CN105300851B - 一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业航空与地面喷洒作业与试验领域，尤其涉及一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法。其特征在于，采用双传感器垂直布置交叉检测，提取雾滴目标的坐标转换，通过时域叠加的统计分析，得到一个截面的雾场沉降空间分布区间；将整个雾场划分为若干截面，通过等间距移动激光传感器，沿雾场扩散方向扫面，将每个截面的雾滴按实际位置情况叠加，即可得到雾滴的真实存在，表现为整个雾场的空间分布情况。通过对每个截面雾滴的分布位置的连接，形成雾场的三维空间模型。本发明能直接得到雾场截面的轮廓、雾滴分布的宽度与高度，复原喷雾雾滴扩散与沉降情况，检测误差小，操作简便，重复性好，能够检测到雾场与作物接触面的范围。

Description

一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法

技术领域

本发明属于农业航空与地面喷洒作业与试验领域，尤其涉及一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法。

背景技术

喷雾作业已经在农业生产中广泛使用，这种方式不仅适用于所有大田作物，而且对于各种经济作物、蔬菜、草场都可以获得很好的经济效果。喷雾过程中，农药雾滴的漂移会对目标作物及周边环境产生影响，也会降低喷施的效果。因此，研究喷施参数(如喷雾压力、喷雾距离、喷雾角度等)、喷施效果、雾滴沉降及其漂移变化趋势的检测、评价方法，展现喷雾雾滴的空间分布是农业喷雾施药应用技术的必要基础支撑。

国内外已开始有多项研究，主要使用计算流体动力学模拟仿真、沉积量反演法、高速相机法、激光粒度仪等。由于喷雾过程受喷施技术参数(如喷雾距离、喷头类型、喷雾压力、传送风速)和外界环境因素(风速、风向、空气温度和相对湿度)的交互作用，且环境因素不可控，因此利用计算流体动力学对喷雾过程进行模拟仿真的结果精度仍需用其他检测技术进行验证；还有利用滤纸、水敏纸、雾滴采集架等承载工具收集沉积在各距离上的雾滴，或在喷施的药液中混入示踪剂溶液，然后用试管收集雾滴，分析各试管示踪剂含量来判断雾滴沉积量，根据上述检测到的沉积量进行反演，从而推算出整个喷雾过程中雾滴的空间分布，试验过程复杂、采集的雾滴沉积量容易在收集和运输过程中挥发或损失，导致测量结果不准确。高速相机法则利用高速相机拍摄整个喷雾过程，并采用相应的图像处理技术和算法来分析雾滴的分布情况，但高速相机成本较高，且拍摄的效果受光照影响较大，图像分析软件准确率仍有待提高。激光粒度仪是目前公认比较准确的雾滴参数测量技术，采用夫琅禾费衍射原理和典型的平行光路设计，能够实现对喷头喷雾流内单点的雾滴尺寸、流量等的准确测量，但是要测量喷头整个二维平面内的雾滴分布情况，则需要选取多点反复测量后插值方可得到，测试过程繁杂，效率低。

激光传感器一般用于对固体的目标物的距离测量、轮廓扫描与定位，根据激光束的飞行时间探测出测量距离，从而确定扫描区域内固态物体的存在情况，目前主要用于工业、军事、交通、港口、农林业等领域。激光对不同的介质的反射情况不同，在其工作过程中对水、雾等反射信号会被视为干扰/噪音信号而被屏蔽，无法直接用于雾滴或者水滴的检测。

发明内容

为了能够直接检测到喷雾场中雾滴的空间分布情况，本发明提出了一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法，其特征在于直接提取激光对水滴、雾滴的回波信号，作为检测目标的位置数据，具体过程为：

步骤1、将整个雾场等间隔纵向划分成若干截面，在雾场截面的正上方及侧面分别布置一个激光传感器，两个激光传感器到喷头的距离相同；

步骤2、在喷头不工作即无雾滴的情况下，使用激光传感器在截面内扫描一次，采集此时的数据作为该截面内的环境数据；启动雾滴喷洒装置，即有雾滴的情况下激光传感器在该截面内再扫描一次，采集在该截面内雾滴的分布数据，得到该截面内环境与雾滴的混合数据；

步骤3、将采集的数据从极坐标系格式转换为直角坐标系格式，对环境数据和混合数据进行叠加消除，得到无环境干扰的分布数据；对无环境干扰的分布数据进行坐标换算，得出该截面内雾滴的二维空间分布图，并得到雾滴在这个截面的位置分布和尺度特征，分别记录下有效高度和有效宽度的最大值、最小值；

步骤4、沿雾场扩散方向等间隔水平移动激光传感器，重复步骤2-步骤3，分别测量出每个截面的有效宽度和有效高度的最大值、最小值；

步骤5、将每个截面的有效高度和有效宽度的最大值、最小值以坐标形式描点，每个截面内的四点连线构成一个矩形，以此表示该截面内喷洒的有效范围；将每个矩形的四个最值点分别与其他矩形的相应最值点连线，得到喷雾雾滴的三维空间分布形态示意图。

