太湖水環境的毫米波輻射監測方法研究*

周璐艷， 張光鋒， 劉 靜， 李貝貝， 婁國偉

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

研究與探討

太湖水環境的毫米波輻射監測方法研究*

周璐艷， 張光鋒， 劉 靜， 李貝貝， 婁國偉

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

針對日益嚴重的水環境污染和毫米波輻射計系統在測量水環境下目標輻射特性的困難性，提出了一種利用毫米波無線數據采集系統的實時監測方案。方案通過Modbus網絡通信協議進行無線通信，將毫米波輻射計采集到的數據在上位機端實時地顯示與保存下來。實驗證明:此方法能對水環境進行有效可靠地實時監測。

水環境； 毫米波輻射計； 無線數據采集； Modbus

0 引 言

近年來，湖泊水體富營養化問題突出，藍藻污染嚴重，必須采取有效、精確、動態的監測方法才能及時發現和有效治理[1]。目前主要是通過雷達、紅外的方式對水環境進行監測[2,3]。與可見光和紅外相比，毫米波輻射計具有良好的云、霧、沙暴和雨雪的穿透能力，可全天候、全天時工作，在環境遙感領域得到廣泛應用[4]。將輻射計用于水體污染動態監測系統，準確而及時監測水環境具有重要意義和現實價值。現有的毫米波輻射計數據采集系統普遍采用有線網絡的模式，對于測量整個湖面水環境存在很大的障礙。當前，無線傳感網絡迅猛發展，被廣泛應用于農田害蟲檢測與識別[5]、海水水質的在線檢測[6]、水產養殖監控系統[7]等方面，很好地克服了有線網絡存在的問題。

本文使用毫米波輻射計，對太湖的水面環境進行監測，將采集到的數據通過無線傳輸，在上位機實時顯示并記錄。

1 毫米波輻射計原理

根據普朗克定律，自然界的所有物質，只要處于絕對零度以上，都會自發地向外發射電磁波[8]。

典型的全功率輻射計系統框圖如圖1所示。對于該系統,最終接收到的信號不僅包括被測目標所輻射的電磁波,還會受到接收機內的噪聲影響,因此，在后期的數據處理部分應該盡量扣除噪聲影響。

圖1 全功率輻射計原理圖

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，V/W；G為混頻、中放總的增益；B為檢波前的系統總帶寬。

在圖1所示系統中，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積分算法來減少Ud中的噪聲分量影響。設ΔTn為噪聲部分帶來的溫度均方根起伏,則ΔTn可由平均值得出，表達式如下

(2)

式中 n為取樣次數。

在實際的接收機系統中,用式(3)表示增益起伏ΔG所帶來的溫度變化

(3)

式中ΔG為接收機功率增益有效值。

可以得到輻射計的靈敏度ΔTmin為

(4)

由式(2)、式(3)及式(4)可得到全功率輻射計靈敏度

(5)

一般通過將積分的時間歸一化為1s，來提高輻射計的靈敏度。

當使用輻射計對目標進行測量時，輻射計的輸入為天線溫度，輸出為電壓值，采用整體定標法對輻射計進行定標。由于全功率輻射計的線性度良好，將天線分別對準低溫輻射源(液氮)和高溫輻射源(吸波材料)，測得輸出電壓，使用兩點定標法確定天線溫度和輸出電壓之間的定量關系。

由于全功率輻射計在接通電源時的穩定性較差，一般在通電20min后開始測量，而且測量時間不宜過長，測量的數據誤差波動應在1K左右。

2 無線數據采集系統

圖2為無線數據采集系統的結構圖。

圖2 系統結構圖

系統的數據采集設備使用的是型號STM8S207CB的低功耗單片機，具有128 k的Flash程序存儲器和強大的I/O功能。數據發射端和接收端采用的是CC1020無線模塊。模塊硬件結構如圖3所示。

圖3 模塊硬件結構圖

系統的軟件部分采用LabVIEW為開發工具，設計完成了用戶界面，并將采集到的數據實時保存下來。LabVIEW是經過簡化的且更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發環境，使用者可直觀地觀測系統的數據采集信息。

毫米波輻射計系統的無線數據發送端和數據接收端之間采用Modbus協議連接。Modbus串行鏈路協議是一個主站-從站協議。在Modbus串行鏈路上，主節點提供客戶機的功能，子節點則作為服務器。Modbus 協議具有幀格式結構、傳輸方式、功能及內容簡單、傳輸效率高等優點， 近年來在控制系統中得到了廣泛的應用。在Modbus網絡通信協議中有2種傳輸模式(ASCII模式、RTU模式)可選擇。

