CN112595686A - 一种基于双无人机的远程红外物质检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双无人机的远程红外物质检测系统及其检测方法，所述系统包括：第一无人机，用于安装红外光源；第二无人机，用于安装红外探测装置；红外光源，用于向待检测物质发射第一红外光束；所述红外光源设置于所述第一无人机上；红外探测装置，用于获取所述待检测物质与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；所述红外探测装置设置于所述第二无人机上；地面控制站，用于与所述第一无人机、所述第二无人机、所述红外光源和所述红外探测装置通信；所述地面控制站分别与所述第一无人机、所述第二无人机、所述红外光源和所述红外探测装置通信连接。本申请能准确捕获物质的全貌，可以通过红外相机观察精确定位并具有测温功能；成本低、精度高。
Description
技术领域
本发明属于物质检测技术领域，具体涉及一种基于双无人机的远程红外物质检测系统及其检测方法。
背景技术
针对产生于火山或地震喷发、露天煤矿或油气田的燃烧、森林或工矿厂区的火灾烟气、野外或高架油气管道的气体泄露以及化工企业高炉废气排放等远距离的有毒有害气体的检测或监控是一项比较困难的任务。例如，高炉废气排放在化工企业比较普遍，特别是夜间，偷排未经处理或处理不充分的有毒有害气体会给环境造成污染。由于高炉排放一般在人员难以到达的高处，给环保人员的经常性监控造成不便。故针对上述场景，急需能够在人员不能达到地区从远距离外测量排放气体的种类和浓度的方法和设备。
市场上已有在地面上架设的激光主动遥测测试设备，此设备采用激光光束照射高炉出口位置，然后通过高灵敏红外探测器探测反射回的激光信号。由于激光的谱段可调范围有限，因此难以同时检测多种气体成分，且这种检测系统由于采用中红外激光器，价格十分昂贵。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于双无人机的远程红外物质检测系统及其检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双无人机的远程红外物质检测系统，包括：
第一无人机，用于安装红外光源；
第二无人机，用于安装红外探测装置；
红外光源，用于向待检测物质发射第一红外光束；所述红外光源设置于所述第一无人机上；
红外探测装置，用于获取所述待检测物质与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；所述红外探测装置设置于所述第二无人机上；
地面控制站，用于与所述第一无人机、所述第二无人机、所述红外光源和所述红外探测装置通信；所述地面控制站分别与所述第一无人机、所述第二无人机、所述红外光源和所述红外探测装置通信连接。
优选地，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有相机。
优选地，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有定位系统。
优选地，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有高度计。
优选地，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有激光测距仪。
优选地，所述第一无人机和所述第二无人机之间的距离为2m-20m。
优选地，所述红外光源为红外热发射阵列或红外LED阵列。
优选地，所述第一红外光束的发散角小于2度。
优选地，所述红外探测装置为红外多通道探测器或红外成像相机。
本发明还提供了一种基于双无人机的远程红外物质检测系统的检测方法，所述远程红外物质检测系统包括如上述中任一所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，所述方法包括步骤：
根据待检测物质位置地面控制站控制第一无人机和第二无人机按照预设轨迹飞行；
所述地面控制站控制红外光源向所述待检测物质发射第一红外光束；
所述地面控制站控制所述红外探测装置获取所述待检测物质与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；
所述地面控制站获取所述红外探测装置发送的与所述第二红外光束相关的探测数据；
所述地面控制站对所述探测数据进行分析并得到所述待探测物质的信息。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种基于双无人机的远程红外物质检测系统及其检测方法，利用无人机携带低成本的高亮度红外准直光源和多通道红外探测器到现场实地测量待测物质，相比地面上的激光遥测或光谱成像测量更能准确捕获物质的全貌，可以通过红外相机观察精确定位并具有测温功能；具有成本低、精度高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于双无人机的远程红外物质检测系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于双无人机的远程红外物质检测系统中红外光源的示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种基于双无人机的远程红外物质检测系统，包括：
第一无人机10，用于安装红外光源30；
第二无人机20，用于安装红外探测装置40；
红外光源30，用于向待检测物质60发射第一红外光束；所述红外光源30设置于所述第一无人机10上；
红外探测装置40，用于获取所述待检测物质60与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；所述红外探测装置40设置于所述第二无人机20上；
