CN112782123A - 基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统、方法 - Google Patents

基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统、方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，包括：无人机控制系统，用于实时控制无人机飞行；气象参数探测模块，包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器，能够测量近地大气层不同高度的温度、气压、湿度、风速以及风向；气溶胶粒径谱探测模块，包含光学气溶胶粒径仪和大气测量传感器；所述光学气溶胶粒径仪能够获得大气中颗粒物粒径谱分布；所述大气测量传感器为折射率结构常数的测量以及颗粒物粒径谱分析提供对比数据；大气湍流探测模块，包括用于获取温度变化量的微温传感器，以及将温度变化量转化为折射率结构常数的转换板；数据处理系统，对接收的数据进行解析、存储、显示。

Description

基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统、方法
技术领域
本发明涉及气象探测领域，具体涉及一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统、方法。
背景技术
通常把温度起伏引起大气折射率的变化的湍流称之为光学湍流，湍流强度多以大气折射率结构常数衡量，其不仅与大气温度、压强、相对湿度、风速等气象参数有关，还与地形、污染物浓度、天气系统等环境参数息息相关。在城市大气污染物的扩散、传输、迁移等是复杂的多尺度过程中，污染物的浓度与边界层风、湍流等存在明显的关系，分析近地层温湿结构和湍流特征，并探讨其演变在污染物转化过程中的作用，能够有效的提升对此类污染天气气象特征的认识，将为环保、气象部门的决策、预报等起到积极有效的支撑作用。因而湍流的测量及其变化规律的研究具有重要意义。
现有技术中大气湍流探测手段多以探空气球为主，而其高成本、局地性、分辨率较低等局限性导致了无法达到近地层探测的精度要求。探测手段的不足，成为制约城市边界层污染物与湍流交互机制认识的瓶颈。目前缺乏一种集成度较高的、分辨率精度优良的设备进行城市近地层湍流等参数的探测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统、方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，包括：
无人机控制系统，用于实时控制无人机飞行，通过无人机内置的GPS实时获取无人机的位置、高度；
气象参数探测模块，包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器，能够测量近地大气层不同高度的温度、气压、湿度、风速以及风向；
气溶胶粒径谱探测模块，包含光学气溶胶粒径仪和大气测量传感器；所述光学气溶胶粒径仪包括抽气泵以及光学腔，其利用抽气泵将样本大气和鞘气抽入仪器的光学腔并检测颗粒物粒径，能够获得大气中颗粒物粒径谱分布；所述大气测量传感器包括快速温湿传感器、臭氧传感器、二氧化碳传感器以及颗粒物传感器，其为折射率结构常数的测量以及颗粒物粒径谱分析提供对比数据；
大气湍流探测模块，包括用于获取温度变化量的微温传感器，以及将温度变化量转化为折射率结构常数的转换板；
数据处理系统，用于接收气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块以及光学气溶胶粒径仪的各类气象参数、环境参数，并对接收的数据进行解析、存储、显示。
进一步地，无人机控制系统还包括具有加强型天线的遥控器，所述遥控器用于向无人机发送指令、从无人机处接收信息；所述无人机控制系统还包括电子地图系统、状态显示系统、航线规划系统、参数配置系统和数据存储系统。
进一步地，气象参数探测模块中，所述温度传感器为负温系数热敏电阻，所述湿度传感器为高分子碳湿敏电阻，所述气压传感器为硅压敏电桥。
进一步地，所述微温传感器采用一对相距1m、直径10μm、电阻10Ω的铂丝作为微温探头，用于测量温度变化量。
进一步地，所述无人机平台为六旋翼无人机，包括机体、六个可拆卸机臂、与机臂可拆卸连接的旋翼、与机体的底部可拆卸连接的起落架，以及固设于机体顶部的三根用于导航的2.4G天线；机臂与机壳之间通过铝合金螺纹圈锁紧连接；所述机体内部由隔板分上下两层，其中下层为设备舱，上部为电池舱。
