專利名稱：基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及毫米波目標輻射特性相關(guān)研究領(lǐng)域，特別是一種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染監(jiān)測方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)水污染問題越來越突出。引起水環(huán)境污染加劇的原因，除了由于人口急劇增加導致生活污水排放量增加外，最主要的原因是部分工礦企業(yè)污廢水的違法、違規(guī)排放。水污染遙感監(jiān)測具有快速、宏觀、實時的特點，其數(shù)據(jù)能直觀反映水污染在區(qū)域上的分布情況，是對大面積水域的污染情況進行監(jiān)測的有效途徑。但是國內(nèi)對水污染衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)只停留在研究階段，尚未有在實際監(jiān)測中應(yīng)用的實例。除了先進的水污染治理方式和理念，歐美發(fā)達國家采用飛機、衛(wèi)星搭載光學、紅外、微波等多種波段、譜段傳感器系統(tǒng)進行觀測與分析。在水質(zhì)遙感監(jiān)測中常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)，包括美國Landsat衛(wèi)星的MSS、TM、ETM+數(shù)據(jù)，法國SPOT衛(wèi)星的HRV數(shù)據(jù)，氣象衛(wèi)星 NOAA的AVHRR數(shù)據(jù)，印度遙感IRS系統(tǒng)的LISS數(shù)據(jù)，日本JERS衛(wèi)星的OPS (光學傳感器) 接收的多光譜圖像數(shù)據(jù)，中巴地球資源1號衛(wèi)星(CBERS--l)CXD相機數(shù)據(jù)等。近幾十年來， 國際上水體污染遙感監(jiān)測工作主要圍繞建立遙感定量模式展開，重點是利用Landsat，SP0T 和氣象衛(wèi)星等提供的不同空間分辨率、時間分辨率及光譜分辨率的遙感影像，通過現(xiàn)場光譜測試及準同步采樣，建立不同類型的水體污染的統(tǒng)計和監(jiān)測。而毫米波探測具有全天時全天候的性能，可獲取惡劣天氣、環(huán)境下可見光與紅外探測器不能獲取的特殊信息，所以在未來的發(fā)展中應(yīng)該重視起微波遙感數(shù)據(jù)的獲取與應(yīng)用。目前遙感水質(zhì)監(jiān)測的波段范圍小，多集中于可見光和近紅外波段范圍，而且光譜分辨率大小不等，尤其是缺乏微波、毫米波波段表面水質(zhì)的研究。各種衛(wèi)星所攜帶的遙感儀器主要集中在光學和紅外波段，根據(jù)所傳回的遙感數(shù)據(jù)。對于白天晴朗天氣，光學傳感器因其高分辨率有著一定優(yōu)勢；對于黑夜和陰雨天氣，可見光和紅外傳感器收到很大干擾，這時毫米波遙感儀器，如輻射計、散射計、高度計等，有著不可替代的地位；對于探測水面溫度時，熱紅外波段的傳感器有一定的優(yōu)越性。與國外先進國家相比，我國毫米波遙感數(shù)據(jù)所占比重較低，而毫米波具有更短的波長、具有全天時全天候的性能，可獲取惡劣天氣、環(huán)境下可見光與紅外探測器不能獲取的特殊信息，所以在未來的發(fā)展中應(yīng)該重視起微波數(shù)據(jù)的獲取與應(yīng)用。與雷達散射信息互補，微波尤其是無源毫米波成像在水污染監(jiān)測領(lǐng)域的具有廣闊的應(yīng)用前景，本發(fā)明就是提出利用水污染目標特性分析、污染源的成像處理與特征提取技術(shù)作為水污染監(jiān)測對象，可彌補國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)。因此，該項發(fā)明立足于無源微波 (毫米波)輻射技術(shù)與理論，根據(jù)水污染治理領(lǐng)域的實際需要，利用3mm波段無源毫米波成像系統(tǒng)獲取典型水污染區(qū)域的毫米波輻射測量數(shù)據(jù)和毫米波輻射圖像，通過分析污染水域的 3mm波段無源毫米波輻射亮溫特性，結(jié)合污染水域的3mm波段無源毫米波成像、圖像處理和特征提取，綜合判別該污染水域的污染源類別和范圍狀態(tài)。該發(fā)明加速無源毫米波輻射特性測量與成像技術(shù)水域環(huán)境監(jiān)測等潛在應(yīng)用具有重要的社會現(xiàn)實意義和重大實用經(jīng)濟價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不受時間、天氣和氣候影響，具有全天時全天候的工作性能，可以在各類煙、霧、靄狀態(tài)下正常工作，且克服了紅外、光學對物體種類、性質(zhì)不能準確識別的缺陷，可以獲得與雷達散射圖像性質(zhì)互補的輻射圖像信息的基于毫米波輻射特性的水污染監(jiān)測方法及裝置。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為
