CN101710186B - 基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统，由非接触昆虫电荷传感器、数字信号处理单元、主控及数据显示传输单元、数据接收和存储单元、电源单元组成。该系统通过对昆虫电荷进行采集，然后通过数字信号处理系统对昆虫电荷信号进行处理，提取昆虫的特征信号进行模式匹配和比对分析，并且通过对信号强弱的变化，获得昆虫的位置信息，可以实现对昆虫的探测定位和精确高效扑杀。利用本发明可以对植物根茎等区域进行电场测量，对数据进行分析和处理，从而来判断其内部是否隐藏着害虫，并且确定其位置，在出入境口岸的有害昆虫检疫检验时也能发挥相当重要的作用。

Description

基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统

(一)技术领域

本发明涉及一种基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统，该系统通过对昆虫带电特性的测量分析和统计，可以实现对昆虫的探测定位和精确高效扑杀。

(二)背景技术

目前国内外没有基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统。

目前主要是通过音频或是近红外光谱的原理来对昆虫进行探测，但都是在研究阶段，没有达到实用化的水平。

(三)发明内容

本发明是基于非接触式的昆虫电荷测量来对昆虫电荷进行采集，然后通过数字信号处理系统对昆虫电荷信号进行处理，获得昆虫的位置信息。可以利用本发明过对植物根茎等区域进行电场测量，对数据进行分析和处理，从而来判断其内部是否隐藏着害虫，并且确定其位置，在出入境口岸的有害昆虫检疫检验时也能发挥相当重要的作用。

本系统由非接触昆虫电荷传感器、数字信号处理单元、主控及数据显示传输单元、数据接收和存储单元、电源单元组成。

非接触昆虫电荷传感器，由外壳，动作单元，电场测量单元，传感器控制单元组成。针对昆虫带电量小，电场弱的情况，应用电场动态感应原理实现对昆虫电荷的测量，采用了一种“睁闭眼”循环采样的准静电场测量装置作为传感器，所述的电场动态感应原理如下：

一个带电体周围会分布着电场，在电场E中放置一块金属导体，导体表面就会产生感应电荷，感生电荷密度为：

σ＝εKE

式中ε为空气中的介电常数(近似真空中的介电常数)，K是由于导体放入引起的电场畸变系数。如果金属导体的面积为S，则感应电荷量为：

q＝σS＝εKES

若感应导体对地的电容量为c，则产生的感应电压u为：

$u=\frac{q}{c}=\frac{\mathrm{\ϵKES}}{c}$

该金属导体通过一个电阻接地就会有电流流过，在电场变化时，测出这个电流的变化就可知道电场的变化。但在静电场中，电场基本不变或变化极为缓慢，要测量这种电场，必须使处在静电场中的导体内产生动态变化的电荷，为此可以采用某种方式对金属导体进行屏蔽和去屏蔽，从而产生动态的与电场相关的电流，从而测量得到电场，这就是电场动态感应原理。

其中：

所述的外壳为桶状结构，起到机械保护的电磁屏蔽的作用。内部放置动片、定片、屏蔽隔板一、伺服电机、伺服电机控制电源线屏蔽管、电源线及数据线屏蔽管、测量电路、屏蔽隔板二、信号线屏蔽管、接地游丝、动片转动轴、传感器控制单元；并且本系统各个单元间有屏蔽层，通过屏蔽线缆进行信号连接。外壳外面连接数字信号处理单元、主控及数据显示传输单元和电源单元。

所述的动作单元，由动片，伺服电机，接地游丝组成。动片为圆形，带扇形开口，扇形开口之间的未开口部分为同样角度的扇形，即动片是由相同大小的扇形开口和同为相同角度的扇形未开口部分相间隔均匀分布在圆周上。动片在伺服电机的带动下进行左右摆动，摆动角度为一个扇形开口的角度。伺服电机可以按照控制指令迅速的旋转一定角度。

所述的电场测量单元，由定片，测量电路组成。定片为敷铜板结构，其表面的敷铜部分是作为感应电荷的金属导体来用，敷铜部分形状与动片的扇形开口相对应。所述的测量电路由硬件信号保持系统、高阻抗跟随级，固定增益和可控增益放大级、滤波级、缓冲输出级、电压信号差分传输部分组成。

