CN114720663A - 一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法，在测钎上集成激光器、线阵光敏元件和超声探头，设置统一的供电、信号传输系统，并将三相传感数据依照其在实地工况中的置信度相互融合，形成统一的三相一体的测钎装置，线阵光敏元件的一部分部分插入土壤中，检测土壤表面位置；超声探头向土壤发射超声波，并记录发射及声波反射到探头的时间，通过声速换算从而获得土壤表面位置，测钎顶部的激光探头向土壤发射激光，并探测反射光，根据发射光与探测光之间的相位差从而获得土壤表面位置。将上述三相传感器所获得的土壤表面位置，进行卡尔曼数据融合，获得更准确、可靠的土壤位置信息，实现水土流失的高精度、高可靠监测。

Description

一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法

技术领域

本发明属于于水土保持在线检测技术领域，具体涉及一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法。

背景技术

传统的水土流失监测主要的技术为人工测钎法，测钎法是指向地表按照田子形排布，插入若干钢钎，并在钢钎中做好标记，记录原始土层高度，后期通过记录土层高度的变化，观测计算土壤侵蚀量即水土流失量。以上方法主要依靠人工现场量测，成本高，监测周期长、时效差，不能适应水土保持监测信息化、智能化的需求。因此，需要研究可自动监测数据的智能化测钎。

在前期的研究中，已分别发展出基于超声测距、激光相位探测、光敏检测、激光扫描等多种测钎原理。但在实际应用中，受制于待测点环境、土壤条件，单一的检测方案不能完全覆盖全环境、全工况、全时段探测。超声测距传感器由于发射波长相对较长，因此其散射不易受到土壤颗粒度的影响，此外超声发射模场较大，因此可以直接获得一定范围内传感器到土壤表面距离的均值。但是超声测距也有一定的局限性，超声在空气中的声速受温度、湿度等环境因素影响较大(温度变化10℃，声速变化6m/s，相对变化约为1.6％，干燥空气和饱和湿度空气声速差大约1.5m/s，相对变化约为0.4％)，这也导致了基于超声的测试得到的数据的可靠性受到环境影响较大，因此要将超声测距技术合理运用到水土保持领域，就需要采用诸如自校准之类技术，对每次超声测量数据进行校准。相对于超声测距，激光测距测量精度高，受环境影响小，但光束较小，比较容易受到土壤颗粒度的干扰。基于线阵CCD的光敏测钎，无发射元件，受环境影响最小，但该装置受制于自然光条件，无法在夜间工作。

本发明在一根测钎上集成光敏、激光、超声三种测钎原理，将三种传感方案融合，吸收其各自优点，形成非相似冗余，同时监测土壤距离，并将数据利用融合算法进行融合处理，得到更为可靠、准确的水土流失数据。

发明内容

本发明提供了一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法，弥补单一测钎技术局限，形成精度更高、数据更可靠的复合测钎装置。

为达到上述目的，本发明所述一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，1包括测钎杆，测钎杆外壁固定有多只光敏元件，形成线性光敏阵列；所述测钎杆顶部安装有超声探头、激光传感模块和信号处理电路，所述超声探头向土壤方向发射超声波并接受超声波的反射声波，所述激光传感模块的激光发射方向指向地面，激光传感模块用于发射激光并探测器用于接收发射的激光自土壤平面返回的反射波；线性光敏阵列、超声探头和激光传感模块均与信号处理电路连接，将采集到的信号传递至信号处理电路，所述信号处理电路用于根据接收到的信号计算水土流失量。

进一步的，沿所述测钎杆的壁面长度方向开设有条形凹槽，所述线性光敏阵列安装在所述凹槽中。

进一步的，光敏元件为线阵CCD。

进一步的，超声探头、激光传感模块和信号处理电路均设置在保护壳中。

进一步的，超声探头为超声换能器。

进一步的，测钎杆顶部安装有太阳能供电系统，所述太阳能供电系统用于为超声探头、光敏模块、激光传感模块和信号处理电路供电。

基于上述的测钎装置的测钎方法，包括以下步骤：

步骤1、将测钎装置下部插入被测区域的土壤中；

步骤2、线性光敏阵列、超声探头和激光传感模块开始工作，线性光敏阵列感应太阳光转化为电流或电压信号，并将电流或电压信号传递至信号处理电路；超声探头将超声发射时间及反射声波接收时间传递至此信号处理电路；激光传感模块将激光发射波及反射波的相位差传递至数据处理电路；

