CN105300905B - 机载式气体遥测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了机载式气体遥测系统及方法。本发明提供了机载跟随装置，所述机载跟随装置包括：旋翼无人机；第一光源用于发出定位光束；至少三个探测器相互隔离且设置在所述旋翼无人机上，分别接收到所述定位光束的光强，并传送到比对模块；比对模块用于比对至少三个探测器分别接收到的光强，光强之间的偏差传送到控制模块；控制模块用于根据所述偏差而调整所述旋翼无人机的空间位置，使得所述至少三个探测器分别接收到的光强间的偏差在阈值内。本发明还公开了应用上述跟随装置的遥测系统。本发明具有高精度、结构简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电分析，尤其涉及机载式气体遥测系统及方法。
背景技术
气体监测和检测非常重要，但是在一些特殊条件下，人工携带检测设备进入现场非常危险，如在燃烧现场，在有爆炸、辐射、有毒污染的环境，在濒临坍塌的楼宇附近。
综上，提供一种非人工进入的气体含量检测方式成为气体检测领域迫切需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种定位精确、高效的机载跟随装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
机载跟随装置，所述机载跟随装置包括：
旋翼无人机；
第一光源，所述第一光源用于发出定位光束；
至少三个探测器，所述至少三个探测器相互隔离且设置在所述旋翼无人机上，分别接收到所述定位光束的光强，并传送到比对模块；
比对模块，所述比对模块用于比对至少三个探测器分别接收到的光强，光强之间的偏差传送到控制模块；
控制模块，所述控制模块用于根据所述偏差而调整所述旋翼无人机的空间位置，使得所述至少三个探测器分别接收到的光强间的偏差在阈值内。
根据上述的机载跟随装置，可选地，所述第一光源安装在监测车车顶。
根据上述的机载跟随装置，优选地，所述至少三个探测器为四个。
本发明的目的还在于提供了一种应用上述跟随装置的高精度、功能强大的机载式气体遥测系统，该发明目的通过以下技术方案得以实现：
机载式气体遥测系统，所述机载式气体遥测系统包括：
无人机跟随装置，所述无人机跟随装置采用上述的机载跟随装置；
遥测装置，所述遥测装置包括：
第二光源，所述第二光源用于发出测量光，所述测量光的波长覆盖待测气体的吸收谱线；所述第二光源安装在所述机载跟随装置的旋翼无人机上；
测量光探测器，所述测量光探测器用于将接收到的被反射物反射回来的测量光信号转换为电信号，并传送到分析模块；所述测量光探测器安装在所述旋翼无人机上；
分析模块，所述分析模块根据吸收光谱技术及所述电信号得出待测气体的含量。
根据上述的机载式气体遥测系统，优选地，所述待测气体的含量C为：
d为所述第二光源到反射物的距离；K为标定系数；b0为零点系数；V2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。
根据上述的机载式气体遥测系统，优选地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述测量光探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。
根据上述的机载式气体遥测系统，优选地，所述第二光源仅为一个，所述第二光源还用于发出脉冲光信号。
根据上述的机载式气体遥测系统，优选地，所述测量光探测器仅为一个。
本发明的目的还在于提供了一种精确、高效的气体遥测方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：
气体遥测方法，所述气体遥测方法包括跟随步骤、遥测步骤，所述跟随步骤具体包括以下步骤：
(A1)第一光源发出定位光束；
(A2)安装在旋翼无人机的至少三个探测器分别接收所述定位光束，输出的电信号分别传送到比对模块；
(A3)比对模块比对接收到的电信号，电信号间的偏差传送到控制模块：
若偏差小于阈值，则所述旋翼无人机维持现状；
若偏差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；
(A4)控制模块根据所述偏差调整所述旋翼无人机的空间位置，并进入所述步骤(A3)。
