劉德慶, 欒曉寧, 葉旺全, 劉曉瑞, 金久才, 鄭榮兒??

(1.中國海洋大學(xué)光學(xué)光電子實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266100)

激光熒光(Laser induced fluorescence, LIF)傳感器作為一種主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，是進(jìn)行海洋溢油探測(cè)最有效的手段之一[1-2]。傳統(tǒng)的機(jī)載和船載激光熒光遙感技術(shù)一般適合于大范圍走航式探測(cè)[3-8]，然而對(duì)于海洋中溢油事故發(fā)生頻繁的特定區(qū)域的溢油監(jiān)測(cè)需求，如近岸港口、鉆井平臺(tái)周邊以及重要海上航道等，采用無人船搭載激光熒光傳感器進(jìn)行探測(cè)更為方便。發(fā)展面向無人船應(yīng)用的激光熒光遙測(cè)系統(tǒng)可有效解決上述特定區(qū)域的溢油監(jiān)測(cè)問題。

無人船(Unmanned surface vehicle, USV)作為一種新型的水上環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可搭載多種傳感器，并且以布放靈活、成本經(jīng)濟(jì)、自動(dòng)測(cè)量等特點(diǎn)，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)[9-10]，其在水質(zhì)測(cè)量、水環(huán)境調(diào)查、水深測(cè)量以及海洋物理參數(shù)測(cè)量等方面得到應(yīng)用[11-13]；將激光熒光系統(tǒng)與無人船平臺(tái)結(jié)合，這是本文工作的動(dòng)機(jī)所在，可望拓展溢油激光探測(cè)和無人船平臺(tái)的應(yīng)用范圍。

本文從基于無人船的激光熒光遙測(cè)系統(tǒng)(USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng))的總體設(shè)計(jì)出發(fā)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，以期滿足無人船載激光熒光遙測(cè)系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的控制需求。

1 USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)主要包括岸基終端和USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)兩部分，圖1為其總體結(jié)構(gòu)圖。USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)以無人船為運(yùn)載平臺(tái)，通過無線通信與岸基終端進(jìn)行交互?？紤]到傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率以及成本等因素，所研制USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的岸基終端與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)之間采用無線網(wǎng)橋通信方式，通信距離一般可以達(dá)到3～5 km[14-15]。

圖1 USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，岸基終端通過無線網(wǎng)橋?qū)崟r(shí)訪問USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)并獲取采集的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)中各儀器工作狀態(tài)；USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)作為無人船平臺(tái)上的一個(gè)傳感器，主要由激光發(fā)射模塊、信號(hào)接收與探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊等構(gòu)成。表1給出了目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建的USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)中各功能模塊的功耗情況，估算其總功耗約為150 W。所用無人船采用鋰電池供電，電池容量有12V20Ah和24V100Ah兩種[9]。以24V100Ah的鋰電池為USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)供電可滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。

表1 USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)各功能模塊的功耗Table 1 Power consumption of each modules in USV-LIF system

文中針對(duì)USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由岸基遠(yuǎn)程控制模塊和USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊兩部分組成。其中，岸基遠(yuǎn)程控制模塊主要實(shí)現(xiàn)岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)之間的控制與通信；USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊則主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)中的儀器狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集、時(shí)序控制以及與無人船平臺(tái)上其他傳感器(如GPS)之間協(xié)同操作等功能。

2 USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

圖2是USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制模塊結(jié)構(gòu)圖?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)，包括儀器狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集、時(shí)序控制以及與無人船之間的協(xié)同操作等，同時(shí)負(fù)責(zé)與岸基終端之間的信息傳輸。

如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊選用PC104工控機(jī)作為控制器，通過串口與USV主控計(jì)算機(jī)連接。USV主控計(jì)算機(jī)通過無線網(wǎng)橋接收來自岸基終端的控制指令，然后經(jīng)串口轉(zhuǎn)發(fā)到PC104工控機(jī)。工控機(jī)根據(jù)岸基指令控制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)中的儀器設(shè)備，包括激光器、探測(cè)器ICCD以及數(shù)據(jù)采集模塊等，并將測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到USV主控計(jì)算機(jī)。USV主控計(jì)算機(jī)讀取光譜采集時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)橋?qū)⒐庾V、GPS數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息一起回傳到岸基終端，以確保所探測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)與USV的走航信息對(duì)應(yīng)。

圖2 USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制軟件流程如圖3所示。軟件運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行串口初始化和探測(cè)器ICCD控制卡初始化，然后控制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)中各儀器狀態(tài)，包括激光器的工作參數(shù)設(shè)置和開關(guān)、ICCD的溫控開啟等，在此基礎(chǔ)上，確定并設(shè)置信號(hào)采集參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為了確保系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的可靠性，避免遠(yuǎn)距離傳輸造成回傳數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行雙備份，一份在USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)存儲(chǔ)備份，另一份則通過無線網(wǎng)橋通信傳輸?shù)桨痘K端。對(duì)激光器的串口通信控制以及ICCD的數(shù)據(jù)采集，分別采用廠家提供的串口通信協(xié)議和軟件開發(fā)包，利用C#編程語言軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