步骤3、数据处理电路根据电流或电压信号确定信号输出临界位置的光敏元件序号，并计算出土壤平面位置，根据土壤平面位置的变化量得到水土流失数据E_c，

数据处理电路根据超声发射时间及反射声波接收时间以及声速，计算土壤平面距超声探头的距离，通过土壤平面距超声探头的距离变化量，得到水土流失数据E_a；

数据处理电路根据激光发射波及反射波的相位差，计算激光传感模块距离土壤平面的距离，根据激光传感模块距离土壤平面的距离的变化量计算水土流失数据，记为E_o；

步骤4、采用卡尔曼滤波器进行数据融合，得到融合后的水土流失量E：

E＝k_aE_a+k_cE_c+k_oE_o

其中，k_a为超声探头的卡尔曼系数，k_c为光敏元件的卡尔曼系数，k_o为激光器的卡尔曼系数，k_a、k_c和k_o依照布设点实际环境标定得到。

进一步的，标定k_a、k_c和k_o后，根据测钎布设当地土壤情况和光照情况调整k_a、k_c和k_o。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的装置，通过在一根测钎上集成激光器、线阵光敏、超声三种传感器，相互弥补单一测钎方案在实际应用中出现的局限性，设计统一的供电、信号传输系统，并将三相传感数据依照其在实地工况中的置信度相互融合，形成统一的三相一体的测钎装置，以提升基于测钎法的水土流失监测的精度和可靠性。

进一步的，沿测钎杆的壁面长度方向开设有条形凹槽，线性光敏阵列安装在所述凹槽中，使得测钎装置的整体性好，线性光敏阵列布置在凹槽中也不易损坏。

进一步的，超声探头、激光传感模块和信号处理电路均设置在保护壳中，保护壳对超声探头、激光传感模块和信号处理电路起保护作用，提高了装置的使用寿命。

进一步的，测钎杆顶部安装有太阳能供电系统，用于为超声探头、光敏模块、激光传感模块和信号处理电路供电，使测钎装置方便于野外应用。

本发明所述的方法，将线阵光敏元件部分插入土壤中，在阳光中暴露的线阵基元在光电效应下产生电流信号，而土壤下的基元不感应太阳光，由此获得土壤平面位置；安装于测钎顶部的超声探头向土壤发射超声波，并记录发射及声波反射到探头的时间，通过声速换算从而获得土壤位置，测钎顶部的激光探头向土壤发射激光，并探测反射光，记录发射光与探测光之间的相位差从而获得土壤位置。将三相传感器所获得的土壤位置，根据当地土壤、光照、植被干扰等情况，进行卡尔曼数据融合，从而获得更准确、可靠的土壤位置信息，从而实现水土流失的高精度、高可靠监测。

进一步的，标定k_a、k_c和k_o后，根据测钎布设当地土壤情况、光照情况的调整卡尔曼系数，将同步获得的三相测钎数据，进行卡尔曼融合，从而得到精度更高且可靠性更高的水土流失数据。

附图说明

图1为光敏测钎部分示意图；

图2为超声测钎部分示意图；

图3为激光测钎部分示意图；

图4为本发明整体示意图。

附图中：1、测钎杆，2、光敏元件，3、超声探头，4、激光传感模块，5、保护壳，6、供电系统，7、数据传输系统，8、信号处理电路。

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。

一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置和方法，应用于水土流失、土壤侵蚀情况的在线监测。同时利用光敏元件对太阳光的敏感位置，声波发射及接收的时间，激光发射波及接受波的相位差确定土壤平面位置，并通过土壤平面位置的变化，确定水土流失量。

实施例1

一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，图1所示，在测钎杆1下部的一侧，沿测钎杆的壁面长度方向，开设条形凹槽，凹槽外侧设置有透光玻璃，并在凹槽中连续贴装多只光敏元件2，光敏元件为光敏二极管或线阵CCD，形成线性光敏阵列，并对光敏阵列中的光敏元件按次序编号。将线性光敏阵列的一部分随测钎杆1插入土壤中，土壤表面之上的光敏元件对太阳光敏感，输出电流或电压信号。而土壤之下的光敏元件不接受光照射，不输出光信号，通过分析信号输出临界位置的光敏元件序号，可以计算出土壤平面位置，从而得到土壤平面的变化量，即水土流失数据，记为E_c。

