CN113566707B - 一种光敏测钎、系统及测钎日光角度在线修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光敏测钎、系统及测钎日光角度在线修正方法，所述方法，通过在测钎集成一套日光角度扫描测量装置，确定日光入射角度，并将此角度信息发给区域内其它光敏测钎，一套水土保持在线监测系统所包含的所有光敏测钎，根据所测得的太阳光角度，修正光窗折射所带来的测量误差，从而在太阳不同入射角度下，均获得准确的土壤流失信息。
Description
技术领域
本发明属于水土保持在线检测技术领域，具体涉及水土流失情况的在线监测。
背景技术
传统的水土流失监测大多依赖人工，其中最主要的方法为测钎法，该方法是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，通过记录土层高度的变化，测量计算土壤侵蚀量。以上方法耗时长，成本高，人力资源浪费，监测周期长、时效性差，不能适应水土保持监测对信息化、自动化、智能化的需求。无法形成对水土保持情况的有效监管。为解决这一问题，出现了基于光敏监测的自动化智能测钎。
光敏测钎的原理为，在测钎杆的一侧，贴装光敏线性阵列，该阵列可由光敏二极管密贴而成，也可为线阵电荷耦合器件(CCD)。将此阵列随测钎垂直插入土壤，阵列部分光敏基元处于土壤之上，部分基元处于土壤平面之下，通过测量感光位置，获得土壤平面位置，通过记录土壤平面位置的变化，结合水土流失模型，可以获得当地监测周期内的水土流失量。
但各类型光敏传感器无法在潮湿环境下长时间工作，为使光敏测钎可以在野外长期工作，一般会在光敏阵列外加玻璃光窗，光窗内部灌封对可见光透明的保护硅凝胶。此种硅凝胶的折射率一般为1.40～1.45，与玻璃光窗接近。当日光以不同角度入射时，折射角亦不同，入射到探测器的位置亦发生改变。一天从早到晚，日光相对大地，从斜入射转换为正入射，再转换为斜入射，对于一年中的不同日期，同一时刻的日光入射角也不同，这就给基于光敏原理的测钎传感器带来了较大的误差，如图1所示。当入射角为θ时，光敏探测距离出现了δL的偏移。通过仿真分析，不同入射角下，偏移量变化情况如图2所示。
发明内容
本发明提供了一种光敏测钎、系统及测钎日光角度在线修正方法，对测钎数据在线修正，使测量数据更加准确。
为达到上述目的，本发明所述一种光敏测钎，包括测钎杆，所述测钎杆侧壁开设有凹槽，凹槽管壁安装有可见光透明光窗，凹槽内设置有沿测钎纵向排列的多个光敏基元，多个光敏基元与光窗之间设置有透明凝胶；所述测钎杆上安装有信号处理模块和日光角度扫描装置，所述日光角度扫描装置用于测量不同时刻的日光入射角；所述信号处理模块用于根据光敏基元输出的信号和日光入射角度计算修正后的土壤位置真值。
进一步的，日光角度扫描装置包括旋转电机、光电探测器、数据处理模块和信号传输模块，所述旋转电机的动力输出轴上安装有安装盒，所述光电探测器安装在安装盒内，所述光电探测器光敏面的正上方的安装盒顶面处开设有狭缝；数据处理模块用于接收光电探测器的信号以及旋转电机的转动角度，根据光电探测器的信号以及旋转电机的转动角度计算日光入射角，所述信号传输模块用于将日光入射角传递至信号处理模块。
进一步的，狭缝宽度小于2mm。
进一步的，日光角度扫描装置设置在测钎杆顶端。
一种光敏测钎系统，包括N根光敏测钎，所述多根光敏测钎中至少有一个安装有用于测量不同时刻的日光入射角的日光角度扫描装置。
进一步的，N＝9，所述光敏测钎成3*3阵列排布。
进一步的，安装有日光角度扫描装置的测钎与其他测钎通过LoRA等无线组网技术通讯。
一种光敏测钎的日光角度在线修正方法，包括以下步骤：
S1、旋转电机依照设定的时间，带动光电探测器在竖直方向的平面内旋转，当光电探测器旋转到日光可正入射光敏面时，探测器旋转的角度为日光入射角；
S2、将所测得的日光入射角传递给同一区域的其它光敏测钎；
S3、采用下式对光敏位置进行在线校准与修正：