进一步地，所述气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块以及大气湍流探测模块通过连接件固定在机体顶部，并通过细钢丝纤绳进行加固；所述光学气溶胶粒径仪外设置有防护箱体，所述防护箱体上开设有抽气口，所述光学气溶胶粒径仪通过连接件固定在机体底部；所述连接件由碳纤维卷管和高强度铝金组成。
一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统的探测方法：
气象参数探测模块进行气象参数测量时，测量温度的范围为-90℃～+50℃，误差在0.4℃以内；湿度范围为0％～100％，当环境温度在-25℃以上时，误差控制在5％以内；气压范围为5hpa～1060hpa，当气压在500hpa以上时，误差控制在1hpa以内；根据无人机在飞行期间姿态、飞行方位和水平位移反演风速和风向；
光学气溶胶粒径仪检测颗粒物粒径时，利用抽气泵将样本大气和鞘气抽入仪器的光学腔，样本大气中的颗粒物经过激光束产生的散射光，聚焦到光电倍增管转换成电压信号，并通过米散射理论得到颗粒物粒径；
大气湍流探测模块获取折射率结构常数时，将空间两点气温的变化感应为电阻值的变化，通过电桥转化为电压的变化，利用电压变化获得相应温度变化，并由经验公式得到折射率结构常数。
具体地，传输接收处理系统通过403MHz频率实时接收气象湍流数据，进行预处理后转化为气象参数和环境参数；传输接收处理系统包括气象显示界面、湍流参数显示界面以及气溶胶粒子谱界面；气象显示界面能够实时显示温度、湿度、气压、风速、风向；湍流参数显示界面能够实时显示折射率结构常数；气溶胶粒子谱界面能够显示气溶胶颗粒的大小变化。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明利用多旋翼无人机为载体，自主设计加工，利用无人机控制系统、探测系统，数据处理系统，能够一体式综合测量大气中常规气象参数、气溶胶粒径和浓度以及大气湍流信息，能够采集到目标区域的气象参数、环境参数，集成度高，采集信息速度快，所得到的测量参数更加准确；由于无人机平台易部署的特点，本发明能够快速进行大面积的区域探测。
附图说明
图1为本发明探测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，包括：
无人机控制系统，用于实时控制无人机飞行，通过无人机内置的GPS实时获取无人机的位置、高度；
气象参数探测模块，包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器，能够测量近地大气层不同高度的温度、气压、湿度、风速以及风向；
气溶胶粒径谱探测模块，包含光学气溶胶粒径仪和大气测量传感器；所述光学气溶胶粒径仪包括抽气泵以及光学腔，其利用抽气泵将样本大气和鞘气抽入仪器的光学腔并检测颗粒物粒径，能够获得大气中颗粒物粒径谱分布；大气测量传感器，包括快速温湿传感器、臭氧传感器、二氧化碳传感器以及颗粒物传感器，为折射率结构常数的测量以及颗粒物粒径谱分析提供对比数据；
大气湍流探测模块，包括用于获取温度变化量的微温传感器，以及将温度变化量转化为折射率结构常数的转换板；
数据处理系统，用于接收气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块以及光学气溶胶粒径仪的各类气象参数、环境参数，并对接收的数据进行解析、存储、显示。
本发明中，气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块、大气环境测量模块均为探测系统的组成模块。
大气测量传感器中的温湿传感器、臭氧传感器、二氧化碳传感器以及颗粒物传感器都具有快速测量、简便灵巧特点，能够提高普通气象参数和环境参数的测量速度。
所述近地大气层一般是指地面至1km海拔高度范围内的大气层，地域不同，近地大气层的高度也不尽相同。
无人机控制系统还包括具有加强型天线的遥控器，所述遥控器用于向无人机发送指令、从无人机处接收信息；所述无人机控制系统还包括电子地图系统、状态显示系统、航线规划系统、参数配置系统和数据存储系统。
遥控器采用的加强型天线，能够确保遥控信号稳定。
气象参数探测模块中，所述温度传感器为负温系数热敏电阻，所述湿度传感器为高分子碳湿敏电阻，所述气压传感器为硅压敏电桥。
所述微温传感器采用一对相距1m、直径10μm、电阻10Ω的铂丝作为微温探头，用于测量温度变化量；微温传感器的频率响应范围为0.1Hz～30Hz，微温传感器测量的最小温度起伏标准差不大于0.002℃，对结果影响较小，所得到的测量参数更加准确。
