测溢油情况并发出报警信号的系统。而现有的卫星监测对于小范围污染的监测准确性低，雷达远程监测不仅准确度低，而且成本高，不具有实时性等，另外，一些接触型探测器则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地监测海面的溢油情况，以致需要的人力成本较高。

因此，现有技术还需还需改进和发展。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种成本低廉、实时性高且误报率极低的溢油监测仪及其监测方法。

本发明提供了一种溢油监测方法，所述溢油监测方法包括：

S1、在第一采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以得到第一背景值；

S2、在第二采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以得到第二背景值、且发送第一波段光信号至经过紫外光源照射目标区域，以得到第一信号值；

S3、根据所述第二背景值和所述第一信号值作差值运算，以得到第二采样周期对应的第一信号差值；

S4、比较所述第一信号差值是否大于下限阈值且小于上限阈值，所述上限阈值被配置为在实验室测试得到的纯油的信号差值，所述下限阈值被配置为在无溢油或其它杂质的条件下，高出测得的海面信号差值30％～50％的值；若是，则执行步骤S6；若否，则不报警；

S5、计算所述第二背景值和所述第一背景值的实际比值，判断所述实际比值是否小于所述参考比值，所述参考比值被配置为一参考常数，若是，则执行步骤S6；若否，则不报警；

S6、延时后，继续执行步骤S7；

S7、检测得到延时后的第三背景值和第二信号值，并计算得到延时后的第二信号差值；

S8、比较所述第二信号差值是否大于所述下限阈值且小于所述上限阈值；若是，则报警；若否，则不报警。

进一步地，步骤S1包括：在第一采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第一光信号；对第一光信号进行光电转换以得到第一背景值。

进一步地，步骤S3包括：在第二采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第二光信号；对第二光信号进行光电转换以得到第二背景值；发送第一波段光信号至经过紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第三光信号；对第三光信号进行光电转换以得到第一信号值。

进一步地，所述溢油检测方法还包括：

对发送的光信号进行聚光，以得到光强度大的光信号；

对聚光后的光信号进行滤光，以得到第一波段光信号；

利用反射镜对所述第一波段光信号进行反射；

将反射后的第一波段光信号进行聚焦至目标区域。

进一步地，所述溢油监测方法还包括：当报警时，对目标区域进行拍照，以得到目标区域的照片，并将所述照发送至检测终端。

进一步地，所述溢油检测方法还包括：测量海平面的高度值，并根据所述高度值调整所述上限阈值和所述下限阈值。

本发明还提供了一种全天候非接触式的溢油检测仪，用如上所述的溢油监测方法进行溢油监测，所述溢油检测仪包括：光源装置，被构造为发送第一波段光信号至待检测的目标区域，以在目标区域中形成第二波段光信号；光电探测器，被构造为对接收到的第二波段光信号进行光电转换，以得到检测电信号；处理器，被构造为根据所述检测电信号判断是否发生溢油；报警器，被构造为产生报警信号。

进一步地，所述溢油监测仪还包括通信模块，所述报警器还被构造为产生报警信息，所述报警器通过所述通信模块发送所述报警信息至监控终端。

进一步地，所述光源装置包括：LED灯；聚光件，与所述LED灯相对设置；窄带滤光片，设置于所述聚光件背对于所述LED灯的一侧；滤光组件，设置于所述光电探测器的入光面；反射镜，窄带滤光片设置于所述窄带滤光片和所述滤光组件之间，且所述反射镜的法线方向与所述滤光组件呈45度角；凸透镜，设置于所述反射镜背对于所述光电探测器的一侧，所述凸透镜用于对光线聚焦；其中，所述光电探测器、所述滤光组件、所述反射镜和所述凸透镜依次排列设置且在第一方向上对齐，所述LED灯、所述聚光件、所述窄带滤光片和所述反射镜依次排列设置且在第二方向上对齐，所述第一方向垂直于所述第二方向。