其中，L为修正后的土壤位置真值，Lm为光敏探测所得的位置测量值，δL为光敏探测距离偏移量，θ为日光入射角，n为灌封凝胶的有效折射率，d为光敏基元的探测面表面至可见光透明光窗外表面的距离。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的测钎，在测钎杆上安装日光角度扫描装置，用以测量不同时刻的日光入射角度，利用日光入射角可修正该测钎计算得到的土壤界面位置，提高测钎的准确性。
日光角度扫描装置利用光电探测器和狭缝的配合，仅允许较小角度的日光射入探测器，被光电探测器响应。微型旋转电机带动光电探测器每日定时扫描，光探测器接收到光的角度即为日光入射的角度。
本发明所述的测钎系统基于日光入射角度扫描原理，在一根测钎上集成日光角度扫描测量装置，将测得的日光入射角传递给该区域的全部测钎，可将日光入射角所引起的测量位置变化予以修正，使测量数据更加真实可靠，为水土保持的自动化监测提供有力支撑。
一种光敏测钎日光角度在线修正方法，通过在一根测钎集成一套日光角度扫描测量装置，确定日光入射角度，并将此角度信息发给区域内其它光敏测钎，根据所测得的日光角度，修正光窗折射所带来的测量误差，从而在太阳不同入射角度下，均获得准确的土壤流失信息。
附图说明
图1为现有的光敏测钎示意图；
图2为不同入射角下，偏移量变化情况示意图；
图3为实施例1的光敏测钎示意图；
图4为实施例2提供的光敏测钎系统示意图；
图5为实施例1提供的光敏测钎的电路连接示意图。
附图中：1、测钎杆，2、透明凝胶，3、光窗，4、土壤界面，5、日光，6、光电探测器，7、旋转电机，8、电源，9、信号处理模块，10、光敏基元，11、无线传输模块，100、带日光角度扫描装置的测钎，200、不带日光角度扫描装置的测钎。
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。
一种光敏测钎日光角度在线修正方法，通过在一根测钎集成一套日光角度扫描测量装置，确定日光入射角度，并将此角度信息通过无线组网，发给区域内其它光敏测钎，一套水土保持在线监测系统所包含的所有光敏测钎，根据所测得的太阳光角度，修正光窗折射所带来的测量误差，从而在太阳不同入射角度下，均获得准确的土壤流失信息。
实施例1
参照图3，一种光敏测钎，包括测钎杆1，测钎杆1侧壁开设有凹槽，凹槽管壁安装可见光透明光窗3，并在光窗内灌入透明凝胶2以隔绝水汽，使测钎在野外可长期使用；凹槽内设置有沿测钎纵向密排的多个光敏基元10。光敏基元10可以是光敏二极管或其他光敏器件。通过计算感光位置，获得土壤界面4的位置，从而确定水土流失情况。
测钎顶部集成日光角度扫描装置，以测量不同时刻的日光入射角度。日光角度扫描装置由微型旋转电机7、光电探测器6、安装盒、供电模块、数据处理模块和信号传输模块组成。安装盒安装在旋转电机7的动力输出轴上，光电探测器6位于安装盒内，安装盒的顶面，且位于光电探测器光敏面的正上方的位置开设有狭缝，狭缝宽度d大于0小于2mm，仅允许较小角度的日光5射入探测器，被光电探测器响应。微型旋转电机带动光电探测器每日定时扫描，光探测器接收到光的角度即为日光入射的角度。
供电模块用于向旋转电机供电；数据处理模块用于根据光电探测器的输出信号计算日光入射角度；传输模块通过LoRA等无线组网技术，将日光入射角度传递给同一区域的其它光敏测钎传感器。
测钎杆1顶部加装供电电源8、信号处理模块9及无线通讯模块11；信号处理模块9包括调理电路、模拟数字转换器(ADC)和处理器。
参照图5，供电电源为光敏基元供电，光敏基元的输出端与调理电路的输入端连接，调理电路的输出端与模拟数字转换器的输入端连接，模拟数字转换器和角度测量装置的输出端与处理器的输入端连接，处理器通过无线传输模块传递信号。
其中，调理电路用于将光敏基元输出的电流模拟信号转换为电压模拟信号，模拟数字转换器用于将电压模拟信号转换为电压数字信号并传递至处理器，处理器用于根据电压信号和日光角度扫描装置测量到的日光入射角计算修正后的土壤位置。
实施例2
