劉德慶, 欒曉寧, 葉旺全, 劉曉瑞, 金久才, 鄭榮兒??

(1.中國海洋大學光學光電子實驗室，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探測技術，是進行海洋溢油探測最有效的手段之一[1-2]。傳統(tǒng)的機載和船載激光熒光遙感技術一般適合于大范圍走航式探測[3-8]，然而對于海洋中溢油事故發(fā)生頻繁的特定區(qū)域的溢油監(jiān)測需求，如近岸港口、鉆井平臺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行探測更為方便。發(fā)展面向無人船應用的激光熒光遙測系統(tǒng)可有效解決上述特定區(qū)域的溢油監(jiān)測問題。

無人船(Unmanned surface vehicle, USV)作為一種新型的水上環(huán)境監(jiān)測平臺，可搭載多種傳感器，并且以布放靈活、成本經濟、自動測量等特點，在海洋環(huán)境監(jiān)測中具有明顯技術優(yōu)勢[9-10]，其在水質測量、水環(huán)境調查、水深測量以及海洋物理參數測量等方面得到應用[11-13]；將激光熒光系統(tǒng)與無人船平臺結合，這是本文工作的動機所在，可望拓展溢油激光探測和無人船平臺的應用范圍。

本文從基于無人船的激光熒光遙測系統(tǒng)(USV-LIF遙測系統(tǒng))的總體設計出發(fā)，并詳細設計USV-LIF遙測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，以期滿足無人船載激光熒光遙測系統(tǒng)用于現(xiàn)場探測的控制需求。

1 USV-LIF遙測系統(tǒng)總體設計

USV-LIF遙測系統(tǒng)主要包括岸基終端和USV-LIF現(xiàn)場機兩部分，圖1為其總體結構圖。USV-LIF現(xiàn)場機以無人船為運載平臺，通過無線通信與岸基終端進行交互。考慮到傳輸距離、數據傳輸速率以及成本等因素，所研制USV-LIF遙測系統(tǒng)的岸基終端與現(xiàn)場機之間采用無線網橋通信方式，通信距離一般可以達到3～5 km[14-15]。

圖1 USV-LIF遙測系統(tǒng)總體結構

如圖1所示，岸基終端通過無線網橋實時訪問USV-LIF現(xiàn)場機并獲取采集的數據以及現(xiàn)場機中各儀器工作狀態(tài)；USV-LIF現(xiàn)場機作為無人船平臺上的一個傳感器，主要由激光發(fā)射模塊、信號接收與探測模塊、數據采集模塊以及現(xiàn)場機控制模塊等構成。表1給出了目前實驗室內搭建的USV-LIF現(xiàn)場機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)場機供電可滿足系統(tǒng)運行需求。

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

文中針對USV-LIF遙測系統(tǒng)所設計的控制系統(tǒng)由岸基遠程控制模塊和USV-LIF現(xiàn)場機控制模塊兩部分組成。其中，岸基遠程控制模塊主要實現(xiàn)岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場機之間的控制與通信；USV-LIF現(xiàn)場機控制模塊則主要實現(xiàn)對現(xiàn)場機中的儀器狀態(tài)控制、數據采集、時序控制以及與無人船平臺上其他傳感器(如GPS)之間協(xié)同操作等功能。

2 USV-LIF現(xiàn)場機控制模塊設計

圖2是USV-LIF現(xiàn)場機的控制模塊結構圖?，F(xiàn)場機控制模塊負責協(xié)調現(xiàn)場機的整體運轉，包括儀器狀態(tài)控制、數據采集、時序控制以及與無人船之間的協(xié)同操作等，同時負責與岸基終端之間的信息傳輸。

如圖2所示，現(xiàn)場機控制模塊選用PC104工控機作為控制器，通過串口與USV主控計算機連接。USV主控計算機通過無線網橋接收來自岸基終端的控制指令，然后經串口轉發(fā)到PC104工控機。工控機根據岸基指令控制現(xiàn)場機中的儀器設備，包括激光器、探測器ICCD以及數據采集模塊等，并將測得的光譜數據實時回傳到USV主控計算機。USV主控計算機讀取光譜采集時刻所對應的GPS數據，然后通過無線網橋將光譜、GPS數據以及對應的時間信息一起回傳到岸基終端，以確保所探測到的光譜數據與USV的走航信息對應。

