周璐艷， 張光鋒， 劉 靜， 李貝貝， 婁國(guó)偉

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

研究與探討

太湖水環(huán)境的毫米波輻射監(jiān)測(cè)方法研究*

周璐艷， 張光鋒， 劉 靜， 李貝貝， 婁國(guó)偉

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染和毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)在測(cè)量水環(huán)境下目標(biāo)輻射特性的困難性，提出了一種利用毫米波無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案。方案通過(guò)Modbus網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信，將毫米波輻射計(jì)采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)端實(shí)時(shí)地顯示與保存下來(lái)。實(shí)驗(yàn)證明:此方法能對(duì)水環(huán)境進(jìn)行有效可靠地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

水環(huán)境； 毫米波輻射計(jì)； 無(wú)線數(shù)據(jù)采集； Modbus

0 引 言

近年來(lái)，湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出，藍(lán)藻污染嚴(yán)重，必須采取有效、精確、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)方法才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效治理[1]。目前主要是通過(guò)雷達(dá)、紅外的方式對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2,3]。與可見(jiàn)光和紅外相比，毫米波輻射計(jì)具有良好的云、霧、沙暴和雨雪的穿透能力，可全天候、全天時(shí)工作，在環(huán)境遙感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。將輻射計(jì)用于水體污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確而及時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境具有重要意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值?，F(xiàn)有的毫米波輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍采用有線網(wǎng)絡(luò)的模式，對(duì)于測(cè)量整個(gè)湖面水環(huán)境存在很大的障礙。當(dāng)前，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田害蟲(chóng)檢測(cè)與識(shí)別[5]、海水水質(zhì)的在線檢測(cè)[6]、水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)[7]等方面，很好地克服了有線網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題。

本文使用毫米波輻射計(jì)，對(duì)太湖的水面環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸，在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并記錄。

1 毫米波輻射計(jì)原理

根據(jù)普朗克定律，自然界的所有物質(zhì)，只要處于絕對(duì)零度以上，都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射電磁波[8]。

典型的全功率輻射計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。對(duì)于該系統(tǒng),最終接收到的信號(hào)不僅包括被測(cè)目標(biāo)所輻射的電磁波,還會(huì)受到接收機(jī)內(nèi)的噪聲影響,因此，在后期的數(shù)據(jù)處理部分應(yīng)該盡量扣除噪聲影響。

圖1 全功率輻射計(jì)原理圖

檢波器輸出電壓為

Ud=CdGPin=CdGB(T＇A+Tsys)

(1)

式中Cd為平方律檢波器功率靈敏度常數(shù)，V/W；G為混頻、中放總的增益；B為檢波前的系統(tǒng)總帶寬。

在圖1所示系統(tǒng)中，檢波電壓由直流分量、噪聲分量和增益起伏分量組成。低通濾波器和積分器是通過(guò)積分算法來(lái)減少Ud中的噪聲分量影響。設(shè)ΔTn為噪聲部分帶來(lái)的溫度均方根起伏,則ΔTn可由平均值得出，表達(dá)式如下

(2)

式中 n為取樣次數(shù)。

在實(shí)際的接收機(jī)系統(tǒng)中,用式(3)表示增益起伏ΔG所帶來(lái)的溫度變化

(3)

式中ΔG為接收機(jī)功率增益有效值。

可以得到輻射計(jì)的靈敏度ΔTmin為

(4)

由式(2)、式(3)及式(4)可得到全功率輻射計(jì)靈敏度

(5)

一般通過(guò)將積分的時(shí)間歸一化為1s，來(lái)提高輻射計(jì)的靈敏度。

當(dāng)使用輻射計(jì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輻射計(jì)的輸入為天線溫度，輸出為電壓值，采用整體定標(biāo)法對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)。由于全功率輻射計(jì)的線性度良好，將天線分別對(duì)準(zhǔn)低溫輻射源(液氮)和高溫輻射源(吸波材料)，測(cè)得輸出電壓，使用兩點(diǎn)定標(biāo)法確定天線溫度和輸出電壓之間的定量關(guān)系。

由于全功率輻射計(jì)在接通電源時(shí)的穩(wěn)定性較差，一般在通電20min后開(kāi)始測(cè)量，而且測(cè)量時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差波動(dòng)應(yīng)在1K左右。

2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖2為無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用的是型號(hào)STM8S207CB的低功耗單片機(jī)，具有128 k的Flash程序存儲(chǔ)器和強(qiáng)大的I/O功能。數(shù)據(jù)發(fā)射端和接收端采用的是CC1020無(wú)線模塊。模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的軟件部分采用LabVIEW為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)完成了用戶界面，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存下來(lái)。LabVIEW是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的且更易于使用的基于圖形化編程語(yǔ)言G的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用者可直觀地觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集信息。

毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端之間采用Modbus協(xié)議連接。Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主站-從站協(xié)議。在Modbus串行鏈路上，主節(jié)點(diǎn)提供客戶機(jī)的功能，子節(jié)點(diǎn)則作為服務(wù)器。Modbus 協(xié)議具有幀格式結(jié)構(gòu)、傳輸方式、功能及內(nèi)容簡(jiǎn)單、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在Modbus網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中有2種傳輸模式(ASCII模式、RTU模式)可選擇。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送端和接收端之間采用Modbus的RTU模式進(jìn)行通信，在RTU模式下，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓開(kāi)始。當(dāng)接收到第一個(gè)地址域時(shí)，相應(yīng)的設(shè)備就對(duì)接下來(lái)的傳輸字符進(jìn)行解碼，一旦有至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓就表示該消息的結(jié)束[9]。信息中的每8位字節(jié)分成2個(gè)4位16進(jìn)制的字符，該模式的主要優(yōu)點(diǎn)為在相同波特率下其傳輸?shù)淖址拿芏雀哂贏SCII模式。

考慮到毫米波全功率輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，選擇了9 600 bps的數(shù)據(jù)傳輸速率，則該無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集信息開(kāi)始和結(jié)束的靜止時(shí)間為T(mén)≥1/9 600×8×3.5=2.9 ms。

圖4為上位機(jī)用戶界面。無(wú)線數(shù)據(jù)接收端通過(guò)USB接口與上位機(jī)相連。用戶可以通過(guò)界面左邊部分的開(kāi)關(guān)來(lái)控制數(shù)據(jù)采集的啟停時(shí)間以及采集頻率，選擇數(shù)據(jù)的保存路徑方便以后查看，在保存的文件中能夠直觀地觀察到具體時(shí)間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)量。用戶界面的右邊部分顯示實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)。

圖4 上位機(jī)界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性及可靠性，在太湖邊上分別使用3 mm輻射計(jì)和8 mm輻射計(jì)對(duì)太湖水面進(jìn)行大量的實(shí)際測(cè)量，測(cè)量環(huán)境溫度為19.8 ℃。圖5為毫米波無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 毫米波無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖6給出了輻射計(jì)對(duì)水面輻射特性的實(shí)際測(cè)量值曲線，其中角度0°表示天線口面在水平方向，90°表示天線正對(duì)水面。由于水平極化會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生劇烈的變化，因此，在理論仿真和實(shí)際測(cè)量中均選取了垂直極化的方式。

由圖6可看出：在0°～10°范圍內(nèi)，水面亮度溫度變化緩慢，在0°～80°內(nèi)亮度溫度隨著入射角度的增加而增加，并且3 mm與8 mm兩個(gè)波段水面亮度溫度分別在75°和80°時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，在80°～90°之間亮度溫度理論值驟減，在90°時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)中太湖水并非純水，因此，實(shí)際數(shù)據(jù)曲線與理論仿真曲線稍有誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制毫米波輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)正確、可靠傳輸，同時(shí)，具有實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高以及耗能低等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 水面輻射值曲線

在相同作用距離下，3 mm輻射計(jì)的天線溫度對(duì)比度大于8 mm輻射計(jì)[10]，因此，選擇3 mm輻射計(jì)對(duì)水面上的各種物品進(jìn)行了多次測(cè)量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水面上典型物體的輻射特性

由表1可以看出，水面上植物的亮溫比水面亮溫高33～37 K，而水面上漂浮的塑料瓶比水面亮溫低7 K，泡沫板的亮溫與水面的亮溫近似，可將它近似看作背景忽略。測(cè)量數(shù)據(jù)說(shuō)明用輻射計(jì)探測(cè)水面時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)水面上的物體，達(dá)到了監(jiān)測(cè)水面環(huán)境的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種基于太湖水環(huán)境的毫米波輻射監(jiān)測(cè)方法。此方法能對(duì)水環(huán)境進(jìn)行全天時(shí)、全天候有效可靠地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。有效克服了紅外、雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的缺點(diǎn)及有線網(wǎng)絡(luò)模式的被動(dòng)毫米波輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的傳輸距離有限、傳輸線路復(fù)雜等缺點(diǎn)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。但是，由于不同環(huán)境條件會(huì)對(duì)無(wú)線傳輸有不同程度的衰減，因此，在實(shí)際無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，最大的傳輸距離只能達(dá)到3 km。在設(shè)計(jì)中未把低能耗作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，加大了蓄電池的成本投入，也增加了設(shè)備的重量。下一步工作將把增加數(shù)據(jù)傳輸距離、降低能耗作為一個(gè)重要目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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Study of Taihu Lake water environment monitoring method in millimeter waveband*

ZHOU Lu-yan， ZHANG Guang-feng， LIU Jing， LI Bei-bei， LOU Guo-wei

(School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The increasingly serious water pollution and the difficulty of millimeter wave radiometer system in measurement target radiation characteristics of water environment need to be resolved.So a millimeter-wave wireless data acquisition system for real-time monitoring scheme is proposed.Modbus network communication protocol for wireless communication is used in this program,and millimeter wave radiometer data is displayed and preserved on upper PC.Experimental results show that this program can effectively and reliably monitor water environment.

water environment; millimeter wave radiometer; wireless data acquisition; Modbus

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0005—03

2016—04—18

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(61371038)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0005—03

周璐艷(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹撩撞?、亞毫米波成像技術(shù)。