所述的传感器控制单元，控制伺服电机和测量电路的同步工作，对电场测量单元的信号进行采样，电场强度与电荷量的对应转化和对数字信号处理单元的数据传输。

所述的动片固定在动片转动轴上，动片转动轴穿过定片和屏蔽隔板一上的开口连接到伺服电机上，在伺服电机的上部与接地游丝相连接。伺服电机固定在屏蔽隔板二上面，并且通过伺服电机控制电源线屏蔽管与传感器控制单元相连接。定片通过高绝缘物体固定在屏蔽隔板一上面，并且通过信号线屏蔽管把信号传递给测量电路，测量电路与传感器控制单元共同放置在外壳与屏蔽隔板二构成的密封腔里。测量电路与传感器控制单元通过穿过外壳的电源线及数据线屏蔽管与外面的数字信号处理单元，主控及数据显示传输单元连接。

数字信号处理单元，是该发明的主要部分，通过对测量得到的电荷信号进行小波分析，提取昆虫的特征信号进行模式匹配和比对分析，并且通过对信号幅度强弱以及特征频率的变化分析得到昆虫的位置信息。

本装置对昆虫电荷信号的处理应用了小波分析：

在对昆虫电荷信号进行处理过程中，如果某函数ψ(t)满足以下条件：

$C_{\mathrm{\&Psi;}}={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}\frac{{\left|\mathrm{\&psi;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|}^2}{\left|\mathrm{\&omega;}\right|}\mathrm{d\&omega;}<\&infin;$

则小波定义如下：

$W_f(a,b)=<f,{\mathrm{\&Psi;}}_{a,b}>=\frac{1}{\sqrt{a}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}f\left(t\right)\mathrm{\&Psi;}\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}$

由上面的定义可见，连续小波 ${\mathrm{\&Psi;}}_{a,b}=\frac{1}{\sqrt{a}}\mathrm{\&Psi;}\left(\frac{t-b}{a}\right)$ 的作用与Gabor变换中的函数g(t-τ)e^-jωt相类似，参数b与参数τ都起平移作用。本质不同的是参数a与参数ω，后者的变化不改变“窗口”的g(t)的大小与形状，而前者的变化不仅改变连续小波的频谱结构，而且也会改变其窗口的大小与形状。这是因为由傅立叶变换的基本关系式(1)可见，随着a的减小，ψ_a，b(t)的频谱就向高频方向移动，而ψ_a，b(t)的宽度则越来越小。这就满足了信号频率高相应的窗口应该小，因而它在时间域上的分辨率亦高的要求。从滤波的角度来看，显然ψ_a，b(t)是一带通滤波器，当a取不同的值时，能得到一组带通滤波器及带通滤波器组。通过小波变换，可以将信号分解成不同的频段，在低频部分有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，比较适合对低频多噪声的昆虫电荷信号进行处理。

当通过小波分析提取出昆虫的特征电荷信号后，通过对该特征信号的强弱和频率偏移进行分析，可以对昆虫的位置进行计算，从而得到昆虫的位置信息。

主控及数据显示传输单元，对非接触昆虫电荷传感器的数据与数字信号处理单元进行接口控制，并且进行无线数据传输；数据显示部分对数字信号处理单元处理完的数据在显示屏上显示。

数据接收和存储单元，对无线发送的数据进行接收，并且在数据库中进行存储。

电源单元，提供系统所需的各电压轨的电源，并且保正电流和纹波及谐波参数满足系统需要，为标准电路构成。

该发明的创新点：

1基于电荷测量的对昆虫探测方式.

2对昆虫电荷的非接触式测量原理。

3非接触式昆虫电荷传感器的摆动式设计。

4对昆虫电荷信号的小波分析及定位计算。

(四)附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明系统结构图。

图3是本发明信号链图。

图1中1.非接触昆虫电荷传感器，2.数字信号处理单元，3.主控及数据显示传输单元，4.发射天线，5.接收天线，6.数据接收和存储单元，7.电源单元。

图2中2.数字信号处理单元，3.主控及数据显示传输单元，7.电源单元，8.定片，9.屏蔽隔板一，10.伺服电机，11.伺服电机控制电源线屏蔽管，12.传感器控制单元，13.电源线及数据线屏蔽管，14.测量电路，15.屏蔽隔板二，16.信号线屏蔽管，17.接地游丝，18.动片转动轴，19.外壳，20.动片。

图3中2.数字信号处理单元，3.主控及数据显示传输单元，4.发射天线，12.传感器控制单元，21.硬件信号保持电路，22.高阻抗跟随级，23.固定增益和可控增益放大级，24.滤波级，25.缓冲输出级，26.电压信号差分传输，27.控制信号通道。