圖2 USV-LIF現(xiàn)場機控制系統(tǒng)結構圖

USV-LIF現(xiàn)場機的控制軟件流程如圖3所示。軟件運行時，首先進行串口初始化和探測器ICCD控制卡初始化，然后控制現(xiàn)場機中各儀器狀態(tài)，包括激光器的工作參數設置和開關、ICCD的溫控開啟等，在此基礎上，確定并設置信號采集參數，最后進行數據采集。為了確保系統(tǒng)采集數據的可靠性，避免遠距離傳輸造成回傳數據的錯誤，數據采集后進行雙備份，一份在USV-LIF現(xiàn)場機存儲備份，另一份則通過無線網橋通信傳輸到岸基終端。對激光器的串口通信控制以及ICCD的數據采集，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)實現(xiàn)。

圖3 USV-LIF現(xiàn)場機的控制軟件流程圖

USV-LIF現(xiàn)場機的時序控制是通過圖2中所示的延時發(fā)生器和ICCD內部的DDG(Digital delay generator)實現(xiàn)的。圖4是USV-LIF現(xiàn)場機的時序圖。延遲發(fā)生器輸出兩路具有固定延時Δt2的TTL信號，分別用于激光器和ICCD的觸發(fā)信號，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Δt1，t1是從激光輸出到信號返回的傳輸延時，通過調節(jié)ICCD的門脈沖延時t2，在信號返回時，以準確打開ICCD的電子快門，有如下關系t1+Δt1=t2+Δt2，進而探測返回的信號，即實現(xiàn)距離選通探測。電子快門的門寬Δt3可調。

圖4 USV-LIF現(xiàn)場機的控制時序圖

3 岸基遠程控制模塊設計

USV-LIF遙測系統(tǒng)的遠程控制模塊實現(xiàn)岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場機的交互，表2中列出了岸基終端與現(xiàn)場機通信傳輸的數據種類，包括指令幀和數據幀兩種格式。指令幀主要是從岸基終端往USV-LIF現(xiàn)場機發(fā)送的控制指令；數據幀則主要包括從是從現(xiàn)場機返回的儀器狀態(tài)參數、光譜數據以及GPS信息等。

圖5是開發(fā)的USV-LIF遙測系統(tǒng)的岸基控制軟件界面。主要的功能模塊有(1)網絡通信參數配置；(2)岸基控制指令發(fā)送；(3)實時接收現(xiàn)場機采集數據；(4)數據存儲與顯示等。岸基計算機與USV主控計算機之間采用基于TCP/IP協(xié)議的Client/Server結構，其中，岸基計算機為客戶端，無人船主控計算機為服務器，它們之間網絡通信的關鍵是配置訪問IP地址和網絡端口號。岸基終端與現(xiàn)場機之間的無線網絡通信采用Modbus串行通信協(xié)議進行數據傳輸。從岸基發(fā)送的控制指令主要包括激光器控制、ICCD溫度控制以及數據采集等指令；待岸基終端接收到現(xiàn)場機采集的光譜和GPS等數據后，進行存儲與顯示。接收并顯示的光譜數據有兩種格式，分別為時間序列和二維光譜，其中，時間序列光譜用于確定系統(tǒng)最佳探測延時參數。

表2 岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場機通信的數據種類

圖5 USV-LIF遙測系統(tǒng)的岸基控制軟件界面

4 USV-LIF遙測系統(tǒng)實驗室模擬聯(lián)調測試

在實驗室利用研制的USV-LIF遙測系統(tǒng)進行模擬聯(lián)調測試，分別對系統(tǒng)的整體運行、遠程控制數據傳輸以及系統(tǒng)的長時間連續(xù)工作進行測試試驗。在測試過程中，為了模擬系統(tǒng)現(xiàn)場運行的狀態(tài)，由一臺計算機模擬USV主控計算機，通過串口與USV-LIF現(xiàn)場機連接，而現(xiàn)場機則在實驗室內能夠對5 m(滿足船載探測的需求)遠處水槽中原油進行熒光探測；另一臺計算機模擬岸基終端，布置在距測試地點一定距離的地方，通過無線網絡與USV-LIF現(xiàn)場機進行通信交互。

4.1 USV-LIF遙測系統(tǒng)工作狀態(tài)測試

系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)模擬測試，包括定點探測和走航探測兩種運行狀態(tài)的測試。

