基于透射光譜的水體含沙量在線監(jiān)測技術(shù)研究

楊華東, 朱 浩, 王紫超, 劉志昂

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040 2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100032

引 言

水體含沙量監(jiān)測一直是沉井基礎(chǔ)等水下工程施工及水文觀測的重要內(nèi)容，能夠?qū)崟r有效地監(jiān)測水體含沙量對于指導(dǎo)水下工程施工、模擬河道淤積形態(tài)和監(jiān)測水中建筑安全等方面具有重要價值。

現(xiàn)有的水體含沙量監(jiān)測方法主要有人工測量和儀器監(jiān)測兩大類[1]。人工測量主要包括烘干測量法和置換測量法兩種，烘干法是通過測量一定體積樣品烘干后的含沙質(zhì)量得到樣品含沙量，置換法是通過比重瓶渾水重減去清水重再乘置換系數(shù)來確定含沙量，范少英等對置換法進(jìn)行了優(yōu)化以適應(yīng)在線監(jiān)測需求[2]，但人工測量效率低下和監(jiān)測時效性問題仍然難以達(dá)到要求。因此近年來應(yīng)用各種原理進(jìn)行含沙量監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)的研究逐漸興起，包括γ射線法、電容差壓法[3]、超聲波法[4]、激光法[5]、振動法[6]、遙感法[7]等，取得了一定的研究成果。劉明堂等提出的基于Kalman-PNN協(xié)同融合和電容電差法的懸移質(zhì)含沙量測量，平均絕對誤差為11.72 kg·m-3，較常規(guī)數(shù)據(jù)模型提高了測量精度[8]；但上述測量方法在安全性、穩(wěn)定性和測量量程上各有缺點，而基于直接透射光譜進(jìn)行溶液介質(zhì)含量監(jiān)測的方法，具有無需化學(xué)試劑、無需預(yù)處理、在線分析速度快、實時自動監(jiān)測等諸多優(yōu)點，在含沙量監(jiān)測上具有顯著優(yōu)勢[9]。但在實際應(yīng)用中, 由于光源的不穩(wěn)定和外界的雜散光的干擾，極易產(chǎn)生光譜噪聲，影響光譜的準(zhǔn)確性，另外對特征波長的選取及相應(yīng)特征信號的提取也是透射光譜法進(jìn)行含沙量測量的關(guān)鍵。因此基于直接透射光譜技術(shù)設(shè)計了水體含沙量在線監(jiān)測系統(tǒng)，并重點研究對水體含沙量透射光譜的光譜處理技術(shù)，實現(xiàn)水體含沙量大量程、快速、實時在線監(jiān)測。

1 測量原理

基于直接透射光譜進(jìn)行水體含沙量監(jiān)測的基本原理其實是測量水體吸光度，它遵循朗伯-比爾定律，即當(dāng)一束平行光通過均勻的、無散射的吸光溶液時，光的吸收程度與溶液的濃度及光走過的路程有關(guān)，且兩者成正比[10]，可表示為

Aλ=ελcl

(1)

式(1)中，Aλ為物質(zhì)在波長λ處的吸光度，ελ為波長λ處物質(zhì)的消光系數(shù)，c為含沙量溶液的濃度(即含沙量濃度)，l為吸收光程。

同時，物質(zhì)在波長λ處的吸光度又可以表示為

(2)

式(2)中，I0為入射光強(qiáng)度；I為透射光強(qiáng)度。

結(jié)合式(1)和式(2)，考慮對同一積分時間，入射光強(qiáng)度為定值，ελ對確定波長也為定值，同一系統(tǒng)光程也為定值，可以得到含沙量與透射光強(qiáng)度的關(guān)系為

c=alog10I+b

(3)

(4)

(5)

其中，a和b均為常數(shù)。

從式(3)可知，水體含沙量與透射光譜的強(qiáng)度對數(shù)值成線性反比關(guān)系，因此可以通過直接測量透射光譜強(qiáng)度，再根據(jù)標(biāo)定曲線，來求出水體含沙量。

2 實驗部分

基于以上測量原理，搭建了如圖1所示的水體含沙量在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包含有寬譜鹵素?zé)艄庠?、入射光纖、探頭、出射光纖、光衰減器、微型光譜儀和信號處理單元。寬譜鹵素?zé)艄庠吹牟ǘ畏秶鸀?60～2 500 nm；微型光譜儀的波長探測范圍為200～1 100 nm，波長間隔0.26 nm，采樣點數(shù)3 648個點；前期實驗室標(biāo)定測試時，探頭采用5 mm的標(biāo)準(zhǔn)光程比色皿代替。

