CN102879603A - 面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，属于非接触式明渠测流技术领域。系统包括航拍气球、伺服自稳定光电平台、系留电缆和地面测控单元四部分。航拍气球由球体、连接网、连接环和吊装平台组成，搭载光电平台悬浮于低空；伺服自稳定光电平台由六波段光谱成像仪、LED补光灯、三轴云台和12VDC变换器组成，以近似垂直的视角对水面连续稳定成像；系留电缆由系留绳、电源线和以太网线组成，用于固定航拍气球并下传光谱成像仪输出的图像数据；地面测控单元由48V自供电装置、19VDC变换器、PoE合路器和移动工作站组成，为系统提供电源并处理监测数据。本发明能够以较小的代价安全、快速地完成现场部署，实现突发性山洪的应急监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式明渠水流监测系统，特别涉及一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统。
背景技术
随着经济社会快速发展，全球气候变化影响加大，台风、暴雨等极端天气事件频发，水安全状况日趋严峻。其中，山洪是山丘区小流域或汇水区域由降雨引起的突发性暴涨暴落的地表径流，它的汇流时间短、水量集中、破坏力大，多次造成严重经济损失和人员伤亡，对人民群众的生命和财产构成了极大的威胁。山洪所影响的范围不仅限于山区，还可能通过河道将灾害向山前平原和下游地区乡村和城市传播，形成灾害链。因此，对山洪的监测预报工作尤为重要。
准确的山洪预报建立在对洪水形成机理和传播过程具有深刻理解的基础之上。天然尺度下河流水情信息的采集，特别是高洪期流速、流场、总径流变化速率等参数的高分辨率测量是洪水预报，以及河流水文学、河流动力学等研究的科学基础。然而高洪期河流的流速快，含沙量高，漂浮物多，致使传统的测验方案无法开展布置，测流方法和仪器不能正常地施测。特别是水位暴涨暴落，可能引发的溃坝、泥石流、堰塞湖等地质灾害对工作人员的生命安全构成严重威胁。
上世纪90年代末，Fujita等人对实验室环境下的粒子图像测速技术进行改造用于天然河流的观测，并称之为大尺度粒子图像测速（LSPIV）。它以自然光代替激光源，以视频摄像机代替高帧频工业相机作为图像采集设备，简化系统配置以适应野外监测。然而，现有的LSPIV系统主要是将成像系统（如数码相机、摄像机）架设在河岸附近的制高点（如高杆、建筑物）上拍摄的河流水面图像。在这种情况下，大尺度成像区域和倾斜拍摄角度将不可避免地引起图像失真。尤其当视角较小时，即便采用图像正射校正算法也难以弥补图像远场分辨率的损失，在很大程度上影响了测量的精确性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统。
本发明通过以下技术方案实现：
面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，包括航拍气球、伺服自稳定光电平台、系留电缆和地面测控单元四部分。航拍气球由球体、连接网、连接环和吊装平台组成，用于搭载光电平台悬浮于低空；伺服自稳定光电平台由六波段光谱成像仪、LED补光灯、三轴云台和12VDC变换器组成，在机动平台下以近似垂直的视角对水面连续稳定成像，成像波段可根据水流示踪物的类型及光照条件在可见光至近红外的六组光谱波段中进行选取；系留电缆由系留绳、电源线和以太网线组成，用于固定航拍气球并下传光谱成像仪输出的图像数据；地面测控单元由48V自供电装置、19VDC变换器、PoE合路器和移动工作站组成，为系统提供电源并通过大尺度粒子图像测速在线流场分析软件获得河流的表面流速。所述的六波段光谱成像仪基于SOPC技术实现，它由以下模块组成：SOPC系统、三可变镜头、带通滤镜、图像传感器、镜头驱动模块、转轮控制模块、LED驱动模块、姿态测量模块、以太网模块、云台驱动模块、无线数传电台、DC-DC模块，PoE分路器。所述的大尺度粒子图像测速在线流场分析软件包括“图像数据采集”、“水面目标增强”、“运动矢量估计”、“时均流场重建”、“水面流场定标”五个程序模块。