根据上述的气体遥测方法，优选地，所述至少三个探测器为四个。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.本发明创造性地将旋翼无人机用于气体遥测中，如大气、室内气体遥测中，无需人工进入，安全；
2.定位精确
利用至少三个探测器去接收定位光束，利用至少三个探测器输出的光强的电信号的偏差去调整旋翼无人机的空间位置，使得旋翼无人机处于所述第一光源的正上方，为高精度的遥测室内气体打下基础；
3.遥测精度高
利用仅有的一套光学系统(一个光源、一个探测器)准确地测得室内窗户到墙面的距离，也即，可以准确地测得室内待测气体的含量；
4.结构简单、低成本
仅使用一套光学系统即可测出室内窗户到墙面的距离以及光学路径上待测气体对测量光的吸收，显著地降低了遥测系统的复杂度及成本，提高了可维护程度；
5.应用领域广
将仅有的一套光学系统安装在旋翼无人机上，无人机飞到不同的高度，从而通过遥测测得不同楼层内室内气体的含量，拓展了应用领域；
6.功能强大
测得的含量信息可实时发送到业主的通信终端上，即使在外也可知晓室内气体的含量，及早发现天然气泄漏信息，排除安全隐患。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的机载式气体遥测系统的基本结构图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的机载式室内气体遥测系统的基本结构图，如图1所示，所述机载式室内气体遥测系统包括：
机载跟随装置，所述机载跟随装置包括：
旋翼无人机；
第一光源，如半导体激光器；所述第一光源用于发出定位光束；所述第一光源可设置在监测车顶；
至少三个探测器，所述至少三个探测器相互隔离且设置在所述旋翼无人机上，分别接收到所述定位光束的光强，并传送到比对模块；
比对模块，所述比对模块用于比对至少三个探测器分别接收到的光强，光强之间的偏差传送到控制模块；
控制模块，所述控制模块用于根据所述偏差而调整所述旋翼无人机的空间位置，使得所述至少三个探测器分别接收到的光强间的偏差在阈值内，以使得所述旋翼无人机处于所述第一光源的正上方；
遥测装置，所述遥测装置包括：
第二光源，所述第二光源用于发出测量光，所述测量光的波长覆盖待测气体(如甲烷，天然气的主要成分是甲烷)的吸收谱线；所述光源优选半导体激光器；所述第二光源安装在所述旋翼无人机上；
测量光探测器，所述测量光探测器用于将接收到的被反射物反射回来的脉冲光信号转换为电信号，并传送到分析模块；所述测量光探测器安装在所述旋翼无人机上；
分析模块，所述分析模块根据所述测量光探测器得到电信号、吸收光谱技术得出室内待测气体的含量，如专利CN1204391C中所述；
为了降低旋翼无人机的载重量以提高无人机的续航能力，进一步地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述测量光探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。
本发明实施例的机载式气体遥测方法，也即上述遥测系统的工作过程，所述机载式气体遥测方法包括以下步骤：
(B1)旋翼无人机携带跟随装置及遥测装置到达待测环境处，在此过程中，跟随方式包括以下步骤：
(A1)第一光源发出定位光束；
(A2)安装在旋翼无人机的至少三个探测器分别接收所述定位光束，输出的电信号分别传送到比对模块；
(A3)比对模块比对接收到的电信号，电信号间的偏差传送到控制模块：
若偏差小于阈值，则所述旋翼无人机维持现状；
若偏差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；
(A4)控制模块根据所述偏差调整所述旋翼无人机的空间位置，并进入所述步骤(A3)；
(B2)待旋翼无人机到达待测环境，旋翼无人机(飞离监测车或处于监测车正上方)上的第二光源发出的测量光射入待测环境内，待测气体(如甲烷，天然气的主成分是甲烷)吸收后的测量光被所述反射物反射，被测量光探测器接收并转换为电信号，并传送到分析模块；
(B3)分析模块根据所述测量光探测器得到的电信号、吸收光谱技术得出室内待测气体的含量，如专利CN1204391C中所述。
为了获得待测环境内待测气体的绝对浓度，优选地，所述待测气体的含量C为：