3 系統總體設計

毫米波輻射計系統的數據無線發送端和接收端之間采用Modbus的RTU模式進行通信，在RTU模式下，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓開始。當接收到第一個地址域時，相應的設備就對接下來的傳輸字符進行解碼，一旦有至少3.5個字符時間的停頓就表示該消息的結束[9]。信息中的每8位字節分成2個4位16進制的字符，該模式的主要優點為在相同波特率下其傳輸的字符的密度高于ASCII模式。

考慮到毫米波全功率輻射計數據采集系統工作的穩定性以及數據無線傳輸的準確性，選擇了9 600 bps的數據傳輸速率，則該無線數據系統采集信息開始和結束的靜止時間為T≥1/9 600×8×3.5=2.9 ms。

圖4為上位機用戶界面。無線數據接收端通過USB接口與上位機相連。用戶可以通過界面左邊部分的開關來控制數據采集的啟停時間以及采集頻率，選擇數據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間數據采集系統所采集的數據量。用戶界面的右邊部分顯示實時的采集數據。

圖4 上位機界面

4 實驗結果與分析

為了驗證系統的可行性、穩定性及可靠性，在太湖邊上分別使用3 mm輻射計和8 mm輻射計對太湖水面進行大量的實際測量，測量環境溫度為19.8 ℃。圖5為毫米波無線數據采集系統。

圖5 毫米波無線數據采集系統

圖6給出了輻射計對水面輻射特性的實際測量值曲線，其中角度0°表示天線口面在水平方向，90°表示天線正對水面。由于水平極化會導致實際測量的數據產生劇烈的變化，因此，在理論仿真和實際測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，水面亮度溫度變化緩慢，在0°～80°內亮度溫度隨著入射角度的增加而增加，并且3 mm與8 mm兩個波段水面亮度溫度分別在75°和80°時達到最高點，在80°～90°之間亮度溫度理論值驟減，在90°時達到最低點。由于實驗中太湖水并非純水，因此，實際數據曲線與理論仿真曲線稍有誤差。實驗結果表明:此系統可以實現遠程控制毫米波輻射計數據采集，數據正確、可靠傳輸，同時，具有實時性好、穩定性高以及耗能低等優點。

圖6 水面輻射值曲線

在相同作用距離下，3 mm輻射計的天線溫度對比度大于8 mm輻射計[10]，因此，選擇3 mm輻射計對水面上的各種物品進行了多次測量，具體數據如表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。測量數據說明用輻射計探測水面時，很容易發現水面上的物體，達到了監測水面環境的目的。

5 結束語

本文研究了一種基于太湖水環境的毫米波輻射監測方法。此方法能對水環境進行全天時、全天候有效可靠地實時監測。有效克服了紅外、雷達監測系統在惡劣環境下的缺點及有線網絡模式的被動毫米波輻射計數據采集系統存在的傳輸距離有限、傳輸線路復雜等缺點，具有很大的實用價值。但是，由于不同環境條件會對無線傳輸有不同程度的衰減，因此，在實際無線數據傳輸過程中，最大的傳輸距離只能達到3 km。在設計中未把低能耗作為設計目標，加大了蓄電池的成本投入，也增加了設備的重量。下一步工作將把增加數據傳輸距離、降低能耗作為一個重要目標來實現。

[1] 陸桂華,張建華.太湖水環境綜合治理的現狀、問題及對策[J].水資源保護,2014, 3(2):67-69.

[2] 王甘霖.內陸水體藍藻水華被動遙感監測研究—以太湖為例[D].上海:華東師范大學,2015.

[3] 陳文召,李光明,徐竟成,等.水環境遙感監測技術的應用研究進展[J].中國環境監測,2008,24(3):6-10.

[4] 宋 崧,王學田,鄧甲昊.被動毫米波成像系統的發展狀況及其關鍵技術[J].科技導報,2011,29(19):74-78.

[5] 宋革聯,韓瑞珍,張永華,等.基于無線傳輸技術的農田害蟲檢測與識別系統的開發[J].浙江大學學報, 2014, 40(5):585-590.

[6] 李家琪,劉憲華,陳浩揚,等.基于無線傳感器網絡的海水水質在線監測系統開發[J].傳感器與微系統,2013,32(11):95-97.

[7] 徐 凱,張秋菊,李克修,等.基于ZigBee的水產養殖無線監控系統設計[J].電子技術應用,2012,38(4):67-69.

[8] Lüthi Thomas,Mützler Christian.Stereoscopic passive millimeter-wave imaging and ranging[J].IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques,2005,53(8):2594-2599.

[9] 朱 懿,蔣念平.Modbus協議在工業控制系統中的應用[J].微計算機信息,2006,22(4):118-120.

[10] 李俊明,張祖蔭,郭 偉.3 mm與8 mm波段無源探測特性的比較[J].紅外與毫米波學報,2006,22(5):389-392.

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

國家自然科學基金面上資助項目(61371038)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0005—03

周璐艷(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為毫米波、亞毫米波成像技術。