一种基于荧光信号自反馈调整进光量的水域油污监测设备的制作方法

本发明属于环境监测和水域油污监测设备领域，具体涉及采用基于荧光信号自反馈调整进光量的水域油污监测设备。

背景技术：

人类活动的发展，对水域的污染越发严重，随着国家坚持对水域生态环境的良性发展的要求越来越高，各型针对水域油污污染的技术和设备越来越多。激光诱导荧光技术作为一型新的技术被应用水域油污监测，具有发现快、灵敏度高等优点。激光诱导荧光系统采用紫外激光照射物质激发荧光的手段，对油污作出快速的反应预警，多作为机载、岸基平台架设等方式对相关水域进行重点监测。

目前激光诱导荧光设备通过采用高功率激发激光和灵敏度较高的光电转换器提升探测距离。但在使用过程中，因误操作(如近处有遮挡)或进行近距离探测时，可能导致物质受激后产生荧光回波过强。长时间过强荧光照射会对该设备的光电探测器造成损伤，使设备的探测能力下降或丧失，存在激光诱导荧光设备损伤不可逆转的风险，在实际工程使用中存在较多的限制。

技术实现要素：

本发明一种基于荧光信号自反馈调整进光量的水域油污监测设备，在防止荧光信号饱和损伤光电探测器的同时，兼顾近程和远程油污的监测能力，增大激光诱导荧光系统的动态监测能力。

本发明一种基于荧光信号自反馈调整进光量的水域油污监测设备，主要包括激光器，控制系统、光学组件、分光系统、光电探测器和荧光收集系统，其特征在于，激光器为窄脉宽、高能量紫外激光器；荧光收集系统采用大口径卡塞式集光镜，在大口径卡塞式集光镜中安装电动光阑；设置回波采样系统对荧光回波信号进行采集，判断荧光回波信号是否发生饱和，在发生荧光回波信号饱和的情况下，反馈控制系统控制电动光阑调整减少荧光回波投进光电探测器的进光量，直至荧光信号不发生饱和现象。作为优选方案，电动光阑安装在大口径卡塞式集光镜次镜与耦合镜之间。

作为优选方案，回波采样系统采用fpga实现对荧光信号进行采集并判断脉宽。

本发明一种基于荧光信号自反馈调整进光量的水域油污监测方法，应用于远距离探测用激光诱导荧光设备，主要基于现有激光诱导荧光系统，在该系统中增加电动光阑，用于调整荧光回波进光量，荧光信号饱和判断系统。荧光信号饱和判断系统采集荧光回波信号，进行判断回波信号是否饱和；如果荧光信号发生饱和，反馈控制电动光阑调整光圈大小，降低荧光回波信号进入光电探测器的总量，直至回波信号不发生饱和，避免光电探测器损坏。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2电动光阑安装结构示意图；

图3fpga采集荧光信号图示。

其中，1为激光器；2为大口径卡塞式集光镜；3为光学组件；4为分光系统；5为光电探测器；6为回波采样系统；7为物质样品；8为集光镜主镜；9为集光镜次镜；10为集光镜耦合镜；11为电动光阑。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于荧光信号自反馈调整进光量的水域油污监测设备，主要包括激光器，控制系统、光学组件、分光系统、光电探测器和荧光收集系统，其特征在于，激光器为窄脉宽、高能量紫外激光器；荧光收集系统采用大口径卡塞式集光镜，在大口径卡塞式集光镜中安装电动光阑；设置回波采样系统，对荧光回波信号进行采集，判断荧光回波信号是否发生饱和，在发生荧光回波信号饱和的情况下，反馈控制系统控制电动光阑调整减少荧光回波投进光电探测器的进光量，直至荧光信号不发生饱和现象，避免光电探测器损坏。

为增加激发物质产生的荧光回波强度，本发明选用短脉冲，高能量紫外激光器，物质受激发后，产生较强的荧光回波。为增强对荧光回波的采集效率，荧光收集系统采用大孔径卡塞格林式集光镜对激发荧光进行采集。但是对近程水域油污进行采集时，因荧光能量较强，可能会出现荧光回波信号饱和的情况,出现荧光饱和信号虽然可以得出存在油污的信息，但丧失了回波能量这个有效值，同时光电探测器长时间出现饱和会损伤其工作寿命。

为兼顾近程和远程水域油污均能监测，本发明在大口径卡塞式集光镜加入电动光阑，电动光阑的调整可以减少荧光回波的投进光电探测器的进光量，避免在近程水域工作时，荧光回波信号长时间过于饱和损坏光电探测器。

