CN112611334A - 一种基于光敏成像传感器的测钎装置及测钎方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光敏成像传感器的测钎装置及测钎方法，通过测量土壤层在测钎上相对位置的变化，实现土壤流失量的测量。测钎中集成光敏成像传感器，暴露在环境光中的光敏成像传感器上像素点被太阳光或者环境光直接照射产生光电响应，而土壤层下的像素点由于受到土层遮挡，接收不到直射的太阳光或者环境光、仅仅接受少量散射光，从而仅有较弱的光电响应，通过光敏成像传感器上的光强的强弱分布推测土壤层与大气的界面，实现对土壤高度变化的长期监测。

Description

一种基于光敏成像传感器的测钎装置及测钎方法
技术领域
本发明属于水土保持在线检测技术领域，具体涉及一种基于光敏成像传感器的测钎装置及测钎方法，应用于监测水土流失的测钎法中对测钎原始数据的采集。
背景技术
水土流失是一个全球性的生态问题，解决水土流失问题的关键一步是对水土流失过程进行监测。传统依靠人力的人工监测手段不能适应水土保持新形势的发展趋势，全面推进信息化技术手段在水土保持监管工作中的应用已经成为当前的重要工作，及时精准发现以及长期在线监测水土流失成为当今水土保持领域的发展前沿。测钎法是指在坡面内尽可能减小地表扰动的情况下，向地表有规律插入若干刻有刻度的细钎，并在细钎中做好标记，记录坡面原始土层高度，后期通过记录土层高度的变化，观测计算坡面土壤侵蚀量。但记录土层高度变化需要人为观测，手工记录，操作不便。因此，需求一种不依赖人为观测、简单快捷的测钎读数装置对于水土流失的测量具有重大意义。
发明内容
本发明提供了一种基于光敏成像传感器的测钎装置及测钎方法，能够简便高效的读取测钎数据。
为达到上述目的，本发明所述一种基于光敏成像传感器的测钎装置，包括测钎杆，所述测钎杆具有透光区，所述透光区上设置有遮光物，所述透光区中安装有光敏成像传感器，所述光敏成像传感器的输出端和光电检测电路连接，所述光电检测电路用于采集光敏成像传感器采集到的光信号，并将光信号转化为电信号，根据电信号计算出土壤表面距离遮光物的下界面的真实距离。
进一步的，光敏成像传感器封装在气密室中。
进一步的，光敏成像传感器的输出端和光电检测电路通过信号线连接，所述气密室上开设有用于穿过信号线的气密穿孔。
进一步的，遮光物为刻在测钎杆的杆壁上的不透光的条状图案，所述条状图案和光敏成像传感器正对。
进一步的，光敏成像传感器为线性CCD阵列、面阵CCD、基于光敏电阻阵列或者光伏单元阵列。
进一步的，测钎杆为中空结构。
所述光电检测电路包括：
光敏成像传感器驱动电路，用于为光敏成像传感器供电，并将光敏成像传感器检测到的光信号转化为电信号；
嵌入式信号解算电路，接收光敏成像传感器驱动电路发送的电信号，并根据接收到的电信号，计算土壤表面距离遮光物的下界面的真实距离；
线性稳压器构成的供电电路，用于为整个测钎供电；
蓝牙芯片构成的无线传输电路，用于将测钎检测到的数据发送至数据收集器或服务器。
基于上述的测钎装置的测钎方法，包括以下步骤：
步骤1、将测钎杆插入土壤中，使得其中一部分光敏成像传感器在土壤之下，剩余部分在土壤之上；
步骤2、通过照射到光敏成像传感器的光的强弱空间分布判断是否存在阻挡光线的障碍物，通过已知位置的遮光物的投影位置，遮光物为刻在光敏成像传感器正对测钎杆杆壁上的能够标定的不透光的条状图案，校准环境入射光线的角度θ；
步骤3、基于步骤2得到的环境入射光线的角度θ，并通过土壤表面在传感器上的阴影的投影像素位置w1，传感器表面到测钎杆表面的垂直距离d，计算土壤表面对应真实像素位置w0，表达式为：
w0＝d·tan(θ)/Λ+w1
步骤4、根据步骤3得到的土壤表面对应真实像素位置w0计算土壤表面距离标定物体的下界面的真实距离Δ，计算公式为：Δ＝Λ，其中，Λ为像素的几何尺寸，c2为遮光物在光线照射下在光敏成像传感器上形成的阴影下端位置对应的像素位置；根据不同检测时刻得到的土壤表面距离遮光物的下界面的真实距离Δ，计算土壤厚度的变化量。