进一步地，所述溢油监测仪还包括可见光拍照装置，所述处理器还被构造为在接收到报警信息后控制所述可见光拍照装置进行拍照。

进一步地，所述溢油监测仪还包括连接所述处理器的测距装置，所述测距装置用于测量海平面的高度，所述处理器还被构造为根据所述测距装置测量的高度调整处理器的参数值。

本发明的有益效果：

本发明的溢油监测仪及其监测方法通过使用脉冲紫外光源，既降低了功率，也便于测量海面的背景值，运用阈值分析与背景比较相结合的方法来判断是否溢油以及排除误报情况，采用双滤光片设置能够排除主要干扰，降低背景光提高信噪比。本发明还通过设置可见光相机，进一步减少误报，节约人力，通过添加测距装置消除海水高度变化对监测的影响，采用同轴光路系统使溢油监测仪以减小尺寸，便于加入遮光筒提高信噪比。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是本发明较佳实施例的溢油监测仪的模块图；

图2是本发明较佳实施例的光源装置的结构示意图；

图3是本发明较佳实施例的溢油监测方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

图1是本发明较佳实施例的溢油监测仪的模块图。

参照图1，根据本发明实施例的溢油监测仪包括：光源装置10、光电探测器20、处理器30、报警器40、通信模块50、可见光拍照装置60、测距装置70、延时模块80。

所述光源装置10被构造为发送第一波段光信号至待检测的目标区域，以在目标区域中形成第二波段光信号。所述光源装置10具体为脉冲紫外光源装置10，能够以一定的频率发出紫外脉冲信号。该脉冲紫外光源装置10一方面降低了整体功耗，另一方面便于测量背景值，减少背景噪声。第一波段光信号具体是波段为300～400nm的紫外光。第二波段光信号具体是波段为400nm～550nm的紫外光。

图2是本发明较佳实施例的光源装置的结构示意图。

参照图2，所述光源装置10包括LED灯11、聚光件12、窄带滤光片13、反射镜14、遮光筒15、凸透镜16、滤光组件17。该光源装置10采用同轴光路设计结构。

具体地，所述LED灯11具体为紫外LED灯11，能够产生脉冲紫外光，进一步地，能够发出峰值为365nm的窄带LED光。所述LED灯11设置于所述光电探测器20的斜下方位置。

所述聚光件12与所述LED灯11相对设置，用于聚集所述LED灯11发出的光线。在本实施例中，所述聚光件12优选为聚光杯，但本发明并不限制于此。

所述窄带滤光片13设置于所述聚光件12背对于所述LED灯11的一侧，也就是说聚光件12设置于LED灯11和窄带滤光片13之间。在本实施例中，所述带通滤光片优选为365nm的窄带滤光片13，用于通过峰值为365nm的窄带LED光。

所述滤光组件17设置于所述光电探测器20的外侧，具体相对设于所述光电探测器20的入光面，用于进一步过滤从目标区域返回的第二波段光信号，以提高所述处理器30的判断准确率。具体地，所述滤光组件17包括一带宽为400nm到550nm的带通滤光片，一带宽为420nm～500nm的带阻滤光片。所述带通滤光片和所述带阻滤光片相对且邻近设置。当然本发明并不限制于此。对于海水中的主要误报情况浮游植物，浮游植物的叶片中含有叶绿素等色素，该色素在一定波长下(包括光源波段和太阳光)会产生荧光，从而影响溢油监测仪的监测结果。为了处理这一部分干扰，本发明实施例通过在光电探测器20上设置滤光组件17。由于油类荧光谱较宽而浮游植物比如藻类等的荧光谱主要集中在450nm左右的一个窄带，因此浮游植物的荧光能够被阻挡在外，再很大程度上排除了由于浮游植物而造成的监测仪误报。同时，由于海面对蓝紫光的反射比较强，所述滤光组件17也能在一定程度上阻挡来自背景的蓝紫光，使背景光得到很大的削弱，从而在一定程度上提高了信噪比。