所述步骤3中的叠加消除过程采用模糊匹配环境消除法，以环境数据的每一个数值作为一个中心，将每一个数值的x轴、y轴同时放大成一个a×a的小型矩阵，a为设定的阈值，得到扩大后的环境数据，则此时的环境数据不再是点，而是由每个数值膨胀后形成的一个矩阵范围；将之后采集的混合数据每一个均与扩大后的环境数据进行分析，若这个混合数据落在了扩大后的环境数据的矩阵范围里，则这个混合数据在环境影响范围内，故去除；反之，则保留。

有益效果

本发明能对农业喷灌过程中水滴在空中的飞行情况与分布范围、农药喷施过程中雾场/雾滴的空间分布、喷头风洞试验中雾滴扩散、喷幅进行检测，能直接得到需要测试的特定位置雾场截面的轮廓、雾滴分布的宽度与高度，复原喷雾雾滴扩散与沉降情况。本发明以计算机作为数据的分析和处理设备，可分析和存储所有实验数据，结构简单，可靠性高，精确度高，并能够重现测量过程。本发明检测的误差小，工作成本低，能直观的检测到雾滴的分布状态与沉降情况，操作简便，重复性好，用于对喷头性能、喷幅及沉降情况等检测与评价，特别是能够检测到雾场与作物接触面的范围，能应用在农业喷雾机具及航空喷雾作业的参数优化调整与研究实验中。

附图说明

图1：检测方法流程示意图

图2：装置组成示意图

图3：传感器安装位置示意图

图4：极坐标环境数据示意图

图5：直角坐标环境数据示意图

图6：模糊匹配环境消除法示意图

图7：传感器等间隔移动示意图

图8：三维模型构建原理示意图

图9：截面1喷雾雾滴二维分布图

图10：截面2喷雾雾滴二维分布图

图11：截面3喷雾雾滴二维分布图

图12：三维模型构建方法模拟测试的结果图

图13：本发明的喷雾雾滴三维空间分布展现图

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐述本发明。

附图1为本发明方法的工作流程。本发明需要借助硬件的搭接完成，附图2展示了硬件的搭接关系：

激光传感器采集检测单元：本发明所选用的激光传感器的功能是可扫描某一平面，并根据平面内各个点与扫描仪的相对位置，返回其测量值。其主要应用于轮廓扫描与定位，通过设置传感器的参数，对雾滴进行针对性检测。

计算机数据分析处理单元：利用计算机，对激光传感器所采集的数据进行存储和处理。

传感器安装单元：包含固定装置和可移动支架。固定装置用于固定激光传感器；可移动支架主要能够实现搭载激光传感器检测采集单元，并方便对该单元进行位移。也可以将传感器固定在一个旋转装置上，通过旋转一定的角度，实现扫描面的位移。

在放置激光传感器时，如附图3所示，在使用过程中，每个截面布置两台激光传感器，一台在检测区域上方悬挂固定，以测量雾滴喷洒的宽度(得到top数据)；一台在检测区域侧面固定，以测量雾滴喷洒的高度(得到side数据)。通过此种放置方式，可以在每个截面内测量雾滴在通过这一截面时的各项参数，进而可以得到雾滴在该切面中的分布和变化规律。附图4是激光传感器采集结束后，得到的极坐标格式的数据，经过坐标变换，得到附图5所示的直角坐标的数据格式。将采集的数据从极坐标系格式转换为直角坐标系格式后，对环境数据和混合数据进行叠加消除，得到无环境干扰的分布数据，附图6为模糊匹配环境消除法的原理示意图。附图7展现了为测量不同截面，传感器等间隔移动的示意图。对无环境干扰的分布数据进行分析，得出该截面内雾滴的二维空间分布图，并得到雾滴在这个截面的位置分布和尺度特征，分别记录下有效高度和有效宽度的最大值、最小值；沿雾场扩散方向等间隔水平移动的激光传感器，重复步骤2-步骤5，分别测量出每个截面的有效宽度和有效高度的最大值、最小值，附图7展现了为测量不同截面，传感器等间隔移动的示意图。将每个截面的有效高度和有效宽度的最大值、最小值以坐标形式描点，每个截面内的四点连线构成一个矩形，以此表示该截面内喷洒的有效范围；将每个矩形的四个最值点分别与其他矩形的相应最值点连线，得到喷雾雾滴的三维空间分布形态示意图，附图8为利用不同截面内的分布数据构建三维模型的原理示意图。