圖3 USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制軟件流程圖

USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的時(shí)序控制是通過圖2中所示的延時(shí)發(fā)生器和ICCD內(nèi)部的DDG(Digital delay generator)實(shí)現(xiàn)的。圖4是USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的時(shí)序圖。延遲發(fā)生器輸出兩路具有固定延時(shí)Δt2的TTL信號(hào)，分別用于激光器和ICCD的觸發(fā)信號(hào)，其中，激光器與ICCD均為外觸發(fā)工作模式。從激光器觸發(fā)到激光輸出有固定延時(shí)Δt1，t1是從激光輸出到信號(hào)返回的傳輸延時(shí)，通過調(diào)節(jié)ICCD的門脈沖延時(shí)t2，在信號(hào)返回時(shí)，以準(zhǔn)確打開ICCD的電子快門，有如下關(guān)系t1+Δt1=t2+Δt2，進(jìn)而探測(cè)返回的信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)距離選通探測(cè)。電子快門的門寬Δt3可調(diào)。

圖4 USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制時(shí)序圖

3 岸基遠(yuǎn)程控制模塊設(shè)計(jì)

USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制模塊實(shí)現(xiàn)岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的交互，表2中列出了岸基終端與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類，包括指令幀和數(shù)據(jù)幀兩種格式。指令幀主要是從岸基終端往USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送的控制指令；數(shù)據(jù)幀則主要包括從是從現(xiàn)場(chǎng)機(jī)返回的儀器狀態(tài)參數(shù)、光譜數(shù)據(jù)以及GPS信息等。

圖5是開發(fā)的USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的岸基控制軟件界面。主要的功能模塊有(1)網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)配置；(2)岸基控制指令發(fā)送；(3)實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)機(jī)采集數(shù)據(jù)；(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示等。岸基計(jì)算機(jī)與USV主控計(jì)算機(jī)之間采用基于TCP/IP協(xié)議的Client/Server結(jié)構(gòu)，其中，岸基計(jì)算機(jī)為客戶端，無人船主控計(jì)算機(jī)為服務(wù)器，它們之間網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵是配置訪問IP地址和網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)。岸基終端與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信采用Modbus串行通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。從岸基發(fā)送的控制指令主要包括激光器控制、ICCD溫度控制以及數(shù)據(jù)采集等指令；待岸基終端接收到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)采集的光譜和GPS等數(shù)據(jù)后，進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。接收并顯示的光譜數(shù)據(jù)有兩種格式，分別為時(shí)間序列和二維光譜，其中，時(shí)間序列光譜用于確定系統(tǒng)最佳探測(cè)延時(shí)參數(shù)。

表2 岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)通信的數(shù)據(jù)種類

圖5 USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的岸基控制軟件界面

4 USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室模擬聯(lián)調(diào)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室利用研制的USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬聯(lián)調(diào)測(cè)試，分別對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)的長時(shí)間連續(xù)工作進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。在測(cè)試過程中，為了模擬系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的狀態(tài)，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬USV主控計(jì)算機(jī)，通過串口與USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)連接，而現(xiàn)場(chǎng)機(jī)則在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能夠?qū)? m(滿足船載探測(cè)的需求)遠(yuǎn)處水槽中原油進(jìn)行熒光探測(cè)；另一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬岸基終端，布置在距測(cè)試地點(diǎn)一定距離的地方，通過無線網(wǎng)絡(luò)與USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)進(jìn)行通信交互。

4.1 USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)測(cè)試

系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)模擬測(cè)試，包括定點(diǎn)探測(cè)和走航探測(cè)兩種運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試。

4.1.1 定點(diǎn)測(cè)試 USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的定點(diǎn)探測(cè)主要是確定系統(tǒng)的最佳探測(cè)參數(shù)。首先確定延時(shí)參數(shù)。ICCD的門脈沖延時(shí)是通過時(shí)間序列信號(hào)測(cè)量來獲得的，即在系統(tǒng)其他探測(cè)條件不變的情況下，先設(shè)定一個(gè)初始的門脈沖延時(shí)，然后以一定步長順序改變延時(shí)參數(shù)，測(cè)得不同時(shí)刻的信號(hào)，根據(jù)探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，以判斷最佳探測(cè)延時(shí)。

