海上油膜厚度測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研究.pdf

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1、第30卷第1期2011年3月海洋技術(shù)OCEANTECHNOLOGYV01．30，No．1Mar，2011海上油膜厚度測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研究葛寶臻1，劉鵬程1，孫晶玢1，呂且妮1，陳興梧1，王項(xiàng)南2(1．天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072：2．國家海洋技術(shù)中心．天津300112)摘要：為了實(shí)現(xiàn)海上油膜厚度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，針對(duì)所研制的基于差分激光三角法的油膜厚度測(cè)量系統(tǒng)．設(shè)計(jì)了基于DSP的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括相機(jī)接口電路、CPLD控制和預(yù)處理電路、DSP主處理

2、電路、以及CPLD和DSP之間的緩存電路，并開發(fā)了軟件驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)處理算法。利用所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和光學(xué)測(cè)量裝置．對(duì)不同厚度的塊規(guī)和石油油膜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。研究結(jié)果表明了該系統(tǒng)的可行性，可用于海面溢油油膜厚度的動(dòng)態(tài)在線測(cè)量。關(guān)鍵詞：水面油膜；厚度測(cè)量：DSP中圖分類號(hào)：X55文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003—2029{2011)01—0032-05隨著海洋石油開采業(yè)與運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展．海洋石油污染事故頻發(fā)，對(duì)海洋生物和生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響。各個(gè)國家都采取積極措施，應(yīng)對(duì)海洋石油污染事故．大力投入資金與人力研究海

3、洋溢油油膜的監(jiān)控、鑒別等。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種方法用于不同油品和不同油膜厚度的測(cè)量I“l(fā)。但是。對(duì)海洋溢油油膜厚度的精確快速測(cè)量技術(shù)各國研究的還不多。因此研究一種新的海上溢油油膜厚度測(cè)量技術(shù)很有必要。本課題基于863項(xiàng)目“機(jī)載投棄式海上溢油油膜厚度測(cè)量技術(shù)”，其測(cè)量基本原理基于激光i角法精密測(cè)量技術(shù)。測(cè)量時(shí)，從飛機(jī)上投棄浮標(biāo)到溢油海面，浮標(biāo)內(nèi)集成光學(xué)傳感器和相應(yīng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。完成厚度數(shù)據(jù)測(cè)量后，通過通訊模塊將數(shù)據(jù)傳到弋機(jī)上進(jìn)行分析和處理．得到厚度數(shù)據(jù)。根據(jù)所研制的光學(xué)測(cè)量裝置系統(tǒng)，設(shè)計(jì)應(yīng)用于測(cè)量浮標(biāo)內(nèi)的低功

4、耗、運(yùn)算能力強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。1電路硬件設(shè)計(jì)圖l所示為所研制的基于差分激光i角法的水面油膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖。為提高測(cè)量精度。并綜合考慮光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇了高分辨率的7450像素LVDS線陣CCD相機(jī)。該相機(jī)輸入輸出信號(hào)都為LVDS信號(hào)．掃描行頻為0—5．2kHz．輸出數(shù)據(jù)為8bit數(shù)字信號(hào)。根據(jù)該CCD相機(jī)以及根據(jù)兩相機(jī)采集到的激光光斑中心位置計(jì)算出被測(cè)物厚度的數(shù)據(jù)處理過程。設(shè)計(jì)了以CPLD為控制和預(yù)處理電路，及收藕日期：2010-ll一2l基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA0

5、92115)；天津市科委基金資助項(xiàng)目f08JCYBJC09900)：國家fj然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(408760501作者簡(jiǎn)介：葛寶臻(1964一)，男．教授．博士，主要從事于光電檢測(cè)、粒子測(cè)量等方面的研究。Email：gebz@tju．edu．CIIDSP主處理電路的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。相機(jī)接口用于采集電路和相機(jī)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換．CPLD用于兩相機(jī)的控制以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理．DSP用于對(duì)雙相機(jī)數(shù)據(jù)的主處理，以及CPLD與DSP之間的兀FO緩存電路。最終處理的結(jié)果通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去．在飛機(jī)上接收端

6、接收數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，得到油膜厚度數(shù)據(jù)。圖l實(shí)驗(yàn)室光學(xué)測(cè)量裝置圖CCD廿DSPl相機(jī)h1相機(jī)CCD接ul相機(jī)l¨叫CPL。卜2圖2數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)總體框圖1．1相機(jī)接口模塊使用的CCD相機(jī)數(shù)據(jù)格式都為LVDS信號(hào)，LVDS即低壓差分信號(hào)。在信號(hào)傳輸過程當(dāng)中，利用差分信號(hào)能有效抑制共模f擾，采用差分傳輸，能使系統(tǒng)擁有更高的抗干擾能力M。該相機(jī)輸出信號(hào)為8bit數(shù)據(jù)信號(hào)D[7．．01，行有效信號(hào)LVAL。時(shí)鐘信號(hào)DVAL。輸人信號(hào)為外同步觸發(fā)信號(hào)TRIG。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路與相機(jī)的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)了LVDS和第1期葛

7、寶臻．等：海上油膜厚度測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研究331札相互轉(zhuǎn)換的相機(jī)接口電路。選擇了LvDS接收器DS9HDLV032A和LVDS收發(fā)器DS90LV049。LVDS接收器將相機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為T凡信號(hào)。LVDS收發(fā)器將相機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)和行信號(hào)轉(zhuǎn)換為TI'L信號(hào)．同時(shí)將采集電路的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為LVDS信號(hào)以控制雙CCD相機(jī)。1．2CPLD模塊CPLD采用了Ahem公司的MAXII系列芯片EPM570。CPLD模塊包括：(1)外同步觸發(fā)產(chǎn)生模塊；(2)雙CCD相機(jī)同步誤差消除模塊；(3)行提取和DSP控制模塊。其中外同

8、步觸發(fā)電路用于產(chǎn)生雙CCD相機(jī)的外同步觸發(fā)信號(hào)，使雙相機(jī)工作在外同步模式下。當(dāng)雙相機(jī)工作在外同步模式時(shí)，輸出的信號(hào)還是有Iris級(jí)別的延時(shí)誤差．為了方便數(shù)據(jù)傳輸和處理．設(shè)計(jì)雙相機(jī)的同步誤差消除電路，將兩相機(jī)的8bit數(shù)據(jù)同步輸出。拼接為一個(gè)16bit數(shù)據(jù)。相機(jī)的掃描行頻率在0—5．2kHz．相機(jī)行頻率降低，積分時(shí)間就會(huì)增加，CCD就會(huì)更容易飽和