进一步的，步骤2中，环境入射光线的角度θ的校准过程包为：
测定光敏成像传感器表面到遮光物距离d，校准用入射光垂直于光敏成像传感器入射，通过读取阵列传感器的光强随像素位置的数据获取遮光物在传感器的投影的阴影的上位置，通过分析信号中像素位置梯度最大的位置，判断遮光物在光线照射下在光敏成像传感器上形成的隐形的上边界和下边界，上边界对应的像素位置为c1为，下边界对应的像素位置为c2为；
设固定的遮光物在光敏成像传感器的投影的阴影的上端位置对应的传感器像素位置为s1和上端位置对应的像素位置s2，太阳光照射角度θ满足如下表达式：
tan(θ)＝0.5|s1+s2-c1-c2|Λ/d
其中，Λ为像素的几何尺寸的大小。
进一步的，步骤4中，计算土壤厚度的变化量后进行低通滤波，滤波后的数据通过蓝牙芯片输出至信号收集器或服务器。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明中，测钎中集成光敏成像传感器和光电检测电路，通过光敏成像传感器感应的光强的变化，不断计算土壤距离标定物的距离，实现对土壤层在测钎上相对位置的变化的长期检测，从而达到对土壤流失量的测量，此方案只需在测钎杆中增加光电传感器即可，易于实现，操作方便。
进一步的，采用气密封装形成的气密室可以防止水汽进入，防止由于内外温差导致的钎壁内测产生水雾从而影响光敏成像传感器光响应的问题，提升光电测钎装置的稳定性。
进一步的，测钎杆中空直径约为1cm-2cm，仍然保持一定机械强度，可以不变形插入土壤。
本发明所述的方法，利用暴露在环境光中的光敏成像传感器上像素点被太阳光或者环境光直接照射产生光电响应，而土壤层下的像素点由于受到土层遮挡，接收不到直射的太阳光或者环境光、仅仅接受少量散射光，仅有较弱的光电响应的原理，通过光敏成像传感器上的光强的强弱分布推测土壤层与大气的界面，并计算土壤距离标定物的距离，从而计算土壤厚度的变化。
进一步的，通过滤波提高测量结果的准确性。
附图说明
图1为测钎整体示意图；
图2为气密室示意图；
图3为本发明工作原理图；
图4为障碍物边缘和光强关系图；
图5为流程图。
附图中：1、测钎杆，2、透光区，3、光敏成像传感器，4、惰性气体，5、气密穿孔，6、供电线，7、信号线，8、遮光物，9、气密室，20、土壤，21、透光钎壁。
图3中的虚线为太阳光线。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1和图2，一种基于光敏成像传感器测钎，主要包含中空或者部分中空的测钎杆1，测钎杆1的中空位置安装含有光敏成像传感器3的透光的气密室9。测钎杆1安装光敏成像传感器3的位置处透光。透光杆壁可以高效率透过太阳光或者部分太阳光光谱成分。采用气密封装形成的气密室9可以防止水汽进入，防止由于内外温差导致的钎壁内测产生水雾从而影响光敏成像传感器光响应的问题，提升光电测钎装置的稳定性。透光钎壁21可以允许太阳光透射并入射到光敏成像传感器3上，从而分析空间光场信息。
与光敏成像传感器3相距一定距离的测钎杆壁有一定宽度的遮光物8，利用光敏成像传感器3上的光强的强弱变化判断透光和不透光的界面在光敏成像传感器3上的投影位置，这些界面包括不透光的条状图案和透光区2的界面以及土壤20与空气层的界面。利用透光和不透光的界面，判断不透光条状图案投影在光敏成像传感器的阴影区域，通过计算区域的宽度，利用投影关系计算出太阳光或者环境光的入射角度。利用太阳光或者环境光的入射角度以及土壤20与空气层的界面在光敏成像传感器的投影，利用投影关系计算出土壤层的实际高度。
气密室9上开设有用于穿过供电线6以及信号线7的气密穿孔5，光敏成像传感器置于充满惰性气体4的气密室9中，所有供电线6以及信号线7通过气密穿孔5引出气密室9。
光敏成像传感器是将光信号转换为电信号的一类传感器的总称。具体实施方案可以是线性电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)阵列、面阵CCD，也可以是定制的基于光敏电阻阵列或者光伏单元阵列。