圖1 基于透射光譜的水體含沙量在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 透射光譜數(shù)據(jù)獲取

首先選取5 mm光程比色皿和標(biāo)準(zhǔn)比色皿支架代替在線探測探頭，比色皿兩端設(shè)置一組準(zhǔn)直透鏡，分別與入射光纖和出射光纖連接，根據(jù)含沙量濃度設(shè)置微型光譜儀積分時間，保證光譜強(qiáng)度不超過可探測最大強(qiáng)度值的80%。光源功率設(shè)置在最大值，并在測試之前預(yù)熱30 min，保證出射光功率穩(wěn)定性。

標(biāo)準(zhǔn)含沙量溶液配制步驟如下：

(1)取沙土進(jìn)行過篩，去除雜質(zhì)，留細(xì)沙土進(jìn)行烘干；

(2)取玻璃杯一只進(jìn)行烘干處理，將烘干后的玻璃杯放在天平上，天平歸零，天平精度0.001 g；

(3)取1 g干燥沙土放入杯中，先用量杯加98 g水，再用滴管緩慢滴入水至杯中到100 g，這樣就制成了含砂量為1%的標(biāo)準(zhǔn)液體。

按照上述步驟分別制備不同含沙量的標(biāo)準(zhǔn)液體。由于含沙溶液易沉淀，因此在實際測量過程中采用現(xiàn)標(biāo)現(xiàn)配的方案，以保證測試準(zhǔn)確性。

首先設(shè)置光譜儀的積分時間為1 ms，分別測試1%～3%的含沙量溶液，均出現(xiàn)光強(qiáng)飽和情況，此處不贅述，可通過增加光程或減小入射光功率來解決。本文主要立足高濃度含沙量溶液的測量。因此從4%含沙量溶液開始進(jìn)行測量。各濃度含沙量設(shè)置的積分時間如表1所示。

獲得的不同含沙量溶液的透射光譜如圖2所示。

表1 不同含沙量溶液的積分時間設(shè)置

圖2 不同含沙量溶液的透射光譜

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由圖2可知，當(dāng)積分時間加長時，光譜儀暗噪聲增大，光譜曲線出現(xiàn)毛刺，直接取強(qiáng)度值進(jìn)行計算，可能會帶來誤差。在眾多去噪算法中，基于小波分析原理的閾值去噪算法，可將信號進(jìn)行多尺度分解為高頻和低頻系數(shù)，然后設(shè)置閾值函數(shù)根據(jù)有效信號和噪聲在分解后表現(xiàn)出的特性差異進(jìn)行區(qū)分，最后重構(gòu)小波系數(shù)逆變換后得到去噪信號，在多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[11-13]。因此本文采用小波閾值去噪的方式來降低噪聲帶來的誤差[14]。閾值去噪中閾值的選擇影響信號的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確度，目前在眾多領(lǐng)域都有相關(guān)研究[15-16]。實驗發(fā)現(xiàn)使用sym7小波基，極小極大閾值選擇規(guī)則和7次小波分解次數(shù)最合適。既能有效去除噪聲，又能保證光譜不變形。圖3分別是1 000 ms積分時間下22%含沙量溶液的原始透射光譜和小波閾值去噪獲得的透射光譜。

圖3 原始透射光譜(a)和預(yù)處理后的透射光譜(b)

2.3 標(biāo)定處理

在得到不同含沙量溶液的透射光譜后，進(jìn)行含沙量與透射光強(qiáng)度之間的關(guān)系標(biāo)定。為避免可見光對測量結(jié)果的影響，因此選擇近紅外波段的波長點作為待測波長。同時為了避免單個波長點帶來的偶然誤差，本文選取三個波長點作為測量波長點，分別為800.17，850.24和900.14 nm。

首先標(biāo)定4%～8%的含沙量溶液，根據(jù)得到的4%～8%的含沙量溶液原始透射光譜，采用小波閾值去噪處理后，

表2 4%～8%含沙量溶液的透射光譜強(qiáng)度

取800.17，850.24和900.14 nm三個波長點透射光譜強(qiáng)度值，并取對數(shù)處理，保留三位小數(shù)，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到4%到8%含沙量溶液的標(biāo)定曲線如圖4所示。

圖4 4%～8%含沙量溶液標(biāo)定曲線

由曲線可知，4%～8%的含沙量溶液在800.17，850.24和900.14 nm三個波長點的標(biāo)定擬合曲線均呈線性，R2分別為0.995 8，0.993 5和0.995 2。