参照图4，一种光敏测钎系统，包括9根光敏测钎，9根光敏测钎采用水土流失监测“田字格”插钎方法，其中一根测钎为带日光角度扫描装置的测钎100，其余为不带日光角度扫描装置的测钎200，带日光角度扫描装置的测钎100每天定时开启，测量早、中、晚等不同时刻的日光入射角度，并将日光入射角度通过LoRa等无线组网技术，传递给区域内其它测钎，以修正日光通过光窗的折射角，以保证光敏测钎在早、中、晚等不同时刻，不同日光入射角下的准确测量。区域内的测钎利用所测得的日光入射角度，实时在线修正日光通过光窗及保护凝胶折射角对位置测量的影响，以准确获得土壤平面位置数据。该数据无线传输至中控系统，经过水土流失模型，计算水土流失量。
实施例3
一种光敏测钎日光角度在线修正方法，基于实施例2所述的光敏测钎系统，包括以下步骤：
S1、旋转电机依照设定的时间，带动探光电测器绕旋转电机圆心在竖直方向的平面内旋转，当光电探测器旋转到日光可正入射光敏面(即不被狭缝阻挡)时，此时，探测器旋转的角度为日光入射角；
S2、由于一定区域内，土壤平面倾角相同、测钎杆均垂直插入土壤平面，在同一时刻的日光入射角可认为基本相同。将所测得的日光入射角，通过LoRA等无线组网技术，传递给同一区域的其它光敏测钎传感器，用于区域内所有光敏测钎传感器的数据校准。
该技术主要包含，光敏测钎传感器获得日光入射角信号，采用下式对光敏位置进行在线校准与修正。
其中，L为修正后的土壤位置，Lm为光敏探测所得的位置测量值，δL为光敏探测距离偏移量，θ为日光入射角，n为灌封凝胶的有效折射率，d为光敏基元10的探测面表面至玻璃光窗3外表面的距离。
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 (7)
1.一种光敏测钎，其特征在于，包括测钎杆(1)，所述测钎杆(1)侧壁开设有凹槽，凹槽管壁安装有可见光透明光窗(3)，凹槽内设置有沿测钎纵向排列的多个光敏基元(10)，多个光敏基元(10)与光窗(3)之间设置有透明凝胶(2)；
所述测钎杆(1)上安装有信号处理模块(9)和日光角度扫描装置，所述日光角度扫描装置用于测量不同时刻的日光入射角；所述信号处理模块(9)用于根据光敏基元(10)输出的信号和日光入射角度计算修正后的土壤位置真值；
所述日光角度扫描装置包括旋转电机(7)、光电探测器(6)、数据处理模块和信号传输模块，所述旋转电机的动力输出轴上安装有安装盒，所述光电探测器(6)安装在安装盒内，所述光电探测器光敏面的正上方的安装盒顶面处开设有狭缝；数据处理模块用于接收光电探测器的信号以及旋转电机的转动角度，根据光电探测器的信号以及旋转电机的转动角度计算日光入射角，所述信号传输模块用于将日光入射角传递至信号处理模块(9)。
2.根据权利要求1所述的一种光敏测钎，其特征在于，所述狭缝宽度小于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种光敏测钎，其特征在于，日光角度扫描装置设置在测钎杆(1)顶端。
4.一种采用权利要求1-3任意一项中光敏测钎的光敏测钎系统，其特征在于，包括N根光敏测钎，所述多根光敏测钎中至少有一个安装有用于测量不同时刻的日光入射角的日光角度扫描装置。
5.根据权利要求4所述的一种光敏测钎系统，其特征在于，所述N＝9，所述光敏测钎成3*3阵列排布。
6.根据权利要求4所述的一种光敏测钎系统，其特征在于，所述安装有日光角度扫描装置的测钎与其他测钎通过LoRA等无线组网技术通讯。
7.一种采用权利要求1-3任意一项中光敏测钎的光敏测钎的日光角度在线修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、旋转电机(7)依照设定的时间，带动光电探测器(6)在竖直方向的平面内旋转，当光电探测器旋转到日光可正入射光敏面时，探测器旋转的角度为日光入射角；
S2、将所测得的日光入射角传递给同一区域的其它光敏测钎；
S3、采用下式对光敏位置进行在线校准与修正：
其中，L为修正后的土壤位置真值，Lm为光敏探测所得的位置测量值，δL为光敏探测距离偏移量，θ为日光入射角，n为灌封凝胶的有效折射率，d为光敏基元(10)的探测面表面至可见光透明光窗(3)外表面的距离。
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