地面控制站50，用于与所述第一无人机10、所述第二无人机20、所述红外光源30和所述红外探测装置40通信；所述地面控制站50分别与所述第一无人机10、所述第二无人机20、所述红外光源30和所述红外探测装置40通信连接。
当使用此系统对待检测物质60进行检测时，首先根据待检测物质60位置地面控制站50控制第一无人机10和第二无人机20按照预设轨迹飞行，也即地面控制站50控制第一无人机10和第二无人机20在待检测物质60周围按照预设轨迹飞行，当第一无人机10和第二无人机20伴飞到达待检测物质60附近的合适位置后，经过姿态和位置调整，第一无人机10上的红外光源30发射的第一红外光束能够照射至待检测物质60上，第二无人机20上的红外探测装置40能够捕捉待检测物质60与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束，并处于较优的接收或成像状态。当此系统工作时，红外光源30发射的第一红外光束穿过待检测物质60后达到第二无人机20，被红外探测装置40接收并探测，在经过红外探测装置40的放大去噪和数字化等处理后送入地面控制站50，地面控制站50经过进一步分析和信号处理，最后在显示器上显示待检测物质60的相关信息。
在本申请实施例中，所述第一无人机10和/或所述第二无人机20上设置有相机。此相机可以为可见光相机，用于观察环境和对方无人机的位置。
在本申请实施例中，所述第一无人机10和/或所述第二无人机20上设置有定位系统。此定位系统可以为GPS定位系统或北斗定位系统，用于对无人机进行定位。
在本申请实施例中，所述第一无人机10和/或所述第二无人机20上设置有高度计。此高度计可以检测无人机的高度。
在本申请实施例中，所述第一无人机10和/或所述第二无人机20上设置有激光测距仪。此激光测距仪可以检测两个无人机之间的距离，保证二者之间的距离时刻处于预设范围内，防止二者距离过远或过远而导致检测结果不理想。
在本申请实施例中，所述第一无人机10和所述第二无人机20之间的距离为2m-20m。当第一无人机10和第二无人机20之间的距离低于2m或者大于20m时会导致检测结果不理想。
在本申请实施例中，所述红外光源30为红外热发射阵列或红外LED阵列。
对于长距离的红外传感使用，红外激光因具有亮度高、方向性好和传输距离远的优点，是红外光源的首选。但是在无人机的悬停精度不高和大气气流扰动较大的情况下，发散角很小的红外激光光束与红外探测装置的捕获和对准需要双无人机都具有高稳定的跟踪平台。目前中长波红外激光器(3-12微米)还比较昂贵，在考虑成本的情况下需要选择其他的红外光源。
本实施例选择一种成本较低的高亮度红外热发射阵列光源，其结构如图2所示。该光源由发射芯片310和准直芯片320通过中间间隔层314键合组成，其中发射芯片310由硅衬底311表面的多个红外热发射单元312组成阵列形式而构成，每个发射单元下方有干法或湿法腐蚀的空腔313，目的是减少热发射单元通过衬底的热传输损耗；准直芯片320由硅衬底表面的一系列与发射芯片上的热发射阵列相对应的微透镜阵列321组成，目的是将热发射单元的高发散角光束准直成发散角为2度以下的准直红外光束322(也即第一红外光束的发散角小于2度)。这种准直后的热红外光束322在传输到5米处距离上的光斑大小约为0.18m，易于被具有中等稳定精度的跟踪平台所捕获。相比红外激光光源，该光源虽然发散角大导致能量密度低，但是其制作成本较低。另外具有黑体辐射特征的热光源的发射谱宽，可以提供从近红外到长波红外的所有辐射波长。同时，为了提高电光效率，减少功耗，还可以在热发射单元表面通过光子学结构的设计对发射谱进行裁剪，减少不需要谱段的发射率，减少热光源的发热量。该发射源的加热温度一般为400℃-600℃，可以产生2微米-20微米的红外辐射。该高温将通过辐射或对流加热准直芯片，故准直芯片和热发射芯片之间的中间间隔层选用高热导金属材料，可以及时将准直芯片的高热量传到导发射芯片，而发射芯片由于固定在管壳上可以作为热沉，故可以大大减少准直芯片的温度上升。
另外一种低成本的红外光源是红外LED阵列，由多个LED单元组成阵列可以提高发射功率，加上准直阵列，也可以达到2度以下的发散角。不过由于半导体材料的原因，红外LED的发射波长一般只限于中红外波段，即波长6μm以下。
本实施例中的红外探测装置40可以为多通道红外探测器，其中多通道红外探测器的每个通道都具有不同透射波长的红外滤光片，可以选择不同的波长进行探测，如四通道热释电红外探测器，每个通道上含有一个带宽为30-150nm的滤光片，中心透射波长分别为4.26μm、4.02μm、3.42μm和3.9μm，分别对应CO2、SO2、NO2的吸收峰和一个参考波长。因此，该四通道热释电红外探测器可用于探测含有这三种气体成分的多组分气体介质，得到这三种气体成分的浓度数据。若采用八通道红外探测器，配上合适的滤光片，则可以探测高炉废气排放的常用气体成分，如SO2、NO2、N2O、NH3、H2S、CO、CH4等。
上述的红外探测装置还可以是微型红外光谱仪，如基于光栅分光和线列红外探测器的微型红外单色仪，它具有多达256甚至512个密集排列的探测单元，可以实现在某个波段区间几乎连续的红外光谱探测。其他的可以获得近连续谱的微型红外光谱仪还有基于压电或静电驱动的Fbray-Peort电控扫描光谱仪和基于傅里叶变换的光谱仪。微型红外光谱仪一般采用MEMS技术和微纳光学技术设计和制造，其体积、重量和功耗可以大大减小，有利于廉价型无人机携带。
对于基于红外吸收的传感，双无人机之间红外光学系统之间的对准是实现高灵敏传感的前提，这个对准意味着发射的红外光经过吸收后能够尽可能多地被红外探测装置所接收而被探测。本实施例除了采用可见光相机捕获对方图像并进行姿态调整，实现双无人机正面相对观察外，还可以采用热红外相机在夜间代替可见光相机对目标区域进行成像观察，同时还可以通过成像测温识别温度异常区域，并获得三维温度场，如高炉排放的气体云在排气口一般具有比环境高的温度分布，通过双无人机绕观察区域旋转热成像一周，经过三维温度场重建可以获得气体云柱某一个水平切面的温度场分布，进而得到气体云柱的大致直径。