(五)具体实施方式

基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统如图1所示，由非接触昆虫电荷传感器1、数字信号处理单元2、主控及数据显示传输单元3、数据接收和存储单元6、电源单元7组成。所述非接触昆虫电荷传感器1、数字信号处理单元2、主控及数据显示传输单元3、发射天线4、电源单元7之间通过屏蔽电缆连接。在发射天线4与接收天线5之间是无线数据传输，接收天线5与数据接收和存储单元6之间是屏蔽电缆连接。

非接触昆虫电荷传感器1中动片20固定在动片转动轴18上，动片转动轴18穿过定片8和屏蔽隔板9上的开口连接到伺服电机10上，在伺服电机10的上部与接地游丝17相连接。伺服电机10固定在屏蔽隔板二15上面，并且通过伺服电机控制电源线屏蔽管11与传感器控制单元12相连接。定片8通过高绝缘物体固定在屏蔽隔板一9上面，并且通过信号线屏蔽管16把信号传递给测量电路14，测量电路14与传感器控制单元12共同放置在外壳19与隔板二15构成的密封腔里。测量电路14与传感器控制单元12通过穿过外壳19的电源线及数据线屏蔽管13和外面的主控及数据显示传输单元3相连接。

非接触昆虫电荷传感器1，可以通过机械斩波把昆虫的电荷信号调制为交流信号进行非接触的测量，并且通过特殊设计提高了测量灵敏度和信噪比。

其信号链如图3所示，非接触昆虫电荷传感器1接收的信号经过机械斩波的交流调制电荷信号，传送给硬件信号保持电路21，然后传递给高阻抗跟随级22，经过缓冲后把信号传递给固定增益和可控增益放大级23，进行增益放大，其控制信号来自传感器控制单元6，然后把电压信号经滤波级24滤波后，经缓冲输出级25和电压信号差分传输26，至传感器控制单元12，然后传递给数字信号处理单元2，数字信号处理单元2对信号进行处理和分析后，把结果传递给主控及数据显示传输单元3，然后由其显示，并且经过发射天线4把数据无线发送给装有接收天线5的数据接收和存储单元6进行完整的数据备份和存储。

该传感器工作模式：电场的测量分四步进行，按照“睁眼”-“睁闭过渡”-“闭眼”-“闭睁过渡”四种状态进行循环来完成一次测量。

当处在“睁眼”状态时，定片8上的敷铜部分被暴露在外界电场下，在敷铜部分感应出相应的电荷，将定片8与测量电路14接通，测量电路14部分的硬件信号保持系统22获得感应电荷，断开定片8与测量电路14的连接，将定片8接地，“睁眼”状态结束，转入“睁闭过渡”状态。

在“睁闭过渡”状态，此时动片20在伺服电机10带动下转过一个扇形开口的角度，挡在对应的定片8上时，外界电场被屏蔽，定片8无法感应电荷，进入“闭眼”状态。

在“闭眼”状态时，整个测量系统处在电磁屏蔽的状态下，测量电路14对保存在硬件信号保持电路21的信号，通过高阻抗跟随级22进行输入输出阻抗的变换，然后由固定增益和可控增益放大级23进行信号的放大，再经过滤波级24进行滤波，然后信号由缓冲输出级25驱动，经过电压信号差分传输部分26传出到传感器控制单元12来进一步处理。测得电场后，转入“闭睁过渡”状态。

在“闭睁过渡”状态时，定片8与地的连接断开，动片20逆向摆动，定片8的敷铜部分重新暴露在电场下，重新感应电荷，然后回到“睁眼”状态。至此一个测量循环完成，可以转入下一个测量循环。

在这种工作模式下，动片20是利用接地游丝17来完成的电路接地，接地游丝17跟钟表内的游丝类似，在其弹性形变范围内变形时，寿命极其长，并且接地是属于金属线路接地，非常可靠，能够避免电刷接地的寿命短，接地不平滑的缺点。

数字信号处理单元2，是该发明的一个主要单元，是通过对测量得到的电荷信号进行小波分析，提取昆虫的特征信号进行模式匹配和比对分析，并且通过对信号幅度强弱以及特征频率的变化分析，经过解一组针对昆虫电荷特征建立的电荷源位置模型的微分方程组的形式，得到昆虫的位置信息。具体的细节有以下几点：

(1)在信号处理中，将信号分别通过低通和高通滤波器分解为轮廓信息和细节信息，即利用正交小波基函数的多尺度特性将信号在不同尺度下展开并加以比较，以确定不同尺度的昆虫电荷信号的特征。该过程中，由低通滤波器可得到大尺度信息，即低频信息——信号轮廓信息，由高通滤波器可得到小尺度信息，即信号高频信息——噪声及突变信息。