所述的航拍气球的球体采用PVC材料制成，底部的环形裙边上均匀镶嵌有八个吊装孔，球体内部填充氢气或氦气，直径为3m，可携带最大5kg的有效载荷，升空高度达到200m以上，续航时间为30～40小时，抗风能力大于五级。
所述的航拍气球的吊装平台为一金属圆盘，其直径比球体环形裙边的直径略小，圆盘边缘均匀固定八对上下对称的连接环，上方的连接环通过连接网和球体对应的八个吊装孔相连，下方的连接环用于固定系留电缆。
所述的SOPC系统以一片型号为EP4CGX150的FPGA芯片为核心器件。
所述的带通滤镜共有六组，以圆周等分的方式镶嵌于一个直流步进电机驱动的转轮上，转轮前端采用C型接口连接三可变镜头，后端窗口直接固定于图像传感器的正上方。
所述的六组光谱波段分别为：380-1050nm的全光谱波段、380-760nm的可见光波段，380-480nm的蓝紫光波段、550-650nm黄绿光波段、660-760nm红橙光波段及850-1050nm的近红外波段。
所述的图像传感器采用500万像素的单色CMOS图像传感器MT9P031I12STM，通过一路I2C串行总线和一路12bit并行总线和SOPC系统相连，分别用于图像传感器的参数设置和图像数据的传输。
所述的三轴云台由基座，方位角、横摆角和俯仰角转轴四部分构成。基座固定于吊装平台底部，承载云台转动。电机驱动精密传动机构，实现方位、俯仰、横摆角三个方向的姿态调整。调整范围为：方位角0o～350o，倾斜角-45o～+45o，横摆角-45o～+45o。
所述的地面测控单元的移动工作站采用加固型图形工作站，通过采用RJ-45接口的以太网线和PoE合路器相连，48V自供电装置同时输出三路48V直流：一路通过19VDC变换器给移动工作站供电；一路通过系留电缆中的电源线接入伺服自稳定光电平台中的12VDC变换器转换为12V电源给LED补光灯和三轴云台供电；最后一路通过PoE合路器加载至以太网线的空闲线对，和六波段光谱成像仪中的PoE分路器相连。
本发明具有以下有益效果：
1. 测量精度高。相比固定和车载的岸基式LSPIV系统，本系统能够在覆盖数千平方米水域的同时获得近乎垂直的拍摄角度，大大降低由于远场分辨率不足引起的误差。
2. 监测时间长。相比采用直升机或无人机的机载式LSPIV系统，本系统能够以很低的成本（一次填充氢气的费用仅为两、三百元）长时间停留于空中（一次充气可停留几十小时），且自身运动很小，结合伺服自稳定平台能够保证视场的稳定。
3. 时空分辨率高。成像系统采用了工业相机的设计方案，在500万像素的空间分辨率下可获得15fps的帧速率，保证了大尺度下水流示踪物的识别和跟踪所需的图像细节，并可在数秒内完成图像序列的采集、流速场的获取和流量的估计。因此，能在常规和极端水文过程期间对难以到达的测点实施密集测量。
4. 抗毁性强，操作安全。系统主体在空中自治运行，仪器不接触水体，不会因为高速水流的冲击和漂浮物的缠绕而损毁。工作人员可通过计算机网络远程操控，无需涉水测量，极大保障了测流人员的生命安全。
5. 部署灵活，机动性高。一套设备可以完成多个测站的水文测验任务。与此同时，减少了测站原有的常规测验设备，具有明显的经济效益。
鉴于以上特点，本系统能够克服传统测流仪器及现有LSPIV系统的不足，以较小的代价安全、快速地完成现场部署，实现突发性洪水期间河流表面流速的应急监测，为防洪规划设计和科学研究提供数据积累。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明空中部分实施例的整体三维结构示意图，图中标号名称：1、航拍气球；1-1、球体；1-2、连接网；1-3、连接环；1-4、吊装平台；2、伺服自稳定光电平台；2-1、12VDC变换器；2-2、红外补光灯；2-3、六波段光谱成像仪；2-4、三轴云台；2-4-1、方位角转轴、2-4-2、横摆角转轴；2-4-3、俯仰角转轴；3、系留电缆；3-1、系留绳；3-2、电源线；3-3、以太网线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统做进一步描述。