测钎杆1中空直径约为1cm-2cm，仍然保持一定机械强度，可以不变形插入土壤20。
光敏成像传感器的供电线以及控制和读出等信号线与光电检测电路连接，通过集成在嵌入式处理器上的信号读出控制软件，实现数据的读出。
集成光电监测电路的功能是驱动光敏成像传感器，并对光敏成像传感器的信号进行解算，同时将解算出的信号——土壤表面距离标注物体的下界面的真实距离发送出来，其中包括：
1)光敏成像传感器驱动电路，用于为光敏成像传感器供电，并将光敏成像传感器检测到的光信号转化为电信号；
2)基于嵌入式平台的信号解算电路，接收光敏成像传感器驱动电路发送的电信号，并根据接收到的电信号，计算土壤表面距离标注物体的下界面的真实距离。
3)线性稳压器构成的供电电路，用于为整个测钎供电；
4)蓝牙芯片构成的无线传输电路，用于将测钎检测到的数据发送至数据收集器或服务器。
参照图4，一种基于光敏成像传感器的测钎方法，的过程如下：
如图3和图5所示，将测钎杆1插入土壤20中，使得其中一部分光敏成像传感器3在土壤20之下，剩余部分在土壤20之上。光敏成像传感器3对光照具有线性空间响应(线性传感器)，线性方向可以通过选择安装方式使得其沿着测钎杆1的长度方向布置，或者面空间响应(面阵传感器)，其中一个方向沿着测钎杆长度1方向布置。通过照射到传感器3的光的强弱空间分布可以判断是否存在阻挡光线的障碍物，通过已知位置的遮光物8的投影位置，遮光物8为刻在光敏成像传感器正对测钎杆杆壁上的可以标定的不透光的条状图案，从而校准环境入射光线的角度。在标定过程中，以线性传感器为例，首先测定传感器表面到测钎杆杆壁的遮光物8距离，记为d，校准用入射光垂直于传感器入射，即平行于土壤表面入射，固定的遮光物8在传感器的投影的阴影的上位置可以通过读取线性传感器的光强随像素位置的数据，通过分析信号中像素位置梯度最大的位置，判断阴影的边界，记对应的传感器像素位置：c1为阴影顶端位置对应的像素位置，c2为阴影下端位置对应的像素位置。在实际使用过程中，测钎杆1接受太阳光的光照，设固定的不透光的区域在传感器的投影的阴影的上端位置对应的传感器像素位置为s1和上端位置对应的像素位置s2，太阳光照射角度θ满足如下表达式，
tan(θ)＝0.5|s1+s2-c1-c2|Λ/d
上式中Λ为像素的几何尺寸的大小。基于此角度信息，并通过土壤20表面在传感器上的阴影的投影像素位置w1，推断土壤20表面对应真实像素位置w0信息，具体可以用如下表达式，
w0＝d·tan(θ)/Λ+w1
再次上次利用标定信息c2，可以计算出土壤表面距离标注物体的下界面的真实距离Δ，标注物体指遮光物，具体表达式如下：
Δ＝(c2-w1)A-d·tan(θ)；
Δ＝(c2-w0)Λ。
根据不同检测时刻得到的土壤表面距离标注物体的下界面的真实距离Δ，计算土壤厚度的变化量，然后进行低通滤波，提高数据的准确性，滤波后的数据通过蓝牙芯片输出至信号收集器或服务器。
因此，通过在有阳光照射的情况下，读取光敏成像传感器的光强数据，通过驱动电路及信号读出软件将光强信号转换为可被检测的电压信号，通过分析土壤表面在光敏成像传感器的投影位置w1和光线照射角θ，可以实现对土壤高度变化的长期监测。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，包括测钎杆(1)，所述测钎杆(1)具有透光区(2)，所述透光区(2)上设置有遮光物(8)，所述透光区(2)中安装有光敏成像传感器(3)，所述光敏成像传感器(3)的输出端和光电检测电路连接，所述光电检测电路用于采集光敏成像传感器(3)采集到的光信号，并将光信号转化为电信号，根据电信号计算出土壤表面距离标遮光物(8)的下界面的真实距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，所述光敏成像传感器(3)封装在气密室(9)中。