一種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法，通過3mm波段輻射特性測試和成像兩種模式獲取污染水域信息，綜合采用輻射特性分析和輻射成像結(jié)合的方法綜合判別水污染狀況；主要由以下步驟實現(xiàn)
步驟一建立3mm波段輻射特性的典型水污染源分類數(shù)據(jù)庫； 步驟二 采用毫米波輻射計利用其輻射特性測試模式獲取污染水域3mm波段輻射亮度溫度特征信息；
步驟三把獲取的3mm波段輻射亮度溫度特征信息經(jīng)定標換算為亮度溫度值； 步驟四利用成像模式獲取污染水域的3mm波段輻射圖像并進行預(yù)處理去噪； 步驟五提取污染水域的3mm波段輻射圖像特征并計算面積； 步驟六根據(jù)步驟三和步驟五的結(jié)果綜合采用輻射特性分析和輻射成像結(jié)合的方法判定污染水域的污染源類型、分布和面積信息。一種運用基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法的測試裝置，包括依次連接的3mm波段天線、射頻低噪聲放大器、檢波電路、低頻放大器，低頻放大器一路與二維掃描裝置連接，低頻放大器另一路定標裝置連接；二維掃描裝置與圖像顯示電路連接， 圖像顯示電路與計算機連接；定標裝置與數(shù)據(jù)處理電路連接；數(shù)據(jù)處理電路與數(shù)據(jù)庫特征匹配電路連接，數(shù)據(jù)庫特征匹配電路與計算機連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點
(1)水污染傳感器主要集中在光學、紅外波段，微波尤其是無源毫米波成像在遙感領(lǐng)域的相關(guān)研究尚未達到實用化的程度，因此預(yù)先開展水污染目標特性建模、污染源的成像處理與特征提取相關(guān)技術(shù)作為研究對象，可彌補相關(guān)領(lǐng)域的薄弱研究環(huán)節(jié)。(2)無源毫米波探測具有全天時全天候的工作性能，可獲取惡劣天氣、環(huán)境下可見光與紅外探測器不能獲取的特殊信息。利用內(nèi)陸水域污染源不同的毫米波輻射特性，把典型水污染物的輻射亮溫作為分類的依據(jù)，并引入毫米波輻射成像與圖像特征識別依據(jù)，可以為水污染源目標信息的準確判決提供科學依據(jù)。( 3 )目前常規(guī)水質(zhì)遙感監(jiān)測波段范圍多數(shù)選擇在可見光、紅外或者雷達方式，尤其是缺乏微波波段表面水質(zhì)輻射的研究情況。毫米波輻射作為一種能獲取特殊信息的技術(shù)手段，可以與可見光、紅外或者雷達方式獲取的信息進行比較和互補。(4)與其它自然地物相比，水具有顯著不同微波輻射特征(亮溫低，冷目標)，水面的油污、植被、水中含鹽度、水溫等具有顯著特定的輻射特性。預(yù)先研究典型水域污染源的微波輻射特性、定量分析和成像識別方法，可為水污染領(lǐng)域治理方面提供ー種新方法和有效技術(shù)手段。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步詳細描述。


圖1本發(fā)明3mm波段水污染輻射特性與成像測試原理圖； 圖2本發(fā)明3mm波段水污染輻射特性與成像監(jiān)測技術(shù)流程圖； 圖3本發(fā)明方法實現(xiàn)的步驟流程圖4本發(fā)明3mm波段水污染輻射特性與成像測試裝置圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例如圖1、2、3所示。毫米波輻射系統(tǒng)工作波波長為3mm波段。