本发明的系统结构框图如图1所示，包括航拍气球、伺服自稳定光电平台、系留电缆和地面测控单元四部分。
航拍气球由球体、连接网、连接环和吊装平台组成，用于搭载伺服自稳定光电平台。
伺服自稳定光电平台由六波段光谱成像仪、LED补光灯、三轴云台和12VDC变换器组成，用于系留气球机动平台下的稳定成像。
六波段光谱成像仪是伺服自稳定光电平台的核心，既要对待测水面进行高分辨率的光谱成像，又要将实时图像上传至地面监测单元中的移动工作站，同时还要对多个外设进行高精度的实时控制。因此成像仪应当具有足够的灵活性及处理能力。本发明基于SOPC技术实现成像仪与平台其他组件的紧耦合。它集成了以下模块：SOPC系统、三可变镜头、带通滤镜、图像传感器、镜头驱动模块、转轮控制模块、LED驱动模块、姿态测量模块、以太网模块、云台驱动模块、无线数传电台、DC-DC模块，PoE分路器。
SOPC系统采用ALTERA公司Cyclone IV系列的FPGA芯片EP4CGX150作为核心器件。它具有15万个逻辑单元，并内置了6.5M的高速片内存储器及360个18×18硬件乘法器用于数字信号处理。本发明采用IP核的方式在FPGA的内部集成了Nios II软核处理器、I2C接口、SPI接口、PID控制模块和PWM生成模块等。
环境光依次通过三可变镜头和带通滤镜到达图像传感器的成像平面，形成一条光的通路。三可变镜头在实施中选用日本Computar公司的H10Z0812M型电动三可变镜头，其焦距为8~80mm，光圈大小为F1.2~F22C，电机驱动电压为DC 8V，采用标准C型接口。镜头驱动模块集成了三路H桥直流电机驱动电路。SOPC系统输出三路PWM信号通过镜头驱动模块放大后控制光圈、变倍和变焦对应的三组直流电机的转向和角度。带通滤镜共有六组，以圆周等分的方式镶嵌于一个直流步进电机驱动的转轮上。滤镜的带通光谱覆盖了从可见光到近红外的光谱波段，分别为380-1050nm的全光谱波段、380-760nm的可见光波段，380-480nm的蓝紫光波段、550-650nm黄绿光波段、660-760nm红橙光波段及850-1050nm的近红外波段。转轮前端采用C型接口连接三可变镜头，后端窗口直接固定于图像传感器的正上方。SOPC系统输出一路和滤镜相对应的3位二进制编码信号，由转轮控制模块将其译码为相应的脉冲信号输出给驱动带通滤镜转轮的步进电机。图像传感器将经过带通滤镜的光信号转换为电信号并采样得到某一波段下的数字图像。在实施中采用Micron公司的单色CMOS图像传感器MT9P031I12STM。其最大成像分辨率为500万像素（2592×1944），全分辨率下的帧速率为15fps。SOPC系统通过一路I2C串行总线和一路12bit并行总线分别实现图像传感器的参数设置和图像数据的传输。
SOPC系统与姿态测量模块、三轴云台及云台控制模块组成闭环控制系统。目的在于降低成像模糊和图像序列帧间的随机抖动，保证成像仪指向河面。使稳定精度≤5o。姿态测量模块集成了数字罗盘、三轴倾角传感器、加速度计以及GPS接收机，用于实时测量光谱成像仪的三种姿态角，即俯仰角、横滚角和方位角。在实施中选用荷兰Xsens公司的MTI姿态航向参考系统（AHRS）。其动态精度< 2oRMS，最大数据采样速率为120Hz。功耗小于360mW。SOPC系统通过RS-232串行总线从姿态测量模块读取数据。云台驱动模块选用美国NS公司的直流电机驱动芯片LMD18200，其输出分别连接三轴云台中三路姿态角对应的12V直流减速电机，输入信号为SOPC系统输出的三路PWM信号。当成像探测仪受干扰力矩影响发生偏离后，姿态测量模块将测定的位置姿态信息和速度信息反馈给SOPC系统；PID控制模块通过控制算法解算得其俯仰、横滚和方位，结合当前的运动角速度和角位移，解算出实际的位置姿态并与锁定姿态比较；通过PID分别调节方位速度环、方位位置环、俯仰速度环、俯仰位置环，横滚速度环和横滚位置环的18个PID参数，根据偏差计算出伺服机构控制电机运转的方向和大小；PWM生成模块根据PID控制模块计算的信号占空比信息，实时调节脉冲宽度并输出至云台控制模块，对成像仪的方位、俯仰、横摆角三个方向的姿态修正和补偿控制。