图2所示，在测钎杆上部左侧或右侧安装超声探头3，声波方向指向地面，超声探头3为超声换能器，超声探头3向土壤方向发射超声波并接受超声波的反射声波，通过超声探头中的计时芯片计算超声发射时间t_s及反射声波接收时间t_e，结合声速V_a，得到土壤平面距探头的距离L，通过监测距离L的变化，得到土壤平面的变化量，即水土流失数据E_a。

L＝(t_e-t_s)V_a/2----------------------(1)

图3所示，在测钎杆上部右侧或左侧，安装激光传感模块4，激光传感模块4为调制器、激光器和探测器的组合或光收发一体模块，激光发射方向指向地面，调制器和激光器连接，激光器用于发射激光，调制器以一定的频率k调制激光器，探测器用于接收发射的激光自土壤平面返回的反射波，利用集成于激光传感模块4内的相位比较器(相位比较器是信号处理电路的一个子模块)测量激光发射及反射波的相位差Δφ，在信号处理电路的处理芯片上依照式(2)可计算探测器或光收发一体模块距离土壤平面的距离，从而得到土壤平面的变化量，即水土流失数据，记为E_o。

L＝Δφc/4kπ----------------------(2)

其中c为光速。

如图4所示，本发明包括测钎杆1，沿测钎杆的壁面长度方向，开设条形凹槽，并在凹槽中连续贴装多只光敏元件2，光敏元件为光敏二极管或线阵CCD，形成线性光敏阵列，并对光敏阵列中的光敏元件按次序编号；测钎杆1顶部安装有保护壳5，保护壳5下部左侧安装超声探头3，超声探头3向土壤方向发射超声波并接受超声波的反射声波，测钎杆下部右侧安装激光传感模块。激光发射方向指向地面，调制器和激光器连接，激光器用于发射激光，调制器以一定的频率k调制激光器，探测器用于接收发射的激光自土壤平面返回的反射波；保护壳5内部上方设置有供电系统6，数据传输系统7和信号处理电路8，供电系统6用于向整个装置供电。信号处理电路8的输入端通过数据传输系统7与光敏元件2、超声探头3和激光传感模块4连接，用于完成光敏探测感光位置的感知，超声往返时间差的计算，激光相位差的解算，并根据感光位置计算水土流失数据E_c，根据超声往返时间差计算水土流失数据E_a，根据相位差计算水土流失数据E_o，并将三相水土流失数据E_c、E_a和E_o融合，得到最终的水土流失数据E。

三种传感器所测得的水土流失数据在信号处理电路上通过卡尔曼融合算法进行数据融合，测钎顶部设置有统一的供电及计算所得的水土流失数据传输系统，将数据传输至用户设置的数据中心进行水土流失数据的存储、管理以及应用。为使该测钎方便于野外应用，供电系统6为太阳能供电系统，数据传输系统7采用4G无线传输。

优选的，单根测钎杆1的长度约为0.8m～1.2m，距测钤顶部0.3～0.6m处，将侧壁开槽，自上而下线性排布安装若干个独立的光敏探测基元，或线阵CCD。测钎埋入土中大概0.5m位置处。

实施例2

一种激光、光敏、超声三相融合测钎方法，基于实施例1所述的三相融合测钎装置，包括以下步骤：

步骤1、将测钎装置下部插入被测区域的土壤中；

步骤2、线阵CCD感应太阳光，并将电流或电压信号传递至数据处理电路；超声探头3将利用计时芯片得到超声发射时间t_s及反射声波接收时间t_e并将超声发射时间t_s及反射声波接收时间t_e传递至此信号处理电路；激光传感模块4中的相位比较器计算激光发射波及反射波的相位差Δφ并传递至数据处理电路；

步骤3、数据处理电路根据电流或电压信号确定信号输出临界位置的光敏元件序号，并计算出土壤平面位置，根据土壤平面位置的变化量得到水土流失数据E_c，

数据处理电路根据超声发射时间t_s及反射声波接收时间t_e，结合声速V_a，得到土壤平面距探头的距离L，通过监测距离L的变化，得到水土流失数据E_a；

L＝(t_e-t_s)V_a/2----------------------(1)

