专利名称：基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染监测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及毫米波目标辐射特性相关研究领域，特别是一种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染监测方法及装置。
背景技术：
随着经济和社会的快速发展，世界范围内水污染问题越来越突出。引起水环境污染加剧的原因，除了由于人口急剧增加导致生活污水排放量增加外，最主要的原因是部分工矿企业污废水的违法、违规排放。水污染遥感监测具有快速、宏观、实时的特点，其数据能直观反映水污染在区域上的分布情况，是对大面积水域的污染情况进行监测的有效途径。但是国内对水污染卫星遥感监测技术只停留在研究阶段，尚未有在实际监测中应用的实例。除了先进的水污染治理方式和理念，欧美发达国家采用飞机、卫星搭载光学、红外、微波等多种波段、谱段传感器系统进行观测与分析。在水质遥感监测中常用的多光谱遥感数据，包括美国Landsat卫星的MSS、TM、ETM+数据，法国SPOT卫星的HRV数据，气象卫星 NOAA的AVHRR数据，印度遥感IRS系统的LISS数据，日本JERS卫星的OPS (光学传感器) 接收的多光谱图像数据，中巴地球资源1号卫星(CBERS--l)CXD相机数据等。近几十年来， 国际上水体污染遥感监测工作主要围绕建立遥感定量模式展开，重点是利用Landsat，SP0T 和气象卫星等提供的不同空间分辨率、时间分辨率及光谱分辨率的遥感影像，通过现场光谱测试及准同步采样，建立不同类型的水体污染的统计和监测。而毫米波探测具有全天时全天候的性能，可获取恶劣天气、环境下可见光与红外探测器不能获取的特殊信息，所以在未来的发展中应该重视起微波遥感数据的获取与应用。目前遥感水质监测的波段范围小，多集中于可见光和近红外波段范围，而且光谱分辨率大小不等，尤其是缺乏微波、毫米波波段表面水质的研究。各种卫星所携带的遥感仪器主要集中在光学和红外波段，根据所传回的遥感数据。对于白天晴朗天气，光学传感器因其高分辨率有着一定优势；对于黑夜和阴雨天气，可见光和红外传感器收到很大干扰，这时毫米波遥感仪器，如辐射计、散射计、高度计等，有着不可替代的地位；对于探测水面温度时，热红外波段的传感器有一定的优越性。与国外先进国家相比，我国毫米波遥感数据所占比重较低，而毫米波具有更短的波长、具有全天时全天候的性能，可获取恶劣天气、环境下可见光与红外探测器不能获取的特殊信息，所以在未来的发展中应该重视起微波数据的获取与应用。与雷达散射信息互补，微波尤其是无源毫米波成像在水污染监测领域的具有广阔的应用前景，本发明就是提出利用水污染目标特性分析、污染源的成像处理与特征提取技术作为水污染监测对象，可弥补国内相关领域的薄弱环节。因此，该项发明立足于无源微波 (毫米波)辐射技术与理论，根据水污染治理领域的实际需要，利用3mm波段无源毫米波成像系统获取典型水污染区域的毫米波辐射测量数据和毫米波辐射图像，通过分析污染水域的 3mm波段无源毫米波辐射亮温特性，结合污染水域的3mm波段无源毫米波成像、图像处理和特征提取，综合判别该污染水域的污染源类别和范围状态。该发明加速无源毫米波辐射特性测量与成像技术水域环境监测等潜在应用具有重要的社会现实意义和重大实用经济价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不受时间、天气和气候影响，具有全天时全天候的工作性能，可以在各类烟、雾、霭状态下正常工作，且克服了红外、光学对物体种类、性质不能准确识别的缺陷，可以获得与雷达散射图像性质互补的辐射图像信息的基于毫米波辐射特性的水污染监测方法及装置。实现本发明目的的技术解决方案为
一种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法，通过3mm波段辐射特性测试和成像两种模式获取污染水域信息，综合采用辐射特性分析和辐射成像结合的方法综合判别水污染状况；主要由以下步骤实现
步骤一建立3mm波段辐射特性的典型水污染源分类数据库； 步骤二 采用毫米波辐射计利用其辐射特性测试模式获取污染水域3mm波段辐射亮度温度特征信息；
步骤三把获取的3mm波段辐射亮度温度特征信息经定标换算为亮度温度值； 步骤四利用成像模式获取污染水域的3mm波段辐射图像并进行预处理去噪； 步骤五提取污染水域的3mm波段辐射图像特征并计算面积； 步骤六根据步骤三和步骤五的结果综合采用辐射特性分析和辐射成像结合的方法判定污染水域的污染源类型、分布和面积信息。一种运用基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法的测试装置，包括依次连接的3mm波段天线、射频低噪声放大器、检波电路、低频放大器，低频放大器一路与二维扫描装置连接，低频放大器另一路定标装置连接；二维扫描装置与图像显示电路连接， 图像显示电路与计算机连接；定标装置与数据处理电路连接；数据处理电路与数据库特征匹配电路连接，数据库特征匹配电路与计算机连接。本发明与现有技术相比，其显著优点