光谱成像仪采用PoE方式供电，电源和以太网线可以共用一根电缆。PoE分路器将48V电源和以太网线分离后采用一块双路输出线性直流稳压模块HKS014R5将其变换为12V/1.25A和5V/1.5A的两路电源，总输出功率为22.5W。其中12V电源提供给镜头驱动模块，5V电源接入DC-DC模块。DC-DC模块采用AOZ1010组成降压式DC-DC变换电路，输出3.3V直流作为光谱成像仪的数字电源。
以太网模块由物理层芯片RTL8201及网络传输变压器组成，物理层芯片通过EMAC接口和SOPC系统相连，而网络传输变压器的后端和PoE分路器输出的以太网线相连。
无线数传电台用于向监测中心远程传输实时监控数据，在实施时采用华为的WCDMA模块EM820U，通过PCIE接口和SOPC系统相连。
LED补光灯用于在自然光照条件不足时为水面提供辅助照明，并增强水流示踪物和水体的亮度对比。LED驱动模块由一路光耦隔离的继电器组成，SOPC系统输出一路开关信号控制继电器的闭合，进而控制与其串联的LED补光灯的通断。
系留电缆由系留绳、电源线和以太网线组成，用于固定航拍气球并下传光谱成像仪输出的图像数据。
地面测控单元由48V自供电装置、19VDC变换器、PoE合路器和移动工作站组成，为系统提供电源并处理监测数据。其中，移动工作站采用加固型图形工作站，通过采用RJ-45接口的以太网线和PoE合路器相连。其上运行大尺度粒子图像测速在线流场分析软件，包括“图像数据采集”、“水面目标增强”、“运动矢量估计”、“时均流场重建”、“水面流场定标”五个程序模块。48V自供电装置可以是大容量锂电池也可以使光伏组件，同时输出三路48V直流：一路通过19VDC变换器给移动工作站供电；一路通过系留电缆中的电源线接入伺服自稳定光电平台中的12VDC变换器转换为12V电源给LED补光灯和三轴云台供电；最后一路通过PoE合路器加载至以太网线的空闲线对，和六波段光谱成像仪中的PoE分路器相连。
本发明的实施例整体三维结构示意图如图2所示。
航拍气球（1）的球体（1-1）采用PVC材料制成，底部的环形裙边上均匀镶嵌有八个吊装孔。球体（1-1）内部填充氢气或氦气，直径为3m，可携带最大5kg的有效载荷，升空高度达到200m以上，续航时间为30～40小时，抗风能力大于五级。吊装平台（1-4）为一金属圆盘，其直径比球体环形裙边的直径略小。圆盘边缘均匀固定八对上下对称的连接环（1-3），上方的连接环通过连接网（1-2）和球体对应的八个吊装孔相连。下方的连接环用于固定系留电缆（3）。吊装平台（1-4）的圆心、三轴云台（2-4）的方位角转轴中心及六波段光谱成像仪（2-3）垂直拍摄时的光轴共线。
伺服自稳定光电平台（2）中的三轴云台（2-4）由基座（2-4-1），方位角转轴（2-4-2）、横摆角转轴（2-4-3）和俯仰角转轴（2-4-4）四部分构成。基座（2-4-1）固定于吊装平台（1-4）底部，承载云台转动。电机驱动精密传动机构，实现方位、俯仰、横摆角三个方向的姿态调整，调整范围为：方位角0o～350o，倾斜角-45o～+45o，横摆角-45o～+45o。12VDC变换器（2-1）安装于方位角转轴（2-4-2）下方的平台下，输入输出的电源线采用防水航空接插件与之相连。
六波段光谱成像仪（2-3）的主体放置于铝合金防护罩内以满足室外全天候工作、特别是洪水期间恶劣气候条件下应急测验的需求。防护罩采用带锁的后开式设计，操作空间更大，方便进行系统调试；结合部位加垫防渗橡胶垫，电缆出口采用橡胶导圈，以防止雨水渗漏；上部的遮阳板在防止太阳直射镜头的同时可以避免太阳直射机身引起舱内温度过高。LED补光灯（2-2）采用全天侯铝质及强化玻璃封装，以光轴平行的方式安装于防护罩的两侧。
系留电缆（3）由系留绳（3-1）、电源线（3-2）和以太网线（3-3）组成。
Claims (9)