在本申请实施例中，本发明还提供了一种基于双无人机的远程红外物质检测系统的检测方法，所述远程红外物质检测系统包括如图1中所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，所述方法包括步骤：
根据待检测物质60位置地面控制站50控制第一无人机10和第二无人机20按照预设轨迹飞行；
所述地面控制站50控制红外光源30向所述待检测物质60发射第一红外光束；
所述地面控制站50控制所述红外探测装置40获取所述待检测物质60与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；
所述地面控制站50获取所述红外探测装置40发送的与所述第二红外光束相关的探测数据；
所述地面控制站50对所述探测数据进行分析并得到所述待检测物资的信息。
本申请提供的一种基于双无人机的远程红外物质检测系统及其检测方法，利用无人机携带低成本的高亮度红外准直光源和多通道红外探测器到现场实地测量待测物质，相比地面上的激光遥测或光谱成像测量更能准确捕获物质的全貌，可以通过红外相机观察精确定位并具有测温功能；具有成本低、精度高的特点。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，包括：
第一无人机，用于安装红外光源；
第二无人机，用于安装红外探测装置；
红外光源，用于向待检测物质发射第一红外光束；所述红外光源设置于所述第一无人机上；
红外探测装置，用于获取所述待检测物质与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；所述红外探测装置设置于所述第二无人机上；
地面控制站，用于与所述第一无人机、所述第二无人机、所述红外光源和所述红外探测装置通信；所述地面控制站分别与所述第一无人机、所述第二无人机、所述红外光源和所述红外探测装置通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有相机。
3.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有定位系统。
4.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有高度计。
5.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述第一无人机和/或所述第二无人机上设置有激光测距仪。
6.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述第一无人机和所述第二无人机之间的距离为2m-20m。
7.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述红外光源为红外热发射阵列或红外LED阵列。
8.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述第一红外光束的发散角小于2度。
9.根据权利要求1所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，其特征在于，所述红外探测装置为红外多通道探测器或红外成像相机。
10.一种基于双无人机的远程红外物质检测系统的检测方法，其特征在于，所述远程红外物质检测系统包括如权利要求1-9中任一所述的基于双无人机的远程红外物质检测系统，所述方法包括步骤：
根据待检测物质位置地面控制站控制第一无人机和第二无人机按照预设轨迹飞行；
所述地面控制站控制红外光源向所述待检测物质发射第一红外光束；
所述地面控制站控制所述红外探测装置获取所述待检测物质与所述第一红外光束作用后得到的第二红外光束；
所述地面控制站获取所述红外探测装置发送的与所述第二红外光束相关的探测数据；
所述地面控制站对所述探测数据进行分析并得到所述待探测物质的信息。
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| CN (1) | CN112595686A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116930113A (zh) * | 2023-08-01 | 2023-10-24 | 江苏省环境科学研究院 | 一种大气检测系统及方法 |
| CN116952880A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-10-27 | 江苏省环境科学研究院 | 一种适用于多种介质的检测系统及检测方法 |
-
2020
- 2020-12-17 CN CN202011492319.2A patent/CN112595686A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116930113A (zh) * | 2023-08-01 | 2023-10-24 | 江苏省环境科学研究院 | 一种大气检测系统及方法 |
| CN116930113B (zh) * | 2023-08-01 | 2024-01-30 | 江苏省环境科学研究院 | 一种大气检测系统及方法 |
| CN116952880A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-10-27 | 江苏省环境科学研究院 | 一种适用于多种介质的检测系统及检测方法 |
| CN116952880B (zh) * | 2023-08-07 | 2024-03-15 | 江苏省环境科学研究院 | 一种适用于多种介质的检测系统及检测方法 |
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