圖6 時(shí)間序列光譜采集模式下的岸基軟件截圖

圖6是時(shí)間序列光譜采集模式下的測(cè)試結(jié)果。該結(jié)果是在固定ICCD探測(cè)門寬為10 ns，門脈沖延時(shí)順序改變的時(shí)間間隔為2 ns的條件下測(cè)得的。從圖中可以看到，在5 m探測(cè)距離條件下，門脈沖延時(shí)為116 ns時(shí)，開始探測(cè)到信號(hào)，隨著延時(shí)的增加，系統(tǒng)在延時(shí)為122～124 ns時(shí)信號(hào)最強(qiáng)。

在光譜數(shù)據(jù)采集時(shí)，通過多次累積采集的方式以提高數(shù)據(jù)的信噪比，因此，需要確定在滿足信噪比的前提下數(shù)據(jù)采集的累積次數(shù)。

圖7是不同數(shù)據(jù)采集模式下的測(cè)試結(jié)果，其中圖7(a)，7(b)分別對(duì)應(yīng)單次采集模式和累積采集模式下(10次累積)的測(cè)量結(jié)果。測(cè)試時(shí)設(shè)定的探測(cè)參數(shù)為：門脈沖延時(shí)123 ns，門寬10 ns。圖7顯示，累積模式下信噪比明顯優(yōu)于單次采集模式。通過適當(dāng)?shù)脑黾訑?shù)據(jù)采集的累積次數(shù)可以提高信噪比。

4.1.2 模擬走航測(cè)試 對(duì)USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)隨無人船平臺(tái)走航探測(cè)的過程，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬測(cè)試。無人船走航的GPS信息由USV主控計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生。USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)用于測(cè)量水槽中不同位置處原油油膜的熒光信號(hào)。待采集的光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SV主控計(jì)算機(jī)時(shí)，同時(shí)讀取GPS和USV主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間信息，然后協(xié)同光譜數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)桨痘K端，在岸基軟件界面上實(shí)現(xiàn)顯示模擬無人船的航跡和當(dāng)前位置處采集的光譜數(shù)據(jù)，如圖5所示，并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。測(cè)試過程總共采集了50組光譜數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的走航信息。圖8是模擬走航探測(cè)的測(cè)試結(jié)果，圖中所表示的是每個(gè)位置處所采集原油熒光的峰值強(qiáng)度隨模擬航跡的變化。

((a) 單次采集模式, (b)累積采集模式(10次累積)。(a) Single acquisition mode, (b) Accumulation acquisition mode (10 times).)

圖7 不同數(shù)據(jù)采集模式下的岸基軟件截圖
Fig.7 The shore-based software screenshot at different data acquisition mode

4.2 遠(yuǎn)程控制通信穩(wěn)定性測(cè)試

遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸是USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能模塊，此部分主要是對(duì)岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信，以及系統(tǒng)的長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行功能進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由岸基終端連續(xù)向現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送控制指令，每30 s發(fā)送一次，以控制系統(tǒng)的運(yùn)行，采集的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)備份后，再以數(shù)據(jù)幀的形式實(shí)時(shí)上傳到岸基終端，并顯示和保存。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行約5 h，總共采集了606組光譜數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場(chǎng)機(jī)備份的數(shù)據(jù)與岸基終端保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 模擬走航探測(cè)的測(cè)試結(jié)果

傳輸數(shù)據(jù)Data type應(yīng)傳數(shù)據(jù)量Transmitteddata接收數(shù)據(jù)量Receiveddata傳輸正確率Transmissionaccuracy/%指令幀Instruction frame613613100數(shù)據(jù)幀Data frame1 8471 847100數(shù)據(jù)文件Data file606606100測(cè)得數(shù)據(jù)Measured data620 544620 544100

表3為USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的遠(yuǎn)程通信功能測(cè)試結(jié)果。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過約5 h的連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，岸基終端與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)之間傳輸指令幀、數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)文件以及光譜數(shù)據(jù)的正確率均為100%，表明USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信功能和較高的數(shù)據(jù)傳輸正確率。另外，考慮到該測(cè)試為實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境下進(jìn)行的，USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制通信功能還有待現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的檢驗(yàn)。

5 結(jié)語

針對(duì)港口等溢油事故頻發(fā)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，本文對(duì)USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括岸基遠(yuǎn)程控制模塊和USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)控制模塊兩部分。利用無線網(wǎng)絡(luò)通信鏈路實(shí)現(xiàn)從岸基終端對(duì)USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制與通信，并通過USV-LIF現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的儀器狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集以及時(shí)序控制等功能。在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)USV-LIF遙測(cè)系統(tǒng)的整體運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)的長時(shí)間連續(xù)工作進(jìn)行了模擬聯(lián)調(diào)測(cè)試，結(jié)果表明，所研發(fā)的控制系統(tǒng)的功能基本達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)需求。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的電源管理和俯仰調(diào)節(jié)功能模塊進(jìn)一步完善，并與無人船USBV[9,13]對(duì)接進(jìn)行海上試驗(yàn)，將是下一步工作的重點(diǎn)。