太湖水环境的毫米波辐射监测方法研究*

周璐艳， 张光锋， 刘 静， 李贝贝， 娄国伟

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

研究与探讨

太湖水环境的毫米波辐射监测方法研究*

周璐艳， 张光锋， 刘 静， 李贝贝， 娄国伟

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

针对日益严重的水环境污染和毫米波辐射计系统在测量水环境下目标辐射特性的困难性，提出了一种利用毫米波无线数据采集系统的实时监测方案。方案通过Modbus网络通信协议进行无线通信，将毫米波辐射计采集到的数据在上位机端实时地显示与保存下来。实验证明:此方法能对水环境进行有效可靠地实时监测。

水环境； 毫米波辐射计； 无线数据采集； Modbus

0 引 言

近年来，湖泊水体富营养化问题突出，蓝藻污染严重，必须采取有效、精确、动态的监测方法才能及时发现和有效治理[1]。目前主要是通过雷达、红外的方式对水环境进行监测[2,3]。与可见光和红外相比，毫米波辐射计具有良好的云、雾、沙暴和雨雪的穿透能力，可全天候、全天时工作，在环境遥感领域得到广泛应用[4]。将辐射计用于水体污染动态监测系统，准确而及时监测水环境具有重要意义和现实价值。现有的毫米波辐射计数据采集系统普遍采用有线网络的模式，对于测量整个湖面水环境存在很大的障碍。当前，无线传感网络迅猛发展，被广泛应用于农田害虫检测与识别[5]、海水水质的在线检测[6]、水产养殖监控系统[7]等方面，很好地克服了有线网络存在的问题。

本文使用毫米波辐射计，对太湖的水面环境进行监测，将采集到的数据通过无线传输，在上位机实时显示并记录。

1 毫米波辐射计原理

根据普朗克定律，自然界的所有物质，只要处于绝对零度以上，都会自发地向外发射电磁波[8]。

典型的全功率辐射计系统框图如图1所示。对于该系统,最终接收到的信号不仅包括被测目标所辐射的电磁波,还会受到接收机内的噪声影响,因此，在后期的数据处理部分应该尽量扣除噪声影响。

图1 全功率辐射计原理图

检波器输出电压为

Ud=CdGPin=CdGB(T＇A+Tsys)

(1)

式中Cd为平方律检波器功率灵敏度常数，V/W；G为混频、中放总的增益；B为检波前的系统总带宽。

在图1所示系统中，检波电压由直流分量、噪声分量和增益起伏分量组成。低通滤波器和积分器是通过积分算法来减少Ud中的噪声分量影响。设ΔTn为噪声部分带来的温度均方根起伏,则ΔTn可由平均值得出，表达式如下

(2)

式中 n为取样次数。

在实际的接收机系统中,用式(3)表示增益起伏ΔG所带来的温度变化

(3)

式中ΔG为接收机功率增益有效值。

可以得到辐射计的灵敏度ΔTmin为

(4)

由式(2)、式(3)及式(4)可得到全功率辐射计灵敏度

(5)

一般通过将积分的时间归一化为1s，来提高辐射计的灵敏度。

当使用辐射计对目标进行测量时，辐射计的输入为天线温度，输出为电压值，采用整体定标法对辐射计进行定标。由于全功率辐射计的线性度良好，将天线分别对准低温辐射源(液氮)和高温辐射源(吸波材料)，测得输出电压，使用两点定标法确定天线温度和输出电压之间的定量关系。

由于全功率辐射计在接通电源时的稳定性较差，一般在通电20min后开始测量，而且测量时间不宜过长，测量的数据误差波动应在1K左右。

2 无线数据采集系统

图2为无线数据采集系统的结构图。

图2 系统结构图

系统的数据采集设备使用的是型号STM8S207CB的低功耗单片机，具有128 k的Flash程序存储器和强大的I/O功能。数据发射端和接收端采用的是CC1020无线模块。模块硬件结构如图3所示。

图3 模块硬件结构图

系统的软件部分采用LabVIEW为开发工具，设计完成了用户界面，并将采集到的数据实时保存下来。LabVIEW是经过简化的且更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境，使用者可直观地观测系统的数据采集信息。

毫米波辐射计系统的无线数据发送端和数据接收端之间采用Modbus协议连接。Modbus串行链路协议是一个主站-从站协议。在Modbus串行链路上，主节点提供客户机的功能，子节点则作为服务器。Modbus 协议具有帧格式结构、传输方式、功能及内容简单、传输效率高等优点， 近年来在控制系统中得到了广泛的应用。在Modbus网络通信协议中有2种传输模式(ASCII模式、RTU模式)可选择。