数据处理电路根据激光发射及反射波的相位差Δφ，依照式(2)计算探测器或光收发一体模块距离土壤平面的距离，根据探测器或光收发一体模块距离土壤平面的距离的变化量计算水土流失数据，记为E_o。

计算公式为：L＝Δφc/4kπ----------------------(2)

其中c为光速。

步骤4、采用卡尔曼滤波器进行数据融合，得到融合后的水土流失量E：

E＝k_aE_a+k_cE_c+k_oE_o----------------------------(3)

其中，k_a为超声探头3的卡尔曼系数，k_c为光敏元件的卡尔曼系数，k_o为激光器的卡尔曼系数，该系数依照布设点实际环境，经过一定时间测试标定而来。将工作环境下置信度高的传感器的卡尔曼系数调高，如夜晚光敏传感器的卡尔曼系数设置为0，相应调高其它两种传感器卡尔曼系数。

优选的，标定k_a、k_c和k_o后，根据测钎布设当地土壤情况、光照情况的确定卡尔曼系数，将同步获得的三相测钎数据，进行卡尔曼融合，从而得到精度更高且可靠性更高的水土流失数据。

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 (8)

1.一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，包括测钎杆(1)，测钎杆(1)外壁固定有多只光敏元件(2)，形成线性光敏阵列；所述测钎杆(1)顶部安装有超声探头(3)、激光传感模块(4)和信号处理电路(8)，

所述超声探头(3)向土壤方向发射超声波并接受超声波的反射声波，所述激光传感模块(4)的激光发射方向指向地面，激光传感模块(4)用于发射激光并探测器用于接收发射的激光自土壤平面返回的反射波；线性光敏阵列、超声探头(3)和激光传感模块(4)均与信号处理电路(8)连接，将采集到的信号传递至信号处理电路(8)，所述信号处理电路(8)用于根据接收到的信号计算水土流失量。

2.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，沿所述测钎杆(1)的壁面长度方向开设有条形凹槽，所述线性光敏阵列安装在所述凹槽中。

3.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述光敏元件为线阵CCD。

4.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述超声探头(3)、激光传感模块(4)和信号处理电路(8)均设置在保护壳(5)中。

5.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述超声探头(3)为超声换能器。

6.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述测钎杆(1)顶部安装有太阳能供电系统(6)，所述太阳能供电系统(6)用于为超声探头(3)、光敏模块(2)、激光传感模块(4)和信号处理电路(8)供电。

7.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、将测钎装置下部插入被测区域的土壤中；

步骤2、线性光敏阵列、超声探头(3)和激光传感模块(4)开始工作，线性光敏阵列感应太阳光转化为电流或电压信号，并将电流或电压信号传递至信号处理电路(8)；超声探头(3)将超声发射时间及反射声波接收时间传递至此信号处理电路(8)；激光传感模块(4)将激光发射波及反射波的相位差传递至数据处理电路(8)；

步骤3、数据处理电路根据(8)电流或电压信号确定信号输出临界位置的光敏元件序号，并计算出土壤平面位置，根据土壤平面位置的变化量得到水土流失数据E_c，

数据处理电路根据超声发射时间及反射声波接收时间以及声速，计算土壤平面距超声探头(3)的距离，通过土壤平面距超声探头(3)的距离变化量，得到水土流失数据E_a；

数据处理电路根据激光发射波及反射波的相位差，计算激光传感模块(4)距离土壤平面的距离，根据激光传感模块(4)距离土壤平面的距离的变化量计算水土流失数据，记为E_o；

步骤4、采用卡尔曼滤波器进行数据融合，得到融合后的水土流失量E：

E＝k_aE_a+k_cE_c+k_oE_o

其中，k_a为超声探头(3)的卡尔曼系数，k_c为光敏元件的卡尔曼系数，k_o为激光器的卡尔曼系数，k_a、k_c和k_o依照布设点实际环境标定得到。

8.根据权利要求7所述的测钎方法，其特征在于，标定k_a、k_c和k_o后，根据测钎布设当地土壤情况和光照情况调整k_a、k_c和k_o。

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