海上油膜厚度测量数据采集与处理系统的研究.pdf

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1、第30卷第1期2011年3月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．30，No．1Mar，2011海上油膜厚度测量数据采集与处理系统的研究葛宝臻1，刘鹏程1，孙晶玢1，吕且妮1，陈兴梧1，王项南2(1．天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072：2．国家海洋技术中心．天津300112)摘要：为了实现海上油膜厚度实时动态测量，针对所研制的基于差分激光三角法的油膜厚度测量系统．设计了基于DSP的数据采集处理系统。该系统包括相机接口电路、CPLD控制和预处理电路、DSP主处理

2、电路、以及CPLD和DSP之间的缓存电路，并开发了软件驱动和数据处理算法。利用所设计的数据采集处理系统和光学测量装置．对不同厚度的块规和石油油膜进行了实验测量。研究结果表明了该系统的可行性，可用于海面溢油油膜厚度的动态在线测量。关键词：水面油膜；厚度测量：DSP中图分类号：X55文献标志码：A文章编号：1003—2029{2011)01—0032-05随着海洋石油开采业与运输业的迅猛发展．海洋石油污染事故频发，对海洋生物和生态环境造成了极大的影响。各个国家都采取积极措施，应对海洋石油污染事故．大力投入资金与人力研究海

3、洋溢油油膜的监控、鉴别等。目前国内外已经提出了多种方法用于不同油品和不同油膜厚度的测量I“l。但是。对海洋溢油油膜厚度的精确快速测量技术各国研究的还不多。因此研究一种新的海上溢油油膜厚度测量技术很有必要。本课题基于863项目“机载投弃式海上溢油油膜厚度测量技术”，其测量基本原理基于激光i角法精密测量技术。测量时，从飞机上投弃浮标到溢油海面，浮标内集成光学传感器和相应数据采集与处理系统。完成厚度数据测量后，通过通讯模块将数据传到弋机上进行分析和处理．得到厚度数据。根据所研制的光学测量装置系统，设计应用于测量浮标内的低功

4、耗、运算能力强大的数据采集和处理系统。1电路硬件设计图l所示为所研制的基于差分激光i角法的水面油膜厚度测量实验装置图。为提高测量精度。并综合考虑光学结构参数，选择了高分辨率的7450像素LVDS线阵CCD相机。该相机输入输出信号都为LVDS信号．扫描行频为0—5．2kHz．输出数据为8bit数字信号。根据该CCD相机以及根据两相机采集到的激光光斑中心位置计算出被测物厚度的数据处理过程。设计了以CPLD为控制和预处理电路，及收藕日期：2010-ll一2l基金项目：国家高技术研究发展(863)计划资助项目(2008AA0

5、92115)；天津市科委基金资助项目f08JCYBJC09900)：国家fj然科学基金资助项目(408760501作者简介：葛宝臻(1964一)，男．教授．博士，主要从事于光电检测、粒子测量等方面的研究。Email：gebz@tju．edu．CIIDSP主处理电路的数据采集和处理系统。系统总体框图如图2所示。相机接口用于采集电路和相机之间的数据转换．CPLD用于两相机的控制以及数据的预处理．DSP用于对双相机数据的主处理，以及CPLD与DSP之间的兀FO缓存电路。最终处理的结果通过无线发射模块发射出去．在飞机上接收端

6、接收数据并对其进行处理，得到油膜厚度数据。图l实验室光学测量装置图CCD廿DSPl相机h1相机CCD接ul相机l¨叫CPL。卜2图2数据采集和处理系统总体框图1．1相机接口模块使用的CCD相机数据格式都为LVDS信号，LVDS即低压差分信号。在信号传输过程当中，利用差分信号能有效抑制共模f扰，采用差分传输，能使系统拥有更高的抗干扰能力M。该相机输出信号为8bit数据信号D[7．．01，行有效信号LVAL。时钟信号DVAL。输人信号为外同步触发信号TRIG。为了实现数据采集电路与相机的数据交换，设计了LVDS和第1期葛

7、宝臻．等：海上油膜厚度测量数据采集与处理系统的研究331札相互转换的相机接口电路。选择了LvDS接收器DS9HDLV032A和LVDS收发器DS90LV049。LVDS接收器将相机的数据信号转换为T凡信号。LVDS收发器将相机的时钟信号和行信号转换为TI'L信号．同时将采集电路的控制信号转换为LVDS信号以控制双CCD相机。1．2CPLD模块CPLD采用了Ahem公司的MAXII系列芯片EPM570。CPLD模块包括：(1)外同步触发产生模块；(2)双CCD相机同步误差消除模块；(3)行提取和DSP控制模块。其中外同

8、步触发电路用于产生双CCD相机的外同步触发信号，使双相机工作在外同步模式下。当双相机工作在外同步模式时，输出的信号还是有Iris级别的延时误差．为了方便数据传输和处理．设计双相机的同步误差消除电路，将两相机的8bit数据同步输出。拼接为一个16bit数据。相机的扫描行频率在0—5．2kHz．相机行频率降低，积分时间就会增加，CCD就会更容易饱和