为了使出射光线和入射光线在同一个轴上，本发明实施例通过在光源装置10和光电探测器20之间、或者说在窄带滤光片13和滤光组件17之间设置一个倾角为45°的反射镜14，这样不但能够使探测仪在水平方向上的尺寸比较小，而且便于在竖直方向上设置一个比较长的遮光筒15，从而阻挡太阳光，避免太阳光照射的影响。反射镜14、遮光筒15结合过滤片的结构设置，在很大程度上提高了信噪比。具体地，所述反射镜14优选为二向色镜。二向色镜能够对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。在本实施例中，该二向色镜允许通过波长为409nm以上的光，而对于波长为409nm以下的光完全反射。但本发明并不限制于此。

所述凸透镜16设置于所述反射镜14背对于所述光电探测器20的一侧。所述凸透镜16为一焦距等于镜片到光电二极管的距离且用于收光的大口径凸透镜。该凸透镜16能对目标区域发射的荧光起到很好的汇聚作用，使其汇聚到光电探测器20的端面。在本实施例中，所述凸透镜16具体为平凸镜，但本发明并不限制于此。

所述光电探测器20、滤光组件17、呈45度设置的反射镜14、凸透镜16依次排列设置且在第一方向上对齐。所述LED灯11、聚光件12、窄带滤光片13、呈45度设置的反射镜14依次排列设置且在第二方向上对齐。所述第一方向垂直于所述第二方向。

具体地，LED灯11发出的第一波段光信号(365nm的光信号)依次通过聚光件12、滤波片，第一波段光信号在反射镜14的反射作用下，通过凸透镜16聚焦至目标区域，所述目标区域返回第二波段光信号，第二波段光信号依次通过凸透镜16的散射，且依次通过所述反射镜14、滤光组件17到达光电探测器20。

继续参照图1，所述光电探测器20被构造为对接收到的第二波段光信号进行光电转换，以得到检测电信号。所用光电探测器20根据灵敏度要求可从光电二极管，光电倍增管等探测器中选用。不同的探测器可正常工作距离不同，和灵敏度正相关。可根据实际要求更改选用。具体地，在本实施例中，所述光电二极管为一方形平面封装光电二极管。但本发明并不限制于此。

所述报警器40用于产生报警信号和报警信息。

处理器30，被构造为根据所述检测电信号判断是否发生溢油；在接收到报警信息后控制所述可见光拍照装置60进行拍照；根据所述测距装置70测量的高度调整处理器30的参数值。

所述测距装置70用于测量海平面的高度。在本实施例中，设置测距装置70可以避免海平面高度变化对测量造成的影响，不同的高度，探测器探测到的光强度自然会有所不同，实时地依据海平面高度对处理器30的上限阈值、下限阈值作出调整，在一定程度上提高了溢油监测仪的准确度与灵敏度。

所述可见光拍照装置60用于在所述处理器30的控制下，对海面进行拍照。由于在溢油监测中误报是在所难免的，为了进一步通过人工减少误报，本实施例通过额外设置一可见光拍照装置60，仅当报警装置发生溢油报警时，见光拍照装置才在处理器30的控制下启动工作，并通过通信模块50将拍摄到的图像传送到监控终端。而所述可见光拍照装置60在其它情况下不启动，保证了监测仪的低功耗。检测人员可简单通过大致图片，排除一部分误报，通过终端关闭报警。从而不必每次都需要到现场勘查，节约了大量人力和时间成本。如果是确实有溢油产生，检测人员也可以通过相机的图片对溢油的大致情况做出简单判断，从而及时地做出初步处理。

延时模块80用于为监测仪提供延时功能。

溢油监测仪的工作过程如下：光源装置10发出紫外光，波段为300～400nm的第一波段光信号经凸透镜16发散出射到目标区域，若有溢油产生，则会返回波段为400nm～550nm的第二波段光信号给光电探测器20，光电探测器20将第二波段光信号转换为检测电信号，并将检测电信号传达给处理器30。所述处理器30结合阈值分析和背景比较的算法判断是否发生溢油，若有溢油，则控制报警器40产生报警信号和报警信息，报警器40通过通信模块50发送所述报警信息至监控终端，或者监测人员的手机上，提醒人们尽快处理。同时处理器30还被构造为在接收到报警信息后控制所述可见光拍照装置60进行拍照，所述可见光拍照装置60通过通信模块50将拍照得到的照片传输给监控终端。

