CN115877375A - 一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置及方法，包括操控端，远端服务器和无人机，无人机上设有集成雷达水位流速仪和摄像头，无人机底部设有下置双云台，集成雷达水位流速仪和摄像头设置于下置双云台上，无人机顶部设有图像处理模块，图像处理模块上的接口负载有无线传输模块，图像处理模块通过无线传输模块将数据传输至远端服务器。本发明将视频拍摄与图像处理集成于本发明装置上，提高效率，将图像处理技术获取流速与雷达测流相结合，在视频图像无法满足处理要求的情况下启用雷达测流备用方案，提高适用性，安全性。

Description

一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置及 方法

技术领域

本发明涉及江河水流监测技术领域，具体涉及一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置及方法。

背景技术

江河水流监测对海塘修护、围堰施工等具有极其重要的意义。然而江河水流水面较宽，水流流态复杂，特别是如钱塘江河口这类强涌潮河口，利用传统的测量船搭载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）时，测量人员危险性大大增加。

近年非接触式的测量方法越来越多地应用于江河测量中，利用图像处理技术进行视频图像流场分析是其中方法之一。一般而言，利用该方法时需要利用无人机单独拍摄一系列满足图像处理要求的视频图像，同时需获得摄像头距离水面的距离用于图像处理的计算。其中会涉及到两个问题，一为能够满足图像处理要求的视频需要良好的天气和光照条件；二为摄像头距离水面高度的确定。前者有发明者采用补光的方式，不过对于夜晚或者雨天，拍摄效果仍然不理想。对于后者，测绘级别的无人机通常内置RTK模块来获取无人机的高程数据，但若要获取摄像头距离水面的距离，则需要得知水面的高程。江河水域较大，部分已建水位站不一定能够覆盖到研究区域，且江河中局部水位变幅较大，特别是河口地区水位由于潮汐影响会出现涨落潮，甚至涌潮的现象，实时的水位数据难以获得，使得摄像头距离水面的距离和图像处理的流场数据不可避免的引入误差。目前应用于地形测绘领域的无人机激光测距技术已逐渐成熟，但激光测距无法应用于水体测量。水文测量中应用广泛的多普勒雷达水位流速测程量程小，无法达到无人机飞行视频拍摄时距离水面高度的要求。

针对上述情况和问题，本发明主要进行三点创新，一为将视频拍摄与图像处理集成于本装置上，不用将视频拍摄与图像处理分开进行；二为将图像处理技术获取流速与雷达测流相结合，在视频图像无法满足处理要求的情况下启用雷达测流备用方案；三为采用比微波雷达频率更高的毫米波波段雷达（即76~81 GHz调频连续波FMCW雷达）的水位流速仪，在远程目标探测、强烟雾粉尘环境下等均有较好的测量性能。其水位测量范围在0~120m，测速范围在0.15~15 m/s，大大提升了传统水文测流雷达测程范围较小的问题。

因此，需要提供一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置及方法，能够使得江河水流监测更加安全，增大监测范围，提高监测准确率。

发明内容

本发明的第一个目的在于，提供一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，包括操控端，远端服务器和无人机，所述无人机上设有集成雷达水位流速仪和摄像头，所述无人机底部设有下置双云台，所述集成雷达水位流速仪和摄像头设置于下置双云台上，所述无人机顶部设有图像处理模块，所述图像处理模块上的接口负载有无线传输模块，所述图像处理模块通过无线传输模块将数据传输至远端服务器，所述操控端用于操控无人机飞行、摄像、集成雷达水位流速仪及图像处理模块的运行。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述无人机内嵌有高精度实时动态测量仪（RTK），以获取测量点位的经纬度及高程数据。

作为本发明的优选技术方案：所述集成雷达水位流速仪包括雷达流速接收传感器，雷达水位接收传感器和连接支架，所述连接支架用于将集成雷达水位流速仪固定连接至下置双云台上，所述集成雷达水位流速仪的信号输出端通过串口与图像处理模块输入端连接。

