多通道悬浮固体浓度同步监测系统及监测方法与流程

本发明涉及水环境监测技术领域，特别是涉及一种多通道悬浮固体浓度同步监测系统及监测方法。

背景技术：

河流及海水中悬浮固体浓度是最基础关键的水文与环境参数，其影响范围包括水质透明度和水色等光学特性、水生生态环境、河口海岸带冲淤演变过程以及航运、水电站及大坝等众多水利工程。因此，对水体悬浮固体浓度的准确量化及其沉降输运等动力学特性研究具有重要现实意义。目前研究悬浮固体质量浓度的方法有采样法、光学法、声学法和图像法等方法。

采样法主要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较高，但无法实现对水体泥沙浓度的定点实时快速动态监测。

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。

声学法与光学发类似，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，因此这类方法量程有限。

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、响应速度慢(～min量级)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。更为重要的是多通道同步监测悬浮固体浓度对悬浮固体沉降输运等动力学研究异常关键，上述方法增加测量通道数目会导致仪器成本也随之成倍增加。

技术实现要素：

鉴于此，有必要提供一种干扰小、速度快及成本低的多通道悬浮固体浓度同步监测系统及监测方法。

一种多通道悬浮固体浓度同步监测系统，包括光源、成像装置、探头和控制单元；

所述控制单元分别与所述光源和所述成像装置连接；

所述探头包括传光光纤、反射镜和固定装置；

所述传光光纤包括信号光纤束和照明光纤束，所述信号光纤束包括若干根粗芯光纤和一根细芯光纤，所述信号光纤束的细芯光纤的一端和所有所述粗芯光纤的一端合束后和所述成像装置连接；

所述照明光纤束包括若干根细芯光纤，所述信号光纤束的细芯光纤的另一端和所述照明光纤的所有所述细芯光纤的一端合束后与所述光源连接，所述照明光纤的所有所述细芯光纤的另一端分成与所述粗芯光纤数量相同的若干股，分别环绕于单一所述粗芯光纤外围，单一所述粗芯光纤及环绕于该粗芯光纤外围的细芯光纤合束构成光纤束探针；

所述反射镜的数量、所述光纤束探针的数量和所述固定装置的数量相等，一个所述光纤束探针和一个所述反射镜均固定于一个所述固定装置上，形成一个监测探头端口，所述光纤束探针的端面和所述反射镜相对设置。

在一个实施例中，所述照明光纤束的细芯光纤的数量为数百根。

在一个实施例中，所述光纤束探针通过光纤接头固定于所述固定装置上。

在一个实施例中，所述光纤束探针的中轴线和所述反射镜镜面垂直，所述光纤束探针中所述细芯光纤的端面均匀紧密环绕在所述粗芯光纤周围。

在一个实施例中，所述光纤束探针端面与所述反射镜之间的距离为毫米级。

在一个实施例中，所述传光光纤的细芯光纤的直径为0.2mm，粗芯光纤的直径为1.5mm，所述信号光纤束与所述成像装置连接的一端的端面内各纤芯端面之间设有间隔，以便成像后各通道信号分离。

在一个实施例中，所述传光光纤的细芯光纤和粗芯光纤的材质均为塑料。

在一个实施例中，所述监测探头端口为开放式系统。

在一个实施例中，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。

一种采用上述多通道悬浮固体浓度同步监测系统的监测方法，包括如下步骤：

将所述监测探头端口放入待测水体中；

通过所述控制单元开启所述光源和所述成像装置，通过成像装置对所述监测探头端口相应的信号光纤束端面成像，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；

所述控制单元分割处理所述图像，实时获取、显示所述图像内各粗芯光纤即各测量通道相对所述传光光纤的单根细芯光纤即参考通道的相对平均灰度值；

通过悬浮固体浓度值与各测量通道的相对平均灰度值的预标定关系式，计算获得相对平均灰度值对应的悬浮固体浓度值。

在一个实施例中，所述控制单元通过调节所述光源的强度、所述成像系统的曝光时间和增益，能够实现高浓度悬浮固体溶液的悬浮固体浓度值的准确测量。

上述多通道悬浮固体浓度同步监测系统及其监测方法，在仅增加光纤数目的情况下即可实现悬浮固体浓度的多通道同步测量，利用细芯光纤束导光、粗芯光纤采集信号等方法，实现了开放式探头的微型化，结合成像装置实现了对悬浮固体溶液各通道成像，在图像由于悬浮固体浓度过大欠曝光导致无法准确测量时，通过控制单元调节光源强度和ccd相机曝光时间及增益等参数，可实现高浓度悬浮固体溶液的准确测量，根据数字图像分割处理及灰度分析提高了多通道信号测量速度。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，可实现悬浮固体浓度低成本、多通道同步测量。