(1)水污染传感器主要集中在光学、红外波段，微波尤其是无源毫米波成像在遥感领域的相关研究尚未达到实用化的程度，因此预先开展水污染目标特性建模、污染源的成像处理与特征提取相关技术作为研究对象，可弥补相关领域的薄弱研究环节。(2)无源毫米波探测具有全天时全天候的工作性能，可获取恶劣天气、环境下可见光与红外探测器不能获取的特殊信息。利用内陆水域污染源不同的毫米波辐射特性，把典型水污染物的辐射亮温作为分类的依据，并引入毫米波辐射成像与图像特征识别依据，可以为水污染源目标信息的准确判决提供科学依据。( 3 )目前常规水质遥感监测波段范围多数选择在可见光、红外或者雷达方式，尤其是缺乏微波波段表面水质辐射的研究情况。毫米波辐射作为一种能获取特殊信息的技术手段，可以与可见光、红外或者雷达方式获取的信息进行比较和互补。(4)与其它自然地物相比，水具有显著不同微波辐射特征(亮温低，冷目标)，水面的油污、植被、水中含盐度、水温等具有显著特定的辐射特性。预先研究典型水域污染源的微波辐射特性、定量分析和成像识别方法，可为水污染领域治理方面提供ー种新方法和有效技术手段。下面结合附图对本发明作进ー步详细描述。
图1本发明3mm波段水污染辐射特性与成像测试原理图； 图2本发明3mm波段水污染辐射特性与成像监测技术流程图； 图3本发明方法实现的步骤流程图4本发明3mm波段水污染辐射特性与成像测试装置图。
具体实施例方式本发明实施例如图1、2、3所示。毫米波辐射系统工作波波长为3mm波段。3mm波段水污染辐射特性与成像测试装置图如图1所示，一种运用基于毫米波辐射特性的水污染成像监测方法的测试装置，其特征在于测试装置由以下部分构成3mm波段天线接收水污染辐射信息；射频低噪声放大器把3mm波段天线接收水污染辐射信息放大；检波电路位于射频低噪放后，作用是检出射频低噪放的包络信号；低频放大器位于检波电路后，作用是把检波电路检出的包络信号进行低频直流放大和交流放大两种方式，其中直流放大方式用于辐射特性测试模式，交流放大方式用于辐射成像方式；定标装置位于低频放大器后，目的是把获得的电压值转换为绝对温度值；二维扫描装置控制3mm波段天线进行一維和ニ维扫描；数据处理电路位于ニ维扫描装置后，作用是对获取的温度图像进行去噪预处理；图像显示位于数据处理电路，作用是显示ニ维图像；数据库特征匹配是在显示ニ维图像后，对图像的主要特征进行分析、计算并与3mm波段辐射特性的典型水污染源分类数据库进行比较；综合判別部分位于数据库特征匹配后，作用是对整个流程获取的 3mm波段辐射特性测试和成像信息进行判定，得出水污染的污染状況；污染水体的典型分类是在系统进行3mm波段辐射特性测试和成像之前就已经建立起来的数据库，污染水域的 3mm波段辐射典型污染源包括水面植物、水面油污、水体悬浮物、污水混合液和高温污水五大类。其中采用3mm波段天线，波束宽度为0.4°，扫描范围为180° X120。，可采用地基、星载或机载监测；采用3mm波段射频低噪声放大器，频率范围90-100GHZ，噪声系数 3. 5dB ；检波电路检出包络信号；低频放大器采用交流和直流两种模式，可以根据要求辐射特性测试与成像进行切換；定标装置把电压信号化为温度信号；利用ニ维扫描装置进行扫描成像，其中每行扫描成像时间小于3秒钟；数据处理部分包括数据采集和处理电路、图像显示电路、数据库特征匹配。以上电路的功能就是对水污染的3mm波段辐射信息进行综合判別。3mm波段水污染辐射特性与成像监测技术流程图如图2所示，本发明的目的是利用毫米波性測量确定水污染物的性质类别，并利用无源毫米波辐射成像的方法对污染水域进行被动毫米波成像。本发明是ー种基于毫米波辐射特性的水污染成像监测方法，分为3mm 波段辐射特性测试和成像两种模式，通过综合采用辐射特性分析和辐射成像结合的方法综合判別水污染状況。如图3所示，其特征在于主要由以下步骤实现步骤一建立3mm波段辐射特性的典型水污染源分类数据库； 步骤二 采用毫米波辐射计利用其辐射特性测试模式获取污染水域3mm波段辐射亮度温度特征信息；