d为第二光源到反射物的距离；K为标定系数；b0为零点系数；V2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。
为了降低无人机的载重量以提高无人机的续航能力，进一步地，所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述测量光探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。
对于载重量大的旋翼无人机，为了降低复杂度，所述分析模块可安装在所述无人机上，通过无线方式将所述待测气体的含量C传送到监控室或监控车。
为了让业主掌握室内的安全状况，及早发现天然气泄漏等安全隐患，进一步地，所述机载式室内气体遥测方法进一步包括以下步骤：
(B4)若待测气体的含量C不为零，且呈递增趋势，提示报警，并将含量信息发送到业主的通信终端上。
实施例2：
根据本发明实施例1的遥测系统及方法在住宅楼各层房间内天然气泄漏检测中的应用例。
在该应用例中，第一光源采用激光器，安装在监测车车顶；至少三个探测器采用四
个，相互隔离，对称分布(四象限分布)，安装在多旋翼无人机上；遥测装置仅有的一个光源
(即第二光源)采用DFB激光器，测量光的波长包括1651nm(对应到甲烷的吸收谱线)；激光器
的驱动电路向激光器输出脉冲电流信号及连续电流信号，使得激光器发出用于测距的脉冲
光信号，以及检测吸收状况的连续光信号；遥测装置仅有的一个探测器(即测量光探测器)
采用铟镓砷材料；无人机采用大疆多旋翼无人机，所述一个光源和探测器安装在无人机上；
使用会聚透镜(或凹面反射镜)收集被窗户及墙壁反射的光，会聚后的光被一个探测器接
收；跟随装置内的第一比对模块、第一控制模块和定位装置内的第二比对模块、第二控制模
块及摄像机、存储器安装在无人机上；分析模块安装在监控车内，分析模块和探测器之间采
用无线通信，分析模块利用脉冲信号分别被窗户、墙壁反射后的反射光到达探测器的时间
差Δt而得出窗户到墙壁的距离c为光速。
气体遥测方法，也即上述遥测系统的工作过程，气体遥测方法包括以下步骤：
跟随步骤：
(A1)移动的监测车车顶的第一光源发出定位光束；
(A2)所述定位光束经过会聚透镜(或凹面反射镜)会聚在旋翼无人机上的四个探测器，四个探测器分别接收所述定位光束，输出的电信号分别传送到第一比对模块；
(A3)第一比对模块比对接收到的电信号，电信号间的偏差(即偏心信号)传送到控制模块：
若偏差小于阈值，则所述旋翼无人机维持现状，继续跟随监测车移动；
若偏差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；
(A4)第一控制模块根据所述偏差调整所述旋翼无人机的空间位置，并进入所述步骤(A3)；
定位步骤：
待监测车进入待测环境外时，无人机飞入待测环境中，需要调整多旋翼无人机的位置，无人机携带的摄像机在楼房一层窗户外合适的检测位置处拍摄一幅模板图像并存储在存储器内；
无人机爬升一定高度，该高度约等于楼房的层高。爬升的高度可以通过GPS控制，或者操作员大概估计一个高度。无人机悬停之后，所携带的(定位装置内的)摄像机拍摄一幅图像，(定位装置内的)第二比对模块(单独的第二比对模块，或与第一比对模块共用)内的软件提取图像上窗户的角点(角点提取可使用Harris算法或其他类似的图像特征提取算法)，然后与存储的模板图像上窗户的角点位置进行匹配，如果角点在图像的位置以及相互的角度、距离与模板基本一致(可以设定三个比较阈值，当位置、角度和距离均小于给定阈值时，认为一致)，则匹配成功，表示定位成功，进入遥测步骤。如果上述信息差异较大，说明定位失败。
如果定位失败，(定位装置内的)第二控制模块(单独的第二控制模块，或与第一控制模块共用)尝试旋转无人机或者旋转所携带的摄像机一定角度，再次拍摄图像，按照上述匹配方法与模板图像进行匹配，如果匹配成功，则表示定位成功，进入遥测步骤。
如果第二控制模块调整无人机及摄像机姿态之后仍然未成功，则需要第二控制模块调整无人机的高度，上升或者下降一定距离，然后重复上述步骤，直到定位成功；
遥测步骤：
定位成功后，无人机上的激光器(第二光源)发出的脉冲光分别被精确定位的楼层的窗户和墙壁反射，反射光到达测量光探测器的时间不同，输出的第一组电信号传送到分析模块；