同樣的方式可以得到8%～14%及14%～22%含沙量溶液的標(biāo)定曲線。

對8%～14%及14%～22%含沙量溶液透射光譜進(jìn)行去噪處理后取三個波長點的透射光強(qiáng)度，取對數(shù)處理。結(jié)果如表3和表4所示。

表3 8%～14%含沙量溶液的透射光譜強(qiáng)度

表4 14%～22%含沙量溶液的透射光譜強(qiáng)度

根據(jù)表3數(shù)據(jù)得到8%～14%含沙量溶液的標(biāo)定曲線如圖5所示。

圖5 8%～14%含沙量溶液標(biāo)定曲線

由曲線可知，8%～14%的含沙量溶液在800.17，850.24和900.14 nm三個波長點的標(biāo)定擬合曲線均呈線性，R2分別為0.996 7，0.997 4和0.996。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)得到14%～22%含沙量溶液的標(biāo)定曲線如圖6所示。

由曲線可知，14%～22%的含沙量溶液在800.17，850.24和900.14 nm三個波長點的標(biāo)定擬合曲線均呈線性，R2值分別為0.998 5，0.997 8和0.998 3。

圖6 14%～22%含沙量溶液標(biāo)定曲線

3 結(jié)果與討論

在完成標(biāo)定試驗以后，本文進(jìn)行了解調(diào)算法的設(shè)計及實際測量試驗。

為了能實現(xiàn)大量程含沙量的測量，需要設(shè)計相應(yīng)解調(diào)算法將以上標(biāo)定的三段標(biāo)定曲線結(jié)合，實現(xiàn)從4%含沙量到22%含沙量的全量程自動測量。具體算法流程圖如圖7(a—d)所示。

關(guān)鍵步驟為：

(1)采集參數(shù)設(shè)置，包括積分時間、平均次數(shù)等，這將作為后續(xù)進(jìn)行標(biāo)定曲線選擇的判定；

(2)數(shù)據(jù)判定，此步驟包括對光譜強(qiáng)度的判定，以確認(rèn)光譜強(qiáng)度是否過大或過小，并進(jìn)行反饋；同時也要根據(jù)設(shè)置的積分時間來判定不同的標(biāo)定函數(shù)選擇；

(3)計算含沙量，此步驟會將800.17，850.24和900.14 nm三個波長點標(biāo)定函數(shù)求得的含沙量結(jié)果做平均運(yùn)算，輸出最終結(jié)果值。

通過上述解調(diào)算法的設(shè)計與實現(xiàn)，可以實現(xiàn)含沙量溶液的大量程實時監(jiān)測。為檢驗測量精度，本文進(jìn)行了實際測量驗證。

按照上述所說的標(biāo)準(zhǔn)液體配制方法，隨機(jī)配置了三種含沙量的溶液，然后使用按照解調(diào)算法流程編制好的解調(diào)軟件進(jìn)行實際測量，每種溶液測量三次。結(jié)果如表5所示。

圖7 含沙量解調(diào)算法流程圖

表5 含沙量實際測量結(jié)果

由表5中的數(shù)據(jù)可以看出最大誤差為0.38%，最小誤差為0.02%，求出全量程誤差均值為0.173%，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.115%。

4 結(jié) 論

基于直接透射光譜測量，設(shè)計了水體含沙量在線監(jiān)測系統(tǒng)，理論分析了透射光強(qiáng)度與水體含沙量之間的關(guān)系，利用小波去噪技術(shù)預(yù)處理透射光譜，消除光譜毛刺噪聲對測量結(jié)果的影響。采用多波長標(biāo)定法對透射光強(qiáng)與水體含沙量之間的關(guān)系進(jìn)行了分段標(biāo)定，三個波長點的9個標(biāo)定曲線表面透射光強(qiáng)對數(shù)值與水體含沙量均呈線性關(guān)系，R2值基本都在0.995以上，線性度良好。設(shè)計了大量程含沙量解調(diào)程序，實現(xiàn)4%～22%含沙量的全量程在線監(jiān)測，并進(jìn)行試驗驗證，最大測量誤差為0.38%，最小測量誤差為0.02%，求出全量程誤差均值為0.173%，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.115%。表明本文設(shè)計的基于透射光譜的水體含沙量在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)大量程、高準(zhǔn)確度的含沙量穩(wěn)定測量，具備工程應(yīng)用的潛力和價值。