所述无人机平台为六旋翼无人机，包括机体、六个可拆卸机臂、与机臂可拆卸连接的旋翼、与机体的底部可拆卸连接的起落架，以及固设于机体顶部的三根用于导航的2.4G天线；机臂与机壳之间通过铝合金螺纹圈锁紧连接；所述机体内部由隔板分上下两层，其中下层为设备舱，上部为电池舱。
本实施例中的六旋翼无人机可根据不同地形搭配不同类型旋翼。
所述气象参数探测模块、大气测量传感器以及大气湍流探测模块通过连接件固定在机体顶部，并通过细钢丝纤绳进行加固；所述光学气溶胶粒径仪外设置有防护箱体，所述防护箱体上开设有抽气口，所述光学气溶胶粒径仪通过连接件固定在机体底部；所述连接件由碳纤维卷管和高强度铝金组成。
碳纤维卷管和高强度铝金组成的连接件，结构稳定性好，能够提高气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块、大气湍流探测模块的参数测量稳定性、准确性。
一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统的探测方法：
气象参数探测模块进行气象参数测量时，测量温度的范围为-90℃～+50℃，误差在0.4℃以内；湿度范围为0％～100％，当环境温度在-25℃以上时，误差控制在5％以内；气压范围为5hpa～1060hpa，当气压在500hpa以上时，误差控制在1hpa以内；根据无人机在飞行期间姿态、飞行方位和水平位移反演风速和风向；控制测温范围、测温误差、湿度范围、湿度误差、气压范围以及气压误差，是为了提高气象参数测量的准确性、一致性，避免传感器出现信号漂移现象。
光学气溶胶粒径仪检测颗粒物粒径时，利用抽气泵将样本大气和鞘气抽入仪器的光学腔，样本大气中的颗粒物经过激光束产生的散射光，聚焦到光电倍增管转换成电压信号，并通过米散射理论得到颗粒物粒径；易操作、便于携带。
粒径测量范围130nm～3um，误差在±10％以内，采样周期为1s。
快速温湿传感器：本传感器元件由一根长约60mm的防辐射罩保护，并且朝向气流方向，防护罩两头为直径2.5mm，中心距为14mm的通透小孔。其中的温度传感器部分使用陶瓷材料传感器，最大测量频率为10HZ，在静止空气中仅需0.8s左右即可快速响应，测量范围为-55℃至50℃，误差在1％以内，分辨率为0.01℃。其中的湿度传感器部分采用电容传感器，测量范围0％-100％，误差在4％以内，分辨率0.05％。在20℃以上，该传感器响应时间控制在0.25s以内；在0-20℃之间，响应时间为0.8s以内；在-20℃以下，响应时间略微长一些，在3s左右；快速温湿度传感器中的温度传感器、湿度传感器相较于气相参数探测模块中的相应传感器，测量速度更快。
臭氧传感器，能够进行高分辨率的臭氧测量，测量范围在0～150ppb，分辨率约为0.0366ppb，每60s测量一组数据，响应时间为60s；为提高精度，传感器采用主动风扇采样。测量分为两步：前10s钟，风扇开启，在此期间对环境空气进行采样，然后在接下来的50秒内风扇关闭，计算并输出浓度。
二氧化碳传感器，能够采集目标环境内二氧化碳浓度相关参数；测量范围为0～5000ppm，误差在±30ppm以内，采样频率2Hz，采样分辨率1ppm；有气流状态下，响应时间为2s左右；在扩散模式下，响应时间为20s。
颗粒物传感器，能够测量PM1、PM2.5、PM4.25、PM10等多个不同粒径的颗粒数，能够从0.35um～40um中共24个光学粒径中选取想获得的粒径大小，自主配置采样间隔：1-30s；由于固定翼无人机在飞行中会使测量到的重粒子分布发生倾斜，测得的最大有效尺寸取决于无人机的风速。
大气湍流探测模块获取折射率结构常数时，将空间两点气温的变化感应为电阻值的变化，通过电桥转化为电压的变化，利用电压变化获得相应温度变化，并由经验公式得到折射率结构常数。
传输接收处理系统通过403MHz频率实时接收气象湍流数据，进行预处理后转化为气象参数和环境参数；传输接收处理系统包括气象显示界面、湍流参数显示界面以及气溶胶粒子谱界面；气象显示界面能够实时显示温度、湿度、气压、风速、风向；湍流参数显示界面能够实时显示折射率结构常数；气溶胶粒子谱界面能够显示气溶胶颗粒的大小变化。
本发明中所有传感器所测得的参数均可以保存在自带的储存卡中，方便读取。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
另外，无人机配备高亮屏，并具有自动航线规划功能。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，其特征在于，包括：