作为本发明的优选技术方案：所述雷达水位接收传感器垂直于水面设置，以获取测量点位距离水面的距离；所述雷达流速接收传感器与水流呈45度夹角设置，面向迎水流方向，以测量水面点的流速；所述集成雷达水位流速仪整体呈梯形，所述雷达水位接收传感器及雷达流速接收传感器由76~81 GHz调频连续波构成；所述集成雷达水位流速仪采用比微波雷达频率更高的毫米波波段，极窄的波束和穿透能力具有更高的分辨率，能够在远程目标探测、强烟雾粉尘环境下等复杂的工况下保持较好的测量性，其水位测量范围在0~120m，测速范围在0.15~15 m/s。

作为本发明的优选技术方案：所述摄像头包括镜头和旋转固定支架，所述旋转固定支架呈U字状，所述摄像头固定设置于下置双云台上，视频信息通过串口与图像处理模块信号输入端连接。

作为本发明的优选技术方案：所述镜头可以在平面内旋转，所述摄像头在进行用于图像处理测速的视频拍摄时，需调整镜头，垂直向下，俯视水面。

作为本发明的优选技术方案：所述集成雷达水位流速仪下方水平面与摄像头俯视水面时的镜头在同一平面上。

作为本发明的优选技术方案：所述图像处理模块预先判断拍摄视频信息的流场流速处理条件：

（1）、若满足处理清晰度要求，则采用图像处理模块进行流速计算；

（2）、若不满足图像处理要求，如在雾、霾等可见度较低的天气条件，调用集成雷达水位流速仪直接测量点位的水流流速。

本发明的第二个目的在于，提供一种基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1. 操控端操控基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置飞行到指定测量江河水面的上方，调整摄像头使其俯视水面；

S2. 操控端开启集成雷达水位流速仪，通过雷达测量距离水面的高度，调整无人机飞行高度及拍摄范围；

S3. 操控端开启摄像头拍摄，拍摄视频传输给图像处理模块，雷达水位流速仪测量的距离水面高度及测点流速同步传输给图像处理模块；

S4.图像处理模块判断拍摄视频质量，若满足图像处理要求，则采用图像处理进行流速计算，并与雷达测速点结果进行比对校正；

S5. 若不满足图像处理要求，图像处理模型反馈至操控端，操控端调用雷达水位流速仪划定测量范围，操控其直接测量点位的水流流速，测量数据传输至图像处理模块；

S6. 图像处理模块汇总流速信息，并同步计算水面高程测点后，将最终处理结果通过无线通信模块发送至远端服务器。

本发明提供一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河监测装置及方法，利用图像处理技术测流与调频波雷达测流相结合并集成在无人机上，做到实时测量实时分析实时传输，为宽水域的复杂水流条件下的江河水文测量提供支撑，图像处理测流技术测量面域大，但对拍摄的图像视频要求较高，对于其无法满足处理要求的情况下，启用雷达测流备用方案，将图像处理技术获取流速与雷达测流相结合，在视频图像无法满足处理要求的情况下启用雷达测流备用方案，拓展了适用情形，具有适用范围广的优势。其中，图像处理测流技术将视频拍摄与图像处理集成于本发明装置上，即时判断所拍摄图像是否能够满足图像处理要求，无需获取拍摄视频导出后在进行图像处理分析等繁琐的作业流程，具有效率高，实时性的优势。采用76~81 GHz调频连续波FMCW雷达的水位流速仪，极窄的波束和穿透能力具有更高的分辨率，在远程目标探测、强烟雾粉尘环境下等均有较好的测量性能，具有测程范围大，环境适应能力强的优势。对复杂水流条件下的江河、河口进行实时非接触式测流，避免了因人工施测危险性高而造成的施测困难。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的摄像头示意图