3mm波段水污染輻射特性與成像測試裝置圖如圖1所示，一種運用基于毫米波輻射特性的水污染成像監(jiān)測方法的測試裝置，其特征在于測試裝置由以下部分構(gòu)成3mm波段天線接收水污染輻射信息；射頻低噪聲放大器把3mm波段天線接收水污染輻射信息放大；檢波電路位于射頻低噪放后，作用是檢出射頻低噪放的包絡(luò)信號；低頻放大器位于檢波電路后，作用是把檢波電路檢出的包絡(luò)信號進行低頻直流放大和交流放大兩種方式，其中直流放大方式用于輻射特性測試模式，交流放大方式用于輻射成像方式；定標裝置位于低頻放大器后，目的是把獲得的電壓值轉(zhuǎn)換為絕對溫度值；二維掃描裝置控制3mm波段天線進行一維和ニ維掃描；數(shù)據(jù)處理電路位于ニ維掃描裝置后，作用是對獲取的溫度圖像進行去噪預(yù)處理；圖像顯示位于數(shù)據(jù)處理電路，作用是顯示ニ維圖像；數(shù)據(jù)庫特征匹配是在顯示ニ維圖像后，對圖像的主要特征進行分析、計算并與3mm波段輻射特性的典型水污染源分類數(shù)據(jù)庫進行比較；綜合判別部分位于數(shù)據(jù)庫特征匹配后，作用是對整個流程獲取的 3mm波段輻射特性測試和成像信息進行判定，得出水污染的污染狀況；污染水體的典型分類是在系統(tǒng)進行3mm波段輻射特性測試和成像之前就已經(jīng)建立起來的數(shù)據(jù)庫，污染水域的 3mm波段輻射典型污染源包括水面植物、水面油污、水體懸浮物、污水混合液和高溫污水五大類。其中采用3mm波段天線，波束寬度為0.4°，掃描范圍為180° X120。，可采用地基、星載或機載監(jiān)測；采用3mm波段射頻低噪聲放大器，頻率范圍90-100GHZ，噪聲系數(shù) 3. 5dB ；檢波電路檢出包絡(luò)信號；低頻放大器采用交流和直流兩種模式，可以根據(jù)要求輻射特性測試與成像進行切換；定標裝置把電壓信號化為溫度信號；利用ニ維掃描裝置進行掃描成像，其中每行掃描成像時間小于3秒鐘；數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)采集和處理電路、圖像顯示電路、數(shù)據(jù)庫特征匹配。以上電路的功能就是對水污染的3mm波段輻射信息進行綜合判別。3mm波段水污染輻射特性與成像監(jiān)測技術(shù)流程圖如圖2所示，本發(fā)明的目的是利用毫米波性測量確定水污染物的性質(zhì)類別，并利用無源毫米波輻射成像的方法對污染水域進行被動毫米波成像。本發(fā)明是ー種基于毫米波輻射特性的水污染成像監(jiān)測方法，分為3mm 波段輻射特性測試和成像兩種模式，通過綜合采用輻射特性分析和輻射成像結(jié)合的方法綜合判別水污染狀況。如圖3所示，其特征在于主要由以下步驟實現(xiàn)步驟一建立3mm波段輻射特性的典型水污染源分類數(shù)據(jù)庫； 步驟二 采用毫米波輻射計利用其輻射特性測試模式獲取污染水域3mm波段輻射亮度溫度特征信息；
步驟三把獲取的3mm波段輻射亮度溫度特征信息經(jīng)定標換算為亮度溫度值； 步驟四利用成像模式獲取污染水域的3mm波段輻射圖像并進行預(yù)處理去噪； 步驟五提取污染水域的3mm波段輻射圖像特征并計算面積； 步驟六根據(jù)步驟三和步驟五的結(jié)果綜合采用輻射特性分析和輻射成像結(jié)合的方法判定污染水域的污染源類型、分布和面積信息。 被動毫米波圖像具有全天時全天候的工作能力，而且根據(jù)自然目標的輻射進行成像，可以準確的反映出成像目標的形態(tài)、大小；另外自然界中的自然物體具有各自的典型毫米波輻射特性，這也可以作為判別目標種類的依據(jù)。用于監(jiān)測水污染的3mm波段輻射特性分析與成像監(jiān)測的具體技術(shù)流程圖如圖2所示，制定的技術(shù)路線分為兩路進行一路是進行一維3mm波段輻射特性測量和分析，可以先期研究不同季節(jié)、天氣和大氣傳輸與衰減特性下的水域和典型污染物的輻射特性并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，利用輻射計獲得的測量數(shù)據(jù)即天線溫度經(jīng)定標后反演為輻射亮溫，根據(jù)目標輻射亮溫的特性可以判別目標的屬于已建數(shù)據(jù)庫中目標的種類。另一路以二維掃描裝置進行3mm波段輻射成像和圖像特征監(jiān)測，利用無源毫米波掃描成像系統(tǒng)獲取污染水域的毫米波輻射圖像并顯示出來，再利用形態(tài)學復(fù)合濾波去噪，圖像增強與圖像復(fù)原，獲取圖像特征，進而可以判別出污染水域的范圍和面積大小。然后綜合利用污染水域的3mm波段輻射特性和污染圖像特征，可以精確獲得污染水域中污染源的性質(zhì)、范圍和覆蓋面積，尤其是該方法具有全天時全天候的工作能力，可以在各類煙、霧、靄狀態(tài)下正常工作。毫米波尤其是3mm波段輻射特性和成像監(jiān)測系統(tǒng)可以作為陸基、機載和星載應(yīng)用，可以滿足治理水污染中各種實際應(yīng)用條件，具有搭載平臺的通用性。 本發(fā)明的效果是經(jīng)過兩路技術(shù)實現(xiàn)方法的綜合分析和歸納，可以確定水污染源的基本類別和分布范圍，為將來的水污染治理提供科學依據(jù)和實驗支撐。