附图说明

图1为一实施方式的多通道悬浮固体浓度同步监测系统的结构示意图；

图2为图1所示的监测探头端口放大结构示意图；

图3为图1所示的光纤束探针端面的放大结构示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，一实施方式的多通道悬浮固体浓度同步监测系统100，包括光源10、成像装置40、控制单元50和探头。

光源10为光纤耦合led光源。光源10为探头提供环形照明光源。具体的，光源10可以为15w高功率led冷光源。

探头包括传光光纤20、反射镜32和固定装置33。

传光光纤20包括信号光纤束26和照明光纤束21。信号光纤束26包括若干根粗芯光纤25和一根细芯光纤22，信号光纤束26的细芯光纤22的一端和所有粗芯光纤25的一端合束后和成像装置40连接。

照明光纤束21包括若干根细芯光纤23，信号光纤束26的细芯光纤22的另一端和照明光纤21的所有细芯光纤23的一端合束后与光源10连接。细芯光纤22用于监测光源10功率抖动，作为各测量通道参考。照明光纤21的所有细芯光纤23的另一端分成与粗芯光纤25数量相同的若干股，分别环绕于单一粗芯光纤25外围，单一粗芯光纤25及环绕于该粗芯光纤25外围的细芯光纤23合束构成光纤束探针24。

反射镜32的数量、光纤束探针24的数量和固定装置33的数量相等，一个光纤束探针24和一个反射镜32均固定于一个固定装置33上，形成一个监测探头端口30，光纤束探针24的端面和反射镜32相对设置。

在一个实施例中，照明光纤束21的细芯光纤23的数量为数百根。

在一个实施例中，传光光纤20的细芯光纤和粗芯光纤的材质均为塑料，具有柔韧性好、抗老化、使用寿命长及成本低等优势。传光光纤20中细芯光纤的直径可以为0.1-0.9mm，粗芯光纤的直径可以为1-10mm。

在一个实施例中，请参看图2，监测探头端口30包括光纤束探针24、反射镜32和固定装置33。具体的，光纤束探针24通过光纤接头固定于固定装置33一端，反射镜32固定于固定装置33另一端，光纤束探针24的端面和反射镜32相对设置，反射镜32将前向传输光信号反射回光纤束探针24方向。

具体的，固定装置33包括第一法兰座332和第二法兰座334，第一法兰座332和第二法兰座334分别通过两根以上固定螺丝333与螺母固定连接。光纤束探针24和反射镜32分别通过光纤接头和胶合的方式安装在第二法兰座334和第一法兰座332上。光纤接头具体可以为sma905光纤接头。可以理解，固定装置33也可以为其他结构的固定装置。

监测探头端口30为开放式系统。具体的，监测探头端口30为开放式水下测量设备。除了光纤束探针24、反射镜32和固定装置33，监测探头端口30四面开放，尽可能减小监测探头端口30对悬浮固体溶液动力学特征的影响。

进一步的，光纤束探针24的中轴线和反射镜32镜面尽量垂直，光纤束探针24中细芯光纤23的端面均匀紧密环绕在粗芯光纤25周围以保证各角度均匀辐照。如图3所示，其中311和312分别为粗芯光纤25的端面和细芯光纤23的端面。光纤束探针24的端面与反射镜32之间的距离为毫米级，保证水体流过。信号光纤束26与成像装置40连接的一端的端面内各纤芯端面之间设有间隔，以便成像后各通道信号分离。

成像装置40采集由信号光纤束26端面传送过来的包含各通道悬浮泥沙浓度信息图象。在一个实施方式中，成像装置40包括可调镜筒41、透镜42、光纤转接件43和ccd相机44。