3 系统总体设计

毫米波辐射计系统的数据无线发送端和接收端之间采用Modbus的RTU模式进行通信，在RTU模式下，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿开始。当接收到第一个地址域时，相应的设备就对接下来的传输字符进行解码，一旦有至少3.5个字符时间的停顿就表示该消息的结束[9]。信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点为在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCII模式。

考虑到毫米波全功率辐射计数据采集系统工作的稳定性以及数据无线传输的准确性，选择了9 600 bps的数据传输速率，则该无线数据系统采集信息开始和结束的静止时间为T≥1/9 600×8×3.5=2.9 ms。

图4为上位机用户界面。无线数据接收端通过USB接口与上位机相连。用户可以通过界面左边部分的开关来控制数据采集的启停时间以及采集频率，选择数据的保存路径方便以后查看，在保存的文件中能够直观地观察到具体时间数据采集系统所采集的数据量。用户界面的右边部分显示实时的采集数据。

图4 上位机界面

4 实验结果与分析

为了验证系统的可行性、稳定性及可靠性，在太湖边上分别使用3 mm辐射计和8 mm辐射计对太湖水面进行大量的实际测量，测量环境温度为19.8 ℃。图5为毫米波无线数据采集系统。

图5 毫米波无线数据采集系统

图6给出了辐射计对水面辐射特性的实际测量值曲线，其中角度0°表示天线口面在水平方向，90°表示天线正对水面。由于水平极化会导致实际测量的数据产生剧烈的变化，因此，在理论仿真和实际测量中均选取了垂直极化的方式。

由图6可看出：在0°～10°范围内，水面亮度温度变化缓慢，在0°～80°内亮度温度随着入射角度的增加而增加，并且3 mm与8 mm两个波段水面亮度温度分别在75°和80°时达到最高点，在80°～90°之间亮度温度理论值骤减，在90°时达到最低点。由于实验中太湖水并非纯水，因此，实际数据曲线与理论仿真曲线稍有误差。实验结果表明:此系统可以实现远程控制毫米波辐射计数据采集，数据正确、可靠传输，同时，具有实时性好、稳定性高以及耗能低等优点。

图6 水面辐射值曲线

在相同作用距离下，3 mm辐射计的天线温度对比度大于8 mm辐射计[10]，因此，选择3 mm辐射计对水面上的各种物品进行了多次测量，具体数据如表1所示。

表1 水面上典型物体的辐射特性

由表1可以看出，水面上植物的亮温比水面亮温高33～37 K，而水面上漂浮的塑料瓶比水面亮温低7 K，泡沫板的亮温与水面的亮温近似，可将它近似看作背景忽略。测量数据说明用辐射计探测水面时，很容易发现水面上的物体，达到了监测水面环境的目的。

5 结束语

本文研究了一种基于太湖水环境的毫米波辐射监测方法。此方法能对水环境进行全天时、全天候有效可靠地实时监测。有效克服了红外、雷达监测系统在恶劣环境下的缺点及有线网络模式的被动毫米波辐射计数据采集系统存在的传输距离有限、传输线路复杂等缺点，具有很大的实用价值。但是，由于不同环境条件会对无线传输有不同程度的衰减，因此，在实际无线数据传输过程中，最大的传输距离只能达到3 km。在设计中未把低能耗作为设计目标，加大了蓄电池的成本投入，也增加了设备的重量。下一步工作将把增加数据传输距离、降低能耗作为一个重要目标来实现。

[1] 陆桂华,张建华.太湖水环境综合治理的现状、问题及对策[J].水资源保护,2014, 3(2):67-69.

[2] 王甘霖.内陆水体蓝藻水华被动遥感监测研究—以太湖为例[D].上海:华东师范大学,2015.

[3] 陈文召,李光明,徐竟成,等.水环境遥感监测技术的应用研究进展[J].中国环境监测,2008,24(3):6-10.

[4] 宋 崧,王学田,邓甲昊.被动毫米波成像系统的发展状况及其关键技术[J].科技导报,2011,29(19):74-78.

[5] 宋革联,韩瑞珍,张永华,等.基于无线传输技术的农田害虫检测与识别系统的开发[J].浙江大学学报, 2014, 40(5):585-590.

[6] 李家琪,刘宪华,陈浩扬,等.基于无线传感器网络的海水水质在线监测系统开发[J].传感器与微系统,2013,32(11):95-97.

[7] 徐 凯,张秋菊,李克修,等.基于ZigBee的水产养殖无线监控系统设计[J].电子技术应用,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,蒋念平.Modbus协议在工业控制系统中的应用[J].微计算机信息,2006,22(4):118-120.

[10] 李俊明,张祖荫,郭 伟.3 mm与8 mm波段无源探测特性的比较[J].红外与毫米波学报,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

国家自然科学基金面上资助项目(61371038)

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0005—03

周璐艳(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为毫米波、亚毫米波成像技术。