(2)利用小波分解重构法滤除基线漂移，在昆虫电荷信号中基线漂移的主要成分为缓变趋势分量，在小波分解中会直接显现于某较大的尺度下，只要在重构过程中将这一尺度下的分量直接置0，就可滤除基线漂移。这种方法同时还可将测量中引入的直流分量一并去除，而且对于信号的形式及变化不敏感。

(3)处理过程中通过阈值法滤除工频干扰，工频干扰是由50Hz及其谐波构成的一种干扰。该方法是基于幅值较大的系数由重要信息产生这一基本假设来滤波，即：信号产生的小波系数其幅值较大，但数目较少，而由噪声产生的小波系数幅值较小。其滤波算法如下：

(a)计算含噪声信号的正交小波变换选择合适的小波和小波分解层数j，将含噪信号进行小波分解至j层，得到相应的小波分解系数。

(b)对分解得到的小波系数进行阈值处理。

主控及数据显示传输单元3，对非接触昆虫电荷传感器1的数据与数字信号处理单元2进行接口控制，并且进行无线数据传输，对数字信号处理单元2处理完的数据在显示屏上显示。

发射天线4，对数据进行无线发射。

接收天线5，对数据进行无线接收。

数据接收和存储单元6，对无线发送的数据进行接收，并且在数据库中进行存储。

电源单元7，提供系统所需的各电压轨的电源，并且保正电流和纹波及谐波参数满足系统需要，为标准电路构成。

Claims (4)

1.一种基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统，其特征在于本系统由非接触昆虫电荷传感器、数字信号处理单元、主控及数据显示传输单元、数据接收和存储单元和电源单元组成；非接触昆虫电荷传感器通过屏蔽电缆连接主控及数据显示传输单元，主控及数据显示传输单元通过屏蔽电缆连接数字信号处理单元和电源单元；主控及数据显示传输单元通过无线数据传输方式连接数据接收和存储单元；所述的非接触昆虫电荷传感器由外壳、动作单元、电场测量单元和传感器控制单元组成，所述的外壳、动作单元、电场测量单元及传感器控制单元各单元间有屏蔽层，通过屏蔽线缆进行信号连接；所述的动作单元，由动片、伺服电机和接地游丝组成；所述的动片在伺服电机的带动下进行左右摆动，摆动角度为一个扇形开口的角度；伺服电机可以按照控制指令迅速的旋转一定角度；所述的电场测量单元由定片和测量电路组成；所述的定片为敷铜板结构，其表面的敷铜部分是作为感应电荷的金属导体来用，敷铜部分形状与动片的扇形开口相对应；所述的测量电路由硬件信号保持系统、高阻抗跟随级、固定增益和可控增益放大级、滤波级、缓冲输出级和电压信号差分传输部分组成；所述的外壳为桶状结构，内部放置动片、定片、屏蔽隔板一、伺服电机、伺服电机控制电源线屏蔽管、电源线及数据线屏蔽管、测量电路、屏蔽隔板二、信号线屏蔽管、接地游丝、动片转动轴、传感器控制单元；动片为圆形，带扇形开口，扇形开口之间的未开口部分为同样角度的扇形，即动片是由相同大小的扇形开口和同为相同角度的扇形未开口部分相间隔均匀分布在圆周上；所述的动片固定在动片转动轴上，所述的动片转动轴穿过定片和屏蔽隔板一上的开口连接到伺服电机上，在伺服电机的上部与接地游丝相连接；所述的伺服电机固定在屏蔽隔板二上面，并且通过伺服电机控制电源线屏蔽管与传感器控制单元相连接；所述的定片通过高绝缘物体固定在屏蔽隔板一上面，并且通过信号线屏蔽管把信号传递给所述的测量电路，测量电路与传感器控制单元共同放置在外壳与屏蔽隔板二构成的密封腔里；所述的测量电路与所述的传感器控制单元通过穿过外壳的电源线及数据线屏蔽管与外面的数字信号处理单元、主控及数据显示传输单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统，其特征在于所述的传感器控制单元控制伺服电机和测量电路的同步工作，对电场测量单元的信号进行采样，电场强度与电荷量的对应转化和对数字信号处理单元的数据传输。

3.根据权利要求1所述的基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统，其特征在于所述的数字信号处理单元通过对测量得到的昆虫电荷信号进行小波分析，提取昆虫的特征信号进行模式匹配和比对分析，并且通过对信号强弱的变化，得到昆虫的位置信息。

4.根据权利要求1所述的基于昆虫电荷测量的昆虫探测系统，其特征在于所述的数据接收和存储单元对无线发送的数据进行接收，并且在数据库中进行存储。

Images