4.1.1 定點測試 USV-LIF遙測系統(tǒng)的定點探測主要是確定系統(tǒng)的最佳探測參數。首先確定延時參數。ICCD的門脈沖延時是通過時間序列信號測量來獲得的，即在系統(tǒng)其他探測條件不變的情況下，先設定一個初始的門脈沖延時，然后以一定步長順序改變延時參數，測得不同時刻的信號，根據探測信號強度隨時間的變化，以判斷最佳探測延時。

圖6 時間序列光譜采集模式下的岸基軟件截圖

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

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

圖7是不同數據采集模式下的測試結果，其中圖7(a)，7(b)分別對應單次采集模式和累積采集模式下(10次累積)的測量結果。測試時設定的探測參數為：門脈沖延時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。通過適當的增加數據采集的累積次數可以提高信噪比。

4.1.2 模擬走航測試 對USV-LIF遙測系統(tǒng)隨無人船平臺走航探測的過程，在實驗室進行模擬測試。無人船走航的GPS信息由USV主控計算機模擬產生。USV-LIF現(xiàn)場機用于測量水槽中不同位置處原油油膜的熒光信號。待采集的光譜數據傳輸到USV主控計算機時，同時讀取GPS和USV主控計算機系統(tǒng)時間信息，然后協(xié)同光譜數據一起傳輸到岸基終端，在岸基軟件界面上實現(xiàn)顯示模擬無人船的航跡和當前位置處采集的光譜數據，如圖5所示，并對獲得的數據進行存儲。測試過程總共采集了50組光譜數據及對應的走航信息。圖8是模擬走航探測的測試結果，圖中所表示的是每個位置處所采集原油熒光的峰值強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 不同數據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 遠程控制通信穩(wěn)定性測試

遠程控制和數據傳輸是USV-LIF遙測系統(tǒng)中的關鍵功能模塊，此部分主要是對岸基終端與USV-LIF現(xiàn)場機之間的無線網絡通信，以及系統(tǒng)的長時間連續(xù)運行功能進行測試。系統(tǒng)運行時，由岸基終端連續(xù)向現(xiàn)場機發(fā)送控制指令，每30 s發(fā)送一次，以控制系統(tǒng)的運行，采集的數據在現(xiàn)場機備份后，再以數據幀的形式實時上傳到岸基終端，并顯示和保存。系統(tǒng)連續(xù)運行約5 h，總共采集了606組光譜數據，并將現(xiàn)場機備份的數據與岸基終端保存的數據進行對比分析。

圖8 模擬走航探測的測試結果

傳輸數據Data type應傳數據量Transmitteddata接收數據量Receiveddata傳輸正確率Transmissionaccuracy/%指令幀Instruction frame613613100數據幀Data frame1 8471 847100數據文件Data file606606100測得數據Measured data620 544620 544100

表3為USV-LIF遙測系統(tǒng)連續(xù)運行的遠程通信功能測試結果。從表3中的數據可以看出，經過約5 h的連續(xù)運行測試，岸基終端與現(xiàn)場機之間傳輸指令幀、數據幀、數據文件以及光譜數據的正確率均為100%，表明USV-LIF遙測系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的數據通信功能和較高的數據傳輸正確率。另外，考慮到該測試為實驗室工作環(huán)境下進行的，USV-LIF遙測系統(tǒng)遠程控制通信功能還有待現(xiàn)場工作環(huán)境的檢驗。

5 結語

針對港口等溢油事故頻發(fā)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測應用需求，本文對USV-LIF遙測系統(tǒng)進行了總體方案設計，并詳細設計了其控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括岸基遠程控制模塊和USV-LIF現(xiàn)場機控制模塊兩部分。利用無線網絡通信鏈路實現(xiàn)從岸基終端對USV-LIF現(xiàn)場機的遠程控制與通信，并通過USV-LIF現(xiàn)場機的控制模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場機的儀器狀態(tài)控制、數據采集以及時序控制等功能。在實驗室條件下，對USV-LIF遙測系統(tǒng)的整體運行、遠程控制數據傳輸以及系統(tǒng)的長時間連續(xù)工作進行了模擬聯(lián)調測試，結果表明，所研發(fā)的控制系統(tǒng)的功能基本達到了現(xiàn)場探測需求。對現(xiàn)場機的電源管理和俯仰調節(jié)功能模塊進一步完善，并與無人船USBV[9,13]對接進行海上試驗，將是下一步工作的重點。