1.一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：包括航拍气球、伺服自稳定光电平台、系留电缆和地面测控单元四部分，航拍气球由球体、连接网、连接环和吊装平台组成，用于搭载光电平台悬浮于低空；伺服自稳定光电平台由六波段光谱成像仪、LED补光灯、三轴云台和12VDC变换器组成，在机动平台下以近似垂直的视角对水面连续稳定成像，成像波段可根据水流示踪物的类型及光照条件在可见光至近红外的六组光谱波段中进行选取；系留电缆由系留绳、电源线和以太网线组成，用于固定航拍气球并下传光谱成像仪输出的图像数据；地面测控单元由48V自供电装置、19VDC变换器、PoE合路器和移动工作站组成，为系统提供电源并通过大尺度粒子图像测速在线流场分析软件获得河流的表面流速；所述的六波段光谱成像仪基于SOPC技术实现，它由以下模块组成：SOPC系统、三可变镜头、带通滤镜、图像传感器、镜头驱动模块、转轮控制模块、LED驱动模块、姿态测量模块、以太网模块、云台驱动模块、无线数传电台、DC-DC模块，PoE分路器；所述的大尺度粒子图像测速在线流场分析软件包括“图像数据采集”、“水面目标增强”、“运动矢量估计”、“时均流场重建”、“水面流场定标”五个程序模块。
2.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的航拍气球的球体采用PVC材料制成，底部的环形裙边上均匀镶嵌有八个吊装孔，球体内部填充氢气或氦气，直径为3m。
3.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的航拍气球的吊装平台为一金属圆盘，其直径比球体环形裙边的直径略小，圆盘边缘均匀固定八对上下对称的连接环，上方的连接环通过连接网和球体对应的八个吊装孔相连，下方的连接环用于固定系留电缆。
4. 根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的六波段光谱成像仪的SOPC系统以一片型号为EP4CGX150的FPGA芯片为核心器件。
5.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的六波段光谱成像仪的带通滤镜共有六组，以圆周等分的方式镶嵌于一个直流步进电机驱动的转轮上，转轮前端采用C型接口连接三可变镜头，后端窗口直接固定于图像传感器的正上方。
6.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的六组光谱波段分别为：380-1050nm的全光谱波段、380-760nm的可见光波段，380-480nm的蓝紫光波段、550-650nm黄绿光波段、660-760nm红橙光波段及850-1050nm的近红外波段。
7.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的六波段光谱成像仪的图像传感器采用500万像素的单色CMOS图像传感器MT9P031I12STM，通过一路I2C串行总线和一路12bit并行总线和SOPC系统相连，分别用于图像传感器的参数设置和图像数据的传输。
8.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的三轴云台由基座，方位角转轴、横摆角转轴和俯仰角转轴四部分构成，基座固定于吊装平台底部，承载云台转动，电机驱动精密传动机构，实现方位、俯仰、横摆角三个方向的姿态调整，调整范围为：方位角0o～350o，倾斜角-45o～+45o，横摆角-45o～+45o。
9.根据权利要求1所述的一种面向山洪应急监测的球载式水流成像测速系统，其特征在于：所述的地面测控单元的移动工作站采用加固型图形工作站，通过采用RJ-45接口的以太网线和PoE合路器相连，48V自供电装置同时输出三路48V直流：一路通过19VDC变换器给移动工作站供电；一路通过系留电缆中的电源线接入伺服自稳定光电平台中的12VDC变换器转换为12V电源给LED补光灯和三轴云台供电；最后一路通过PoE合路器加载至以太网线的空闲线对，和六波段光谱成像仪中的PoE分路器相连。
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