可调镜筒41包括固定镜筒411和移动镜筒412，透镜42设于固定镜筒411内。ccd相机44设于固定镜筒411远离移动镜筒412的一端。在其中一个实施方式中，ccd相机44可以为mars2000–50gm相机。移动镜筒412的一端套设于固定镜筒411内，光纤转接件43设于移动镜筒412的另一端，移动镜筒412相对于固定镜筒411可移动。在一个实施例中，移动镜筒412和固定镜筒411通过螺纹连接。移动镜筒412的外螺纹和固定镜筒411的内螺纹连接。

通过设置透镜42与信号光纤束26端面及ccd相机44感光面之间的距离，可以控制图像缩放比例。透镜42到信号光纤束26端面间距可微调对焦，保证ccd相机44对信号光纤束26端面清晰成像。

控制单元50分别与光源10和成像装置40连接。具体的，控制单元50通过数据线60与光源10与成像装置40连接。一个实施例中，控制单元50为计算机。具体的，控制单元50和成像装置40的ccd相机44连接。

控制单元50采用matlab软件编写程序控制光源10和ccd相机44，同时将采集到的图像按照测量通道分割、处理与存储，最终显示并存储监测探头端口30所在位置处的悬浮固体浓度的实时信息。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。

上述多通道悬浮固体浓度同步监测系统100，在仅增加光纤数目的情况下即可实现悬浮固体浓度的多通道同步测量，利用细芯光纤束导光、粗芯光纤采集信号等方法，实现了开放式探头的微型化，结合成像装置实现了对悬浮固体溶液各通道成像，在图像由于悬浮固体浓度过大欠曝光导致无法准确测量时，通过控制单元调节光源强度和ccd相机曝光时间及增益等参数，可实现高浓度悬浮固体溶液的准确测量。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，可实现悬浮固体浓度低成本、多通道同步测量。

此外，还提供一种上述多通道悬浮固体浓度同步监测系统100的监测方法，包括如下步骤：

s10、将监测探头端口放入待测水体中。

s20、通过控制单元开启光源和成像装置，通过成像装置对监测探头端口相应的信号光纤束端面成像，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、控制单元分割处理图像，实时获取、显示图像内各粗芯光纤即各测量通道相对传光光纤的单根细芯光纤即参考通道的相对平均灰度值。

s50、通过悬浮固体浓度值与各测量通道的相对平均灰度值的预标定关系式，计算获得相对平均灰度值对应的悬浮固体浓度值。

其中，控制单元通过调节光源的强度、成像系统的曝光时间和增益，能够实现高浓度悬浮固体溶液的悬浮固体浓度值的准确测量。

上述多通道悬浮固体浓度同步监测系统100工作过程为：将监测探头端口30沉入待测水体，打开控制单元50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60传递指令打开光源10和ccd相机44；光源10通过传光光纤20照亮监测探头端口30处的水体，各监测探头端口30的粗芯光纤25收集经反射镜32反射再次通过水体散射的光信号传送到信号光纤束26端面，信号光纤束26端面通过透镜42放大成像到ccd相机44的感光面；ccd相机44定时连续采集图像并传送到控制单元50，控制单元分割处理图像，实时获取、显示图像内各粗芯光纤25即各测量通道相对参考单根细芯光纤22的相对平均灰度值；通过悬浮固体浓度值与各测量通道的相对平均灰度值的预标定关系式，在各通道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，点击保存命令存储各通道测量数据。

上述多通道悬浮固体浓度同步监测系统100的监测方法，可实现悬浮固体浓度的多通道同步测量，利用细芯光纤束导光、粗芯光纤采集信号等方法，结合成像装置实现了对悬浮固体溶液各通道成像，在图像由于悬浮固体浓度过大欠曝光导致无法准确测量时，通过控制单元调节光源强度和ccd相机曝光时间及增益等参数，可实现高浓度悬浮固体溶液的准确测量，根据数字图像分割处理及灰度分析提高了多通道信号测量速度。具有测量速度快、量程大和精度较高等优点，可实现悬浮固体浓度低成本、多通道同步测量。

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。