无人机上的激光器发出的连续光射入室内，被室内气体吸收，并被墙壁反射，通过分析测量光探测器接收到的对应于甲烷的吸收谱线的测量光的强度的变化，输出的第二电信号通过无线方式传送到分析模块；
分析模块利用测量光探测器接收到的反射光信号的时间差得到窗户到墙壁的距
离d，进而根据公式得到室内甲烷含量；
若待测气体的含量C不为零，且呈递增趋势，提示报警，并将含量信息发送到业主的通信终端上，以便业主及时处理，排除天然气泄漏隐患。
实施例3：
本发明实施例的气体遥测系统及方法，与实施例2不同的是，至少三个探测器为三个，相邻探测器间的夹角为120度，且隔离。
上述实施例仅是示例性地给出了检测室内空气中甲烷的情况，当然还可以是大气或室内的其它气体，如苯系物、甲醛、煤气等有毒、有害气体及易燃易爆气体，对于本领域的技术人员来说，这些气体检测的具体实施例方式，在上述实施例的基础上是不需要付出创造性即可得出的。
Claims (6)
1.机载式气体遥测系统，其特征在于：所述机载式气体遥测系统包括：
无人机跟随装置，所述无人机跟随装置包括：
旋翼无人机；
第一光源，所述第一光源用于发出定位光束；
四个探测器，所述四个探测器相互隔离、对称呈四象限分布且设置在所述旋翼无人机上，分别接收到所述定位光束的光强，所述定位光束经过会聚透镜或凹面反射镜会聚在所述四个探测器，所述四个探测器分别接收所述定位光束，输出的电信号分别传送到比对模块；
比对模块，所述比对模块用于比对所述四个探测器分别接收到的光强，光强之间的偏心差传送到控制模块；
控制模块，所述控制模块用于根据所述偏心差而调整所述旋翼无人机的空间位置，若偏心差小于阈值，则所述旋翼无人机维持现状；若偏心差不小于所述阈值，则控制模块根据所述偏心差调整所述旋翼无人机的空间位置，以使得所述四个探测器分别接收到的光强间的偏心差在阈值内；
遥测装置，所述遥测装置包括：
第二光源，所述第二光源用于发出测量光，所述测量光的波长覆盖待测气体的吸收谱线；所述第二光源安装在所述旋翼无人机上；
测量光探测器，所述测量光探测器用于将接收到的被反射物反射回来的测量光信号转换为电信号，并传送到分析模块；所述测量光探测器安装在所述旋翼无人机上；
分析模块，所述分析模块根据吸收光谱技术及所述电信号得出待测气体的含量C为：
d为所述第二光源到反射物的距离；K为标定系数；b0为零点系数；V2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。
2.根据权利要求1所述的机载式气体遥测系统，其特征在于：所述第二光源仅为一个，所述第二光源还用于发出脉冲光信号。
3.根据权利要求1所述的机载式气体遥测系统，其特征在于：所述测量光探测器仅为一个。
4.根据权利要求1所述的机载式气体遥测系统，其特征在于：所述分析模块设置在监控室或监控车内；所述测量光探测器通过无线方式将输出的电信号传送到所述分析模块。
5.根据权利要求1所述的机载式气体遥测系统，其特征在于：所述第一光源安装在监测车车顶。
6.一种气体遥测方法，所述气体遥测方法包括跟随步骤、遥测步骤，所述跟随步骤具体包括以下步骤：
(A1)第一光源发出定位光束；
(A2)安装在旋翼无人机的四个探测器分别接收所述定位光束，输出的电信号分别传送到比对模块，所述四个探测器对称呈四象限分布；所述定位光束经过会聚透镜会聚在旋翼无人机上的四个探测器，四个探测器分别接收所述定位光束，输出的电信号分别传送到第一比对模块；
(A3)比对模块比对接收到的电信号，电信号间的偏心差传送到控制模块：
若偏心差小于阈值，则所述旋翼无人机维持现状；
若偏心差不小于所述阈值，则进入步骤(A4)；
(A4)控制模块根据所述偏心差调整所述旋翼无人机的空间位置，并进入所述步骤(A3)；
所述遥测步骤包括：
无人机上的第二光源发出的测量光射入待测环境内，待测气体吸收后的测量光被反射物反射，被测量光探测器接收并转换为电信号，并传送到分析模块；
分析模块根据所述测量光探测器得到的电信号、吸收光谱技术得出待测气体的含量
d为所述第二光源到反射物的距离；K为标定系数；b0为零点系数；V2f为气体吸收二次谐波信号的强度；V1f为气体吸收一次谐波信号的强度；S(T)为吸收谱线的温度变化函数；B(P,T)为吸收谱线温度压力补偿关系函数。
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