步骤三把获取的3mm波段辐射亮度温度特征信息经定标换算为亮度温度值； 步骤四利用成像模式获取污染水域的3mm波段辐射图像并进行预处理去噪； 步骤五提取污染水域的3mm波段辐射图像特征并计算面积； 步骤六根据步骤三和步骤五的结果综合采用辐射特性分析和辐射成像结合的方法判定污染水域的污染源类型、分布和面积信息。 被动毫米波图像具有全天时全天候的工作能力，而且根据自然目标的辐射进行成像，可以准确的反映出成像目标的形态、大小；另外自然界中的自然物体具有各自的典型毫米波辐射特性，这也可以作为判别目标种类的依据。用于监测水污染的3mm波段辐射特性分析与成像监测的具体技术流程图如图2所示，制定的技术路线分为两路进行一路是进行一维3mm波段辐射特性测量和分析，可以先期研究不同季节、天气和大气传输与衰减特性下的水域和典型污染物的辐射特性并建立相应的数据库，利用辐射计获得的测量数据即天线温度经定标后反演为辐射亮温，根据目标辐射亮温的特性可以判别目标的属于已建数据库中目标的种类。另一路以二维扫描装置进行3mm波段辐射成像和图像特征监测，利用无源毫米波扫描成像系统获取污染水域的毫米波辐射图像并显示出来，再利用形态学复合滤波去噪，图像增强与图像复原，获取图像特征，进而可以判别出污染水域的范围和面积大小。然后综合利用污染水域的3mm波段辐射特性和污染图像特征，可以精确获得污染水域中污染源的性质、范围和覆盖面积，尤其是该方法具有全天时全天候的工作能力，可以在各类烟、雾、霭状态下正常工作。毫米波尤其是3mm波段辐射特性和成像监测系统可以作为陆基、机载和星载应用，可以满足治理水污染中各种实际应用条件，具有搭载平台的通用性。 本发明的效果是经过两路技术实现方法的综合分析和归纳，可以确定水污染源的基本类别和分布范围，为将来的水污染治理提供科学依据和实验支撑。
权利要求
1.ー种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法，其特征在于通过3mm波段辐射特性测试和成像两种模式获取污染水域信息，综合采用辐射特性分析和辐射成像结合的方法综合判别水污染状况；主要由以下步骤实现步骤ー建立3mm波段辐射特性的典型水污染源分类数据库；步骤ニ 采用毫米波辐射计利用其辐射特性测试模式获取污染水域3mm波段辐射亮度温度特征信息；步骤三把获取的3mm波段辐射亮度温度特征信息经定标換算为亮度温度值；步骤四利用成像模式获取污染水域的3mm波段辐射图像并进行预处理去噪；步骤五提取污染水域的3mm波段辐射图像特征并计算面积；步骤六根据步骤三和步骤五的结果综合采用辐射特性分析和辐射成像结合的方法判定污染水域的污染源类型、分布和面积信息。
2.根据权利1所述的ー种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法，其特征在于，步骤一中的典型水污染源分类数据库基于水面植物、水面油污，水体其它悬浮物， 污水混合液和异常高温污水的分类方法建立水污染源分类数据库。
3.根据权利1所述的ー种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法，其特征在于，步骤ニ中的辐射特性测试模式是指系统中测试典型污染源的亮度温度特征。
4.根据权利1所述的ー种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法，其特征在于，步骤四中的成像模式采用交流成像模式。
5.根据权利1所述的ー种基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法，其特征在于，步骤六中的辐射特性分析是指根据亮度温度值特征确定典型污染源的归类属性。
6.一种运用基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法的测试装置，其特征在于测试装置包括依次连接的3mm波段天线、射频低噪声放大器、检波电路、低频放大器， 低频放大器一路与ニ维扫描装置连接，低频放大器另一路定标装置连接；ニ维扫描装置与图像显示电路连接，图像显示电路与计算机连接；定标装置与数据处理电路连接，数据处理电路与数据库特征匹配电路连接，数据库特征匹配电路与计算机连接。
7.根据权利要求6所述的ー种运用基于毫米波辐射特性的3mm波段水污染成像监测方法的测试装置，其特征在干，其中低频放大器采用选通低放，具有直流放大和交流放大两种工作模式，其中直流放大方式用于辐射特性测试模式，交流放大方式用于辐射成像方式。
全文摘要
本发明公开了一种基于毫米波辐射特性的水污染检测方法及装置，该方法包括建立水污染源库、辐射特性测试、辐射信息定标、获取辐射图像、提取计算面积和污染状况判定等步骤；该装置包括依次连接的3mm波段天线、射频低噪声放大器、检波电路、低频放大器，低频放大器一路与二维扫描装置连接，低频放大器另一路定标装置连接；二维扫描装置与图像显示电路连接，图像显示电路与计算机连接；定标装置与数据处理电路连接；数据处理电路与数据库特征匹配电路连接，数据库特征匹配电路与计算机连接，本发明具有全天时全天候的工作性能，且克服了红外、光学对物体种类、性质不能准确识别的缺陷，可以获得与雷达散射图像性质互补的辐射图像信息。
文档编号G01N22/00GK102539450SQ20111044960
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者付贵荣, 娄国伟, 张光锋, 朱莉, 李兴国, 李跃华, 王虹, 秦文杰 申请人:南京理工大学