權(quán)利要求
1.ー種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法，其特征在于通過3mm波段輻射特性測試和成像兩種模式獲取污染水域信息，綜合采用輻射特性分析和輻射成像結(jié)合的方法綜合判別水污染狀況；主要由以下步驟實現(xiàn)步驟ー建立3mm波段輻射特性的典型水污染源分類數(shù)據(jù)庫；步驟ニ 采用毫米波輻射計利用其輻射特性測試模式獲取污染水域3mm波段輻射亮度溫度特征信息；步驟三把獲取的3mm波段輻射亮度溫度特征信息經(jīng)定標換算為亮度溫度值；步驟四利用成像模式獲取污染水域的3mm波段輻射圖像并進行預(yù)處理去噪；步驟五提取污染水域的3mm波段輻射圖像特征并計算面積；步驟六根據(jù)步驟三和步驟五的結(jié)果綜合采用輻射特性分析和輻射成像結(jié)合的方法判定污染水域的污染源類型、分布和面積信息。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的ー種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法，其特征在于，步驟一中的典型水污染源分類數(shù)據(jù)庫基于水面植物、水面油污，水體其它懸浮物， 污水混合液和異常高溫污水的分類方法建立水污染源分類數(shù)據(jù)庫。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的ー種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法，其特征在于，步驟ニ中的輻射特性測試模式是指系統(tǒng)中測試典型污染源的亮度溫度特征。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的ー種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法，其特征在于，步驟四中的成像模式采用交流成像模式。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的ー種基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法，其特征在于，步驟六中的輻射特性分析是指根據(jù)亮度溫度值特征確定典型污染源的歸類屬性。
6.一種運用基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法的測試裝置，其特征在于測試裝置包括依次連接的3mm波段天線、射頻低噪聲放大器、檢波電路、低頻放大器， 低頻放大器一路與ニ維掃描裝置連接，低頻放大器另一路定標裝置連接；ニ維掃描裝置與圖像顯示電路連接，圖像顯示電路與計算機連接；定標裝置與數(shù)據(jù)處理電路連接，數(shù)據(jù)處理電路與數(shù)據(jù)庫特征匹配電路連接，數(shù)據(jù)庫特征匹配電路與計算機連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種運用基于毫米波輻射特性的3mm波段水污染成像監(jiān)測方法的測試裝置，其特征在干，其中低頻放大器采用選通低放，具有直流放大和交流放大兩種工作模式，其中直流放大方式用于輻射特性測試模式，交流放大方式用于輻射成像方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于毫米波輻射特性的水污染檢測方法及裝置，該方法包括建立水污染源庫、輻射特性測試、輻射信息定標、獲取輻射圖像、提取計算面積和污染狀況判定等步驟；該裝置包括依次連接的3mm波段天線、射頻低噪聲放大器、檢波電路、低頻放大器，低頻放大器一路與二維掃描裝置連接，低頻放大器另一路定標裝置連接；二維掃描裝置與圖像顯示電路連接，圖像顯示電路與計算機連接；定標裝置與數(shù)據(jù)處理電路連接；數(shù)據(jù)處理電路與數(shù)據(jù)庫特征匹配電路連接，數(shù)據(jù)庫特征匹配電路與計算機連接，本發(fā)明具有全天時全天候的工作性能，且克服了紅外、光學對物體種類、性質(zhì)不能準確識別的缺陷，可以獲得與雷達散射圖像性質(zhì)互補的輻射圖像信息。
文檔編號G01N22/00GK102539450SQ20111044960
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者付貴榮, 婁國偉, 張光鋒, 朱莉, 李興國, 李躍華, 王虹, 秦文杰 申請人:南京理工大學