3.根据权利要求2所述的一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，所述光敏成像传感器(3)的输出端和光电检测电路通过信号线(7)连接，所述气密室(9)上开设有用于穿过信号线(7)的气密穿孔(5)。
4.根据权利要求1所述的一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，所述遮光物(8)为刻在测钎杆(1)的杆壁上的不透光的条状图案，所述条状图案和光敏成像传感器正对。
5.根据权利要求1所述的一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，所述光敏成像传感器(3)为线性CCD阵列、面阵CCD、基于光敏电阻阵列或者光伏单元阵列。
6.根据权利要求1所述的一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，所述测钎杆(1)为中空结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于光敏成像传感器的测钎装置，其特征在于，所述光电检测电路包括：
光敏成像传感器驱动电路，用于为光敏成像传感器供电，并将光敏成像传感器检测到的光信号转化为电信号；
嵌入式信号解算电路，接收光敏成像传感器驱动电路发送的电信号，并根据接收到的电信号，计算土壤表面距离遮光物(8)的下界面的真实距离；
线性稳压器构成的供电电路，用于为整个测钎供电；
蓝牙芯片构成的无线传输电路，用于将测钎检测到的数据发送至数据收集器或服务器。
8.基于权利要求1所述的测钎装置的测钎方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将测钎杆(1)插入土壤(20)中，使得其中一部分光敏成像传感器(3)在土壤(20)之下，剩余部分在土壤(20)之上；
步骤2、通过照射到光敏成像传感器(3)的光的强弱空间分布判断是否存在阻挡光线的障碍物，通过已知位置的遮光物(8)的投影位置，遮光物(8)为刻在光敏成像传感器正对测钎杆杆壁上的能够标定的不透光的条状图案，校准环境入射光线的角度θ；
步骤3、基于步骤2得到的环境入射光线的角度θ，并通过土壤(20)表面在传感器上的阴影的投影像素位置w1，传感器表面到测钎杆表面的垂直距离d，计算土壤(20)表面对应真实像素位置w0，表达式为：
w0＝d·tan(θ)/Λ+w1
步骤4、根据步骤3得到的土壤(20)表面对应真实像素位置w0计算土壤表面距离标定物体的下界面的真实距离Δ，计算公式为：Δ＝(c2-w0)Λ，其中，Λ为像素的几何尺寸，c2为遮光物(8)在光线照射下在光敏成像传感器(3)上形成的阴影下端位置对应的像素位置；根据不同检测时刻得到的土壤表面距离遮光物(8)的下界面的真实距离Δ，计算土壤厚度的变化量。
9.根据权利要求8所述的一种测钎方法，其特征在于，所述步骤2中，环境入射光线的角度θ的校准过程包为：
测定光敏成像传感器(3)表面到遮光物(8)距离d，校准用入射光垂直于光敏成像传感器(3)入射，通过读取阵列传感器的光强随像素位置的数据获取遮光物(8)在传感器的投影的阴影的上位置，通过分析信号中像素位置梯度最大的位置，判断遮光物(8)在光线照射下在光敏成像传感器(3)上形成的隐形的上边界和下边界，上边界对应的像素位置为c1为，下边界对应的像素位置为c2为；
设固定的遮光物(8)在光敏成像传感器(3)的投影的阴影的上端位置对应的传感器像素位置为s1和上端位置对应的像素位置s2，太阳光照射角度θ满足如下表达式：
tan(θ)＝0.5|s1+s2-c1-c2|Λ/d
其中，Λ为像素的几何尺寸的大小。
10.根据权利要求8所述的一种测钎方法，其特征在于，所述步骤4中，计算土壤厚度的变化量后进行低通滤波，滤波后的数据通过蓝牙芯片输出至信号收集器或服务器。
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