图3为本发明的雷达水位流速仪示意图

图4为本发明的水流监测流程图

附图标记：1、无人机；2、集成雷达水位流速仪；3、摄像头；4、下置双云台；5、图像处理模块；6、无线传输模块；7、远端服务器；8、操控端；9、镜头；10、旋转固定支架；11、雷达水位接收传感器；12、雷达流速接收传感器；13、连接支架。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，一种基于调频波雷达与图像处理无人机1江河水流监测装置，包括操控端8，远端服务器7和无人机1，其中无人机1内嵌有高精度实时动态测量仪（RTK），以获取测量点位的经纬度及高程数据。

无人机1上设有集成雷达水位流速仪2和摄像头3，无人机1底部设有下置双云台4，集成雷达水位流速仪2和摄像头3设置在下置双云台4的两侧，无人机1顶部设有图像处理模块5，图像处理模块5上设有接口，接口负载有无线传输模块6，图像处理模块5通过无线传输模块6将数据传输至远端服务器7，操控端8用于操控无人机1飞行、摄像、集成雷达水位流速仪2及图像处理模块5的运行。

集成雷达水位流速仪2包括雷达流速接收传感器12，雷达水位接收传感器11和连接支架13，连接支架13用于将集成雷达水位流速仪2固定连接至下置双云台4上，集成雷达水位流速仪2的信号输出端通过串口与图像处理模块5输入端连接。

雷达水位接收传感器11垂直于水面设置，以获取测量点位距离水面的距离；雷达流速接收传感器与水流呈45度夹角设置，面向迎水流方向，以测量水面点的流速；集成雷达水位流速仪2整体呈梯形，雷达水位接收传感器11及雷达流速接收传感器由76~81 GHz调频连续波构成；集成雷达水位流速仪2采用比微波雷达频率更高的毫米波波段，极窄的波束和穿透能力具有更高的分辨率，能够在远程目标探测、强烟雾粉尘环境下等复杂的工况下保持较好的测量性，具有其他普通微波脉冲雷达、导波雷达不可比拟的优势，实现更精确的测量，本发明中水位测量范围在0~120 m，测速范围在0.15~15 m/s，更好地适用于无人机1搭载的距离水面高度较高的情况下的水面测距和测速。

摄像头3包括镜头9和旋转固定支架10，旋转固定支架10呈U字状，摄像头3固定设置于下置双云台4上，视频信息通过串口与图像处理模块5信号输入端连接，用于图像识别和流速计算。

如图1所示，镜头9可以在平面内旋转，摄像头3在进行用于图像处理测速的视频拍摄时，需调整镜头9，垂直向下，俯视水面，集成雷达水位流速仪2下方水平面与摄像头3俯视水面时的镜头9在同一水平面上（虚线所示）。

图像处理模块5预先判断拍摄视频信息的流场流速处理条件，判断其视频信息是否满足处理清晰度的要求，若满足处理清晰度要求，则采用图像处理模块5进行流速计算；若不满足图像处理要求，如在雾、霾等可见度较低的天气条件，调用集成雷达水位流速仪2直接测量点位的水流流速，测量结果传输回图像处理模块5，水面高程数据同时在图像处理模块5中完成，其计算方法为无人机1测得的高程数据减去雷达测得的距离水面的高度，再减去雷达水位流速仪下平面距离无人机1顶端的距离。图像处理模块5的输出结果通过无线传输模块6发送至远端服务器7。在图像处理模块5进行数据处理时，需用到雷达测得的距离水面的距离，且雷达测速的结果也可供图像处理测速计算中进行校正。因此雷达测量数据通过其信号输出端通过串口与图像处理模块5输入端相连，进行数据传输。