由于海水中不仅包括海水或者溢油，也包括很多其它物质，这时如何消除其它物质引起的误报也是一个很重要的问题。本发明实施例还提供了一种阈值分析与背景比较相结合的溢油监测方法，所述溢油监测仪采用该溢油监测方法来处理这一问题。

需要注意的是，仅使用种背景比较方法来监测溢油情况，有一个缺点：在阴天或者是晚上时，背景光很弱或者没有，这个时候就无法使用背景比较方法来检测溢油，为解决这一缺点，本申请实施例的监测仪可以在仪器外壳部分加入一感光LED灯，所述感光LED灯用于在夜晚或低光线照明时充当背景光源，从而使监测仪的背景比较能正常进行，减小误报率。

另外，有时溢油监测仪下方的海面只是飘过一小团浮油，可能是哪里意外滴落，并不是溢油，这时就不必要启动报警器40报警。为解决这一问题，本发明实施例的延时模块80提供了一个延时功能，例如设定一个延时时间T，若在该延时时间T s后，仍符合上述报警条件，才最终产生报警。

以下将结合阈值分析与背景比较方法来根据所述检测电信号判断是否发生溢油。

图3是本发明较佳实施例的溢油监测方法的流程图。参照图3，根据本发明实施例的溢油监测方法包括：

在步骤210中，在第一采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以得到第一背景值。

具体地，步骤210包括：

在第一采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第一光信号；对第一光信号进行光电转换以得到第一背景值。具体地，利用光源装置10发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第一光信号，利用光电探测器20对第一光信号进行光电转换以得到第一背景值。

在步骤220中，在第二采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射目标区域，以得到第二背景值、且发送第一波段光信号至经过紫外光源照射目标区域，以得到第一信号值。所述第一采样周期和第二采样周期是溢油监测仪在监测过程中的两个连续的采样周期。

具体地，步骤220包括：

在第二采样周期内，发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第二光信号；对第二光信号进行光电转换以得到第二背景值。具体地，利用光源装置10发送第一波段光信号至未经紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第二光信号，利用光电探测器20对第二光信号进行光电转换以得到第二背景值。

发送第一波段光信号至经过紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第三光信号；对第三光信号进行光电转换以得到第一信号值。具体地，利用光源装置10发送第一波段光信号至经过紫外光源照射的目标区域，以在目标区域中形成第三光信号，利用光电探测器20对第三光信号进行光电转换以得到第一信号值。

在步骤230中，根据所述第二背景值和所述第一信号值作差值运算，以得到第二采样周期对应的第一信号差值。具体地，利用处理器30对第二背景值和所述第一信号值作差值运算。

在步骤240中，比较所述第一信号差值是否大于下限阈值且小于上限阈值；若是，则执行步骤250中；若否，则不报警。具体地，利用处理器30比较所述第一信号差值是否大于下限阈值且小于上限阈值。

需要说明的是，所述上限阈值被配置为在实验室测试得到的纯油的信号差值。或者是，所述上限阈值被配置为比检测得到的白纸信号差值低百分之十左右的值。当然本发明并不限制于此。该上限阈值去掉了一些很高反射率物品引起的干扰，还有一些非油类物质激发产生的强烈荧光的干扰。所述下限阈值被配置为在无溢油或其它杂质的条件下，高出测得的海面信号差值30％～50％的值。在本实施例中，所述下限阈值优选为300，所述上限阈值优选为9000，但本发明并不限制于此。因为海水和油类的反射率比较接近，油类由于有激发荧光产生，信号值大于海水，测得海水的信号值，将略高于该信号值的值作为阈值下限，同时也消除了一些反射率更低的物质引起的干扰。