本发明正常荧光回波的信号及饱和信号，可以在实验室搭建试验系统。通过试验，用示波器或其他高带宽和高采样率的录取设备获取系统荧光回波的正常荧光信号和荧光饱和信号。分析荧光正常信号与荧光饱和信号之间的一个差异性，并以该差异作为回波采样系统判断回波信号是否饱和，例如以回波信号的最大幅值及脉宽为判断依据。以脉宽作为判断依据为例，例如正常荧光信号的脉宽在nns左右，饱和信号的脉宽通常远大于正常信号脉宽，该试验信息可以作为荧光信号饱和自反馈准则，一旦回波采样系统采集到的荧光回波信号的脉宽大于nns，可以通过调整电动光阑进而控制荧光回波信号进入光电探测器的总量，使得探测到的荧光回波信号的脉宽处于nns左右，避免回波信号饱和进而损伤光电探测器。

本发明借助fpga实现回波采样系统功能。具体实施可以采取以下方式，但是不限于该方案。回波采样系统结合在实验室获得的光电探测器获取荧光信号的饱和临界信号值，对每一个采集荧光回波脉冲设置4个阈值(阈值设置可以分为饱和临界信号值的10％、35％、60％、85％)，从小到大依次为第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值，当荧光回波信号的数值大于所设阈值时，fpga记录当前时刻和相应阈值值。

基于试验室获取的荧光信号临近饱和时的数据，得知其信号脉宽(nns)，当采集到的8个点中任意相同阈值的两个点(t11、t12；t21、t22；t31、t32；t41、t42)之间的时间间隔均不大于nns时，证明荧光回波信号不饱和。当荧光回波不发生饱和时，通过获取脉冲上的8个采样点，对整个脉冲进行波形恢复，进而来判断水域油污泄漏情况；当采集到的8个点中存在相同阈值的两个点(t11、t12；t21、t22；t31、t32；t41、t42)之间的时间间隔大于nns时，证明荧光回波发生饱和情况，fpga向电动电缆产生反馈信号，控制电动光阑，降低集光镜采集的荧光回波进光量，直至fpga判断信号不饱和后，按照荧光信号不饱和的情况进行处理，得到溢油油污情况，避免损坏光电探测器。

借助fpga实现回波采样系统功能,设置阈值采样，时间分辨率可以达到亚纳秒级，对每一个荧光回波脉冲设置4个阈值，从小到大依次为第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值。当荧光回波不发生饱和时，通过调整4个阈值的大小，获取脉冲上的8个采样点，对整个脉冲进行波形恢复，后续通过对回波信号求积分或者求波形下面积来判断水域油污泄漏情况。当荧光回波饱和时，基于试验室获取的数据，当采集到的8个采样点存在任意两个点之间的时间间隔大于nns时，说明荧光回波信号探测发生饱和，产生反馈信号，控制电动光阑，降低集光镜采集的荧光回波进光量，避免损坏光电探测器。

本发明工作步骤如下：

步骤1，按照图1搭建试验系统后，开展试验，用示波器或其他高带宽和高采样率的录取设备获取系统荧光回波的正常荧光信号和荧光饱和信号；

步骤2，分析荧光正常信号与荧光饱和信号之间的一个差异性，获取荧光回波信号的最大幅值及脉宽等特征；

步骤3，将正常信号与饱和信号的脉宽差异性量化，例如任意两个点之间的时间间隔大于nns，即判断为信号饱和；

步骤4，将正常信号与饱和信号的脉宽差异性量指标设置于回波采样系统，以实现对回波信号是否饱和的判断；

步骤5，开启触发激光器，使其出射激光照射水面物质，水面物质受激发后，产生较强的荧光回波。荧光回波信号经大口径卡塞式集光镜收集，此时，电动光阑处于初始位置，孔径最大，经耦合镜后进行光纤，分光系统对其进行分光进入光电探测器，完成光电转换，得到荧光回波电信号；

步骤6，该信号经回波采样系统fpga采集分析、判断荧光回波信号是否饱和，如果不饱和，对整个荧光回波脉冲进行波形恢复，进而判断水域油污泄漏情况；如果发生荧光饱和情况，fpga产生反馈信号，控制电动光阑调整中心孔径大小，降低荧光回波总进光量，直至荧光回波电信号不发生饱和，然后按照不饱和情况进行处理；

步骤7，每次探测结束后，fpga发出反馈信号控制电动光阑进行归零，使其中间孔径最大，防止对远程水域探测时，因荧光回波太弱造成误判情况的发生。

本发明由于能够准确的实现回波信号饱和度的判断，并以此为依据对电动光阑进行调整，有效降低集光镜采集的荧光回波进光量，因此既可以采集荧光有效信号，判断水域污染情况，同时避免回波过强损坏系统光电探测器。