无人机控制系统，用于实时控制无人机飞行，通过无人机内置的GPS实时获取无人机的位置、高度；
气象参数探测模块，包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器，能够测量近地大气层不同高度的温度、气压、湿度、风速以及风向；
气溶胶粒径谱探测模块，包含光学气溶胶粒径仪和大气测量传感器；所述光学气溶胶粒径仪包括抽气泵以及光学腔，其利用抽气泵将样本大气和鞘气抽入仪器的光学腔并检测颗粒物粒径，能够获得大气中颗粒物粒径谱分布；所述大气测量传感器包括快速温湿传感器、臭氧传感器、二氧化碳传感器以及颗粒物传感器，其为折射率结构常数的测量以及颗粒物粒径谱分析提供对比数据；
大气湍流探测模块，包括用于获取温度变化量的微温传感器，以及将温度变化量转化为折射率结构常数的转换板；
数据处理系统，用于接收气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块以及光学气溶胶粒径仪的各类气象参数、环境参数，并对接收的数据进行解析、存储、显示。
2.根据权利要求1所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，其特征在于：无人机控制系统还包括具有加强型天线的遥控器，所述遥控器用于向无人机发送指令、从无人机处接收信息；所述无人机控制系统还包括电子地图系统、状态显示系统、航线规划系统、参数配置系统和数据存储系统。
3.根据权利要求1所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，其特征在于：气象参数探测模块中，所述温度传感器为负温系数热敏电阻，所述湿度传感器为高分子碳湿敏电阻，所述气压传感器为硅压敏电桥。
4.根据权利要求1所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，其特征在于：所述微温传感器采用一对相距1m、直径10μm、电阻10Ω的铂丝作为微温探头，用于测量温度变化量。
5.根据权利要求1所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，其特征在于：所述无人机平台为六旋翼无人机，包括机体、六个可拆卸机臂、与机臂可拆卸连接的旋翼、与机体的底部可拆卸连接的起落架，以及固设于机体顶部的三根用于导航的2.4G天线；机臂与机壳之间通过铝合金螺纹圈锁紧连接；所述机体内部由隔板分上下两层，其中下层为设备舱，上部为电池舱。
6.根据权利要求5所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统，其特征在于：所述气象参数探测模块、气溶胶粒径谱探测模块以及大气湍流探测模块通过连接件固定在机体顶部，并通过细钢丝纤绳进行加固；所述光学气溶胶粒径仪外设置有防护箱体，所述防护箱体上开设有抽气口，所述光学气溶胶粒径仪通过连接件固定在机体底部；所述连接件由碳纤维卷管和高强度铝金组成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统的探测方法，其特征在于：
气象参数探测模块进行气象参数测量时，测量温度的范围为-90℃～+50℃，误差在0.4℃以内；湿度范围为0％～100％，当环境温度在-25℃以上时，误差控制在5％以内；气压范围为5hpa～1060hpa，当气压在500hpa以上时，误差控制在1hpa以内；根据无人机在飞行期间的姿态、飞行方位和水平位移反演风速和风向；
光学气溶胶粒径仪检测颗粒物粒径时，利用抽气泵将样本大气和鞘气抽入仪器的光学腔，样本大气中的颗粒物经过激光束产生的散射光，聚焦到光电倍增管转换成电压信号，并通过米散射理论得到颗粒物粒径；
大气湍流探测模块获取折射率结构常数时，将空间两点气温的变化感应为电阻值的变化，通过电桥转化为电压的变化，利用电压变化获得相应温度变化，并由经验公式得到折射率结构常数。
8.根据权利要求7所述基于无人机技术的大气光学关键参数综合探测系统的探测方法，其特征在于：
传输接收处理系统通过403MHz频率实时接收气象湍流数据，进行预处理后转化为预处理气象参数和预处理环境参数；传输接收处理系统包括气象显示界面、湍流参数显示界面以及气溶胶粒子谱界面；气象显示界面能够实时显示温度、湿度、气压、风速、风向；湍流参数显示界面能够实时显示折射率结构常数；气溶胶粒子谱界面能够显示气溶胶颗粒的大小变化。
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