在步骤250中，计算所述第二背景值和所述第一背景值的实际比值，即将第二背景值处以第一背景值得到实际比值，判断所述实际比值是否小于所述参考比值，若是，则执行步骤S7；若否，则不报警。在这里，利用处理器30计算所述第二背景值和所述第一背景值的实际比值。

需要说明的是，所述参考比值被配置为一参考常数。在本实施例中，所述参考比值优选为3。当然本发明并不限制于此。如果海面上有干扰物，那么在该采样周期检测出来的背景值相对于前一个采样周期会发生很大变化，而若海面上只有漂浮的油类，则在该采样周期检测出来的背景值和前一个采样周期的背景值相比变化不大，因此本发明实施例通过设置一个参考比值，当信号差值在阈值期间满足：下限阈值<信号差值<上限阈值，再比较背景值，若第二背景值/第一背景值<参考比值，则报警，若否，则不报警。

在步骤260中，延时T s后，继续执行步骤270。在这里，处理器30控制延时模块进行延时。

在步骤270中，检测得到延时T s后的第三背景值和第二信号值，并计算得到延时后的第二信号差值。在这里，利用第一背景值检测得到延时T s后的第三背景值和第二信号值。

在步骤280中，比较所述第二信号差值是否大于所述下限阈值且小于所述上限阈值；若是，则报警，即处理器30控制报警器40产生报警信号；若否，则不报警。在这里，利用处理器30比较所述第二信号差值是否大于所述下限阈值且小于所述上限阈值。

所述溢油检测方法还包括：

对接收的光信号进行聚光，以得到光强度大的光信号，在这里，利用聚光件12对接收的光信号进行聚光；

对聚光后的光信号进行滤光，以得到第一波段光信号，在这里，利用窄带滤光片13对聚光后的光信号进行滤光；

利用反射镜对所述第一波段光信号进行反射，在这里，利用二向色镜对所述第一波段光信号进行反射；

将反射后的第一波段光信号进行聚焦至目标区域，在这里，利用凸透镜16对第一波段光信号进行聚焦。

所述溢油监测方法还包括：当报警时，对目标区域进行拍照，以得到目标区域的照片，并将所述照发送至检测终端。具体地，利用可见光拍照装置60对目标区域进行拍照。

所述溢油检测方法还包括：测量海平面的高度值，并根据所述高度值调整所述上限阈值和所述下限阈值。具体地，利用测距装置70测量海平面的高度值。

具体地，在本实施例中，在干净的清水条件下，检测得到未开光源时的第一背景值为100，这时飘过一团油，检测得到未打开光源装置10时的第二背景值变化不大，为200左右，同时打开光源装置10时测得的第一信号值为2000，此时第一信号差值为2000-200＝1800，由于1800在300～9000之间，且前后背景值比较200/100<3；这时，需要进行延时T s，在延时T s后若仍满足这个条件，即报警，若在T s内信号值恢复正常，则不报警。

需要说明的是，若飘过来的是木头，测得的未开光源时背景值很大为1000左右，那么测得的第一背景值和第二背景值的比值为1000/100>3，这时无论信号值在不在阈值区间内均不报警，且随后背景比较均以出现大变化前一个为参考，直到恢复正常。同时一些非油物质切产生荧光的物质，比如一些有机溶剂，其信号差值会高于设置的上限阈值9000，同样不会报警。

综上所述，本发明实施例的溢油监测仪通过使用脉冲紫外光源，既降低了功率，也便于测量海面的背景值，运用阈值分析与背景比较相结合的方法来判断是否溢油以及排除误报情况，采用双滤光片设置能够排除主要干扰，降低背景光提高信噪比。本发明还通过添加光源装置，使溢油监测仪在夜晚也能正常工作以准确地排除误报情况，通过设置可见光相机，进一步减少误报，节约人力，通过添加测距装置消除海水高度变化对监测的影响，采用同轴光路系统使溢油监测仪以减小尺寸，便于加入遮光筒提高信噪比。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。