悬浮泥沙浓度监测系统及监测方法技术方案

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，探头包括固定装置、传光光纤和光纤传像束，光纤传像束包括数万根单丝光纤，光纤传像束将拾光纤传像束像端拾取的图像通过每根单丝光纤逐点传向输出端，输出端和成像装置连接，控制单元分别和光源与成像装置连接。此外，还提供一种监测方法。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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水环境监测
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。附图说明图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。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。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固本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.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。3.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。4.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。5.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。6.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟伟，齐鹏飞，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12