下面的实例是在不同情况下对以上所述过程的试验验证。

1、喷雾雾滴截面扫描

试验目的：验证各类方法的有效性，检测系统的硬件软件是否运行良好。

试验方法：使用激光传感器，在不同的试验条件下分别采集数据，检测不同采集条件下是否运行良好，性能是否达到要求。

试验材料：激光传感器两台及其固定板、三脚架一个、PC一台。

试验设计：按照图3传感器放置的方式设置一台测量高度的传感器(side测量)，在试验中控制距离喷头位置、喷头压力等参数不变，将释放雾滴的喷头固定位置放置，分别将喷头放置在不同风速下测量，记录试验数据，具体工作过程：

(1)交叉布置两台激光传感器，一台置于雾场上方，一台在雾场侧面，利用固定装置固定，并保证这两个传感器到喷头的距离相同；

(2)启动激光传感器，对截面进行扫描，启动装置后，首先让激光传感器在一个平面内扫描一次，采集一次该平面内的环境数据；

(3)环境数据采集后，启动雾滴喷洒装置，让激光传感器在该平面内再扫描一次，采集在该平面内雾滴的分布数据，得到该平面内环境与雾滴的混合数据；

(4)采用模糊匹配消除法，对这两次数据进行叠加消除，得到无环境干扰的雾滴数据；

(5)对无环境干扰的分布数据进行分析，得出该平面内雾滴的分布情况；

试验结果：图9至图11分别为截面1、截面2及截面3的雾滴二维分布图。结果显示，运用此方法，去除环境数据的效果较良好，雾滴的切面分布情况展现清晰，能够成功得到本试验中所需指标。

2、三维模型构建方法模拟测试

试验目的：验证所述的展现雾滴三维分布的方法的有效性。

试验方法：使用几组不同数据分别模拟对激光传感器采集到的不同二维截面数据处理得到的结果，检测方法的有效性。

试验材料：PC机一台。

试验设计：将不同截面的有效高度和有效宽度的最大值、最小值输入到数据处理程序中，观察程序运行过程和试验结果。

试验结果：试验结果如图12所示，所述的展现雾滴三维分布的方法具有可行性，能够将所需结果直观地展现出来。

3、雾场三维空间分布展现

试验目的：验证所述的展现雾滴三维分布的方法的实践有效性，检测系统的硬件软件是否运行良好。

试验方法：使用激光传感器，分别采集不同二维截面数据，检测不同采集条件下是否运行良好，性能是否达到要求。

试验材料：激光传感器两台，PC一台，激光传感器相应的支撑设备或者云台。

试验设计：将释放雾滴的喷头位置固定，按照展现雾滴三维分布的操作主要过程，等间隔地移动传感器或者旋转传感器，测量多组截面，得到每个截面对应的数据，描绘出雾滴三维空间分布示意图。试验结果：图13为本发明的喷雾雾滴三维分布图，结果显示，此方法能够在实际中得到运用，雾滴的三维分布情况展现清晰，能够成功得到所需的图像。

Claims (2)

1.一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法，其特征在于，具体过程为：

步骤1、将整个雾场等间隔纵向划分成若干截面，在雾场截面的正上方及侧面分别布置一个激光传感器，两个激光传感器到喷头的距离相同；

步骤2、在喷头不工作即无雾滴的情况下，使用激光传感器在截面内扫描一次，采集此时的数据作为该截面内的环境数据；启动喷头，即有雾滴的情况下激光传感器在该截面内再扫描一次，采集在该截面内雾滴的分布数据，得到该截面内环境与雾滴的混合数据；

步骤3、将采集的数据从极坐标系格式转换为直角坐标系格式，对环境数据和混合数据进行叠加消除，得到无环境干扰的分布数据；对无环境干扰的分布数据进行坐标换算，得出该截面内雾滴的二维空间分布图，并得到雾滴在这个截面的位置分布和尺度特征，分别记录下有效高度和有效宽度的最大值、最小值；

步骤4、沿雾场扩散方向等间隔水平移动激光传感器，重复步骤2-步骤3，分别测量出每个截面的有效宽度和有效高度的最大值、最小值；

步骤5、将每个截面的有效高度和有效宽度的最大值、最小值以坐标形式描点，每个截面内的四点连线构成一个矩形，以此表示该截面内喷洒的有效范围；将每个矩形的四个最值点分别与其他矩形的相应最值点连线，得到喷雾雾滴的三维空间分布形态示意图。

2.根据权利要求1中所述一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法，其特征在于，所述步骤3中的叠加消除过程采用模糊匹配环境消除法，以环境数据的每一个数值作为一个中心，将每一个数值的x轴、y轴同时放大成一个a×a的小型矩阵，a为设定的阈值，得到扩大后的环境数据，则此时的环境数据不再是点，而是由每个数值膨胀后形成的一个矩阵范围；将之后采集的混合数据每一个均与扩大后的环境数据进行分析，若这个混合数据落在了扩大后的环境数据的矩阵范围里，则这个混合数据在环境影响范围内，故去除；反之，则保留。