一种基于调频波雷达与图像处理的无人机江河水流监测方法，包括以下步骤：

S1. 操控端8操控基于调频波雷达与图像处理无人机1江河水流监测装置飞行到指定测量江河水面的上方，调整摄像头3使其俯视水面；

S2. 操控端8开启集成雷达水位流速仪2，通过雷达测量距离水面的高度，调整无人机1飞行高度及拍摄范围；

S3. 操控端8开启摄像头3拍摄，拍摄视频传输给图像处理模块5，雷达水位流速仪测量的距离水面高度及测点流速同步传输给图像处理模块5；

S4.图像处理模块5判断拍摄视频质量，若满足图像处理要求，则采用图像处理进行流速计算，并与雷达测速点结果进行比对校正；

S5. 若不满足图像处理要求，图像处理模型反馈至操控端8，操控端8调用雷达水位流速仪划定测量范围，操控其直接测量点位的水流流速，测量数据传输至图像处理模块5；

S6. 图像处理模块5汇总流速信息，并同步计算水面高程测点后，将最终处理结果通过无线通信模块发送至远端服务器7。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，包括操控端，远端服务器和无人机，所述无人机上设有集成雷达水位流速仪和摄像头，其特征在于：所述无人机底部设有下置双云台，所述集成雷达水位流速仪和摄像头设置于下置双云台上，所述无人机顶部设有图像处理模块，所述图像处理模块上的接口负载有无线传输模块，所述图像处理模块通过无线传输模块将数据传输至远端服务器，所述操控端用于操控无人机飞行、摄像、集成雷达水位流速仪及图像处理模块的运行。

2.根据权利要求1所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：所述无人机内嵌有高精度实时动态测量仪，所述高精度实时动态测量仪用于获取测量点位的经纬度及高程数据。

3.根据权利要求1所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：所述集成雷达水位流速仪包括雷达流速接收传感器，雷达水位接收传感器和连接支架，所述连接支架用于将集成雷达水位流速仪固定连接至下置双云台上，所述集成雷达水位流速仪的信号输出端通过串口与图像处理模块输入端连接。

4.根据权利要求3所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：

所述雷达水位接收传感器垂直于水面设置，以获取测量点位距离水面的距离；

所述雷达流速接收传感器与水流呈45度夹角设置，面向迎水流方向，以测量水面点的流速；

所述集成雷达水位流速仪整体呈梯形，所述雷达水位接收传感器及雷达流速接收传感器由76~81 GHz调频连续波构成；所述集成雷达水位流速仪采用比微波雷达频率更高的毫米波波段，极窄的波束和穿透能力具有更高的分辨率，能够在远程目标探测、强烟雾粉尘环境下等复杂的工况下保持较好的测量性，其水位测量范围在0~120 m，测速范围在0.15~15m/s。

5.根据权利要求1所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：所述摄像头包括镜头和旋转固定支架，所述旋转固定支架呈U字状，所述摄像头固定设置于下置双云台上，所述摄像头的视频信息通过串口与图像处理模块信号输入端连接。

6.根据权利要求5所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：所述镜头可以在平面内旋转；所述摄像头在进行用于图像处理测速的视频拍摄时，需调整镜头：垂直向下，俯视水面。

7.根据权利要求1或5所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：所述集成雷达水位流速仪下方水平面与摄像头俯视水面时的镜头在同一平面上。

8.根据权利要求1所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置，其特征在于：所述图像处理模块预先判断拍摄视频信息的流场流速处理条件：

（1）、若满足处理清晰度要求，则采用图像处理模块进行流速计算；

（2）、若不满足图像处理要求，如在雾、霾等可见度较低的天气条件，调用集成雷达水位流速仪直接测量点位的水流流速。

9.一种江河水流监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

操控端操控如权利要求1所述的基于调频波雷达与图像处理无人机江河水流监测装置飞行到指定测量江河水面的上方，调整摄像头使其俯视水面；

操控端开启集成雷达水位流速仪，通过雷达测量距离水面的高度，调整无人机飞行高度及拍摄范围；

操控端开启摄像头拍摄，拍摄视频传输给图像处理模块，雷达水位流速仪测量的距离水面高度及测点流速同步传输给图像处理模块；

图像处理模块判断拍摄视频质量，若满足图像处理要求，则采用图像处理进行流速计算，并与雷达测速点结果进行比对校正；

若不满足图像处理要求，图像处理模型反馈至操控端，操控端调用雷达水位流速仪划定测量范围，操控其直接测量点位的水流流速，测量数据传输至图像处理模块；

图像处理模块汇总流速信息，并同步计算水面高程测点后，将最终处理结果通过无线通信模块发送至远端服务器。

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