一種基于激光技術(shù)的噴霧霧滴三維空間分布的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)航空與地面噴灑作業(yè)與試驗(yàn)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光技術(shù)的噴霧霧滴三維空間分布的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]噴霧作業(yè)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，這種方式不僅適用于所有大田作物，而且對(duì)于各種經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、草場(chǎng)都可以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效果。噴霧過(guò)程中，農(nóng)藥?kù)F滴的漂移會(huì)對(duì)目標(biāo)作物及周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，也會(huì)降低噴施的效果。因此，研究噴施參數(shù)(如噴霧壓力、噴霧距離、噴霧角度等)、噴施效果、霧滴沉降及其漂移變化趨勢(shì)的檢測(cè)、評(píng)價(jià)方法，展現(xiàn)噴霧霧滴的空間分布是農(nóng)業(yè)噴霧施藥應(yīng)用技術(shù)的必要基礎(chǔ)支撐。
[0003]國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始有多項(xiàng)研究，主要使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬仿真、沉積量反演法、高速相機(jī)法、激光粒度儀等。由于噴霧過(guò)程受?chē)娛┘夹g(shù)參數(shù)(如噴霧距離、噴頭類(lèi)型、噴霧壓力、傳送風(fēng)速)和外界環(huán)境因素(風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度和相對(duì)濕度)的交互作用，且環(huán)境因素不可控，因此利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)噴霧過(guò)程進(jìn)行模擬仿真的結(jié)果精度仍需用其他檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；還有利用濾紙、水敏紙、霧滴采集架等承載工具收集沉積在各距離上的霧滴，或在噴施的藥液中混入示蹤劑溶液，然后用試管收集霧滴，分析各試管示蹤劑含量來(lái)判斷霧滴沉積量，根據(jù)上述檢測(cè)到的沉積量進(jìn)行反演，從而推算出整個(gè)噴霧過(guò)程中霧滴的空間分布，試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、采集的霧滴沉積量容易在收集和運(yùn)輸過(guò)程中揮發(fā)或損失，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。高速相機(jī)法則利用高速相機(jī)拍攝整個(gè)噴霧過(guò)程，并采用相應(yīng)的圖像處理技術(shù)和算法來(lái)分析霧滴的分布情況，但高速相機(jī)成本較高，且拍攝的效果受光照影響較大，圖像分析軟件準(zhǔn)確率仍有待提高。激光粒度儀是目前公認(rèn)比較準(zhǔn)確的霧滴參數(shù)測(cè)量技術(shù)，采用夫瑯禾費(fèi)衍射原理和典型的平行光路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噴頭噴霧流內(nèi)單點(diǎn)的霧滴尺寸、流量等的準(zhǔn)確測(cè)量，但是要測(cè)量噴頭整個(gè)二維平面內(nèi)的霧滴分布情況，則需要選取多點(diǎn)反復(fù)測(cè)量后插值方可得到，測(cè)試過(guò)程繁雜，效率低。
[0004]激光傳感器一般用于對(duì)固體的目標(biāo)物的距離測(cè)量、輪廓掃描與定位，根據(jù)激光束的飛行時(shí)間探測(cè)出測(cè)量距離，從而確定掃描區(qū)域內(nèi)固態(tài)物體的存在情況，目前主要用于工業(yè)、軍事、交通、港口、農(nóng)林業(yè)等領(lǐng)域。激光對(duì)不同的介質(zhì)的反射情況不同，在其工作過(guò)程中對(duì)水、霧等反射信號(hào)會(huì)被視為干擾/噪音信號(hào)而被屏蔽，無(wú)法直接用于霧滴或者水滴的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了能夠直接檢測(cè)到噴霧場(chǎng)中霧滴的空間分布情況，本發(fā)明提出了一種基于激光技術(shù)的噴霧霧滴三維空間分布的檢測(cè)方法，其特征在于直接提取激光對(duì)水滴、霧滴的回波信號(hào)，作為檢測(cè)目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，具體過(guò)程為:
[0006]步驟1、將整個(gè)霧場(chǎng)等間隔縱向劃分成若干截面，在霧場(chǎng)截面的正上方及側(cè)面分別布置一個(gè)激光傳感器，兩個(gè)激光傳感器到噴頭的距離相同；
[0007]步驟2、在噴頭不工作即無(wú)霧滴的情況下，使用激光傳感器在截面內(nèi)掃描一次，采集此時(shí)的數(shù)據(jù)作為該截面內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；啟動(dòng)霧滴噴灑裝置，即有霧滴的情況下激光傳感器在該截面內(nèi)再掃描一次，采集在該截面內(nèi)霧滴的分布數(shù)據(jù)，得到該截面內(nèi)環(huán)境與霧滴的混合數(shù)據(jù)；
[0008]步驟3、將采集的數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)系格式轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系格式，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)和混合數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加消除，得到無(wú)環(huán)境干擾的分布數(shù)據(jù)；對(duì)無(wú)環(huán)境干擾的分布數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)換算，得出該截面內(nèi)霧滴的二維空間分布圖，并得到霧滴在這個(gè)截面的位置分布和尺度特征，分別記錄下有效高度和有效寬度的最大值、最小值；
[0009]步驟4、沿霧場(chǎng)擴(kuò)散方向等間隔水平移動(dòng)的激光傳感器，重復(fù)步驟2-步驟5，分別測(cè)量出每個(gè)截面的有效寬度和有效高度的最大值、最小值；
[0010]步驟5、將每個(gè)截面的有效高度和有效寬度的最大值、最小值以坐標(biāo)形式描點(diǎn)，每個(gè)截面內(nèi)的四點(diǎn)連線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)矩形，以此表示該截面內(nèi)噴灑的有效范圍；將每個(gè)矩形的四個(gè)最值點(diǎn)分別與其他矩形的相應(yīng)最值點(diǎn)連線(xiàn)，得到噴霧霧滴的三維空間分布形態(tài)示意圖。
[0011]所述步驟3中的疊加消除過(guò)程采用模糊匹配環(huán)境消除法，以環(huán)境數(shù)據(jù)的每一個(gè)數(shù)值作為一個(gè)中心，將每一個(gè)數(shù)值的X軸、y軸同時(shí)放大成一個(gè)aXa的小型矩陣，a為設(shè)定的閾值，得到擴(kuò)大后的環(huán)境數(shù)據(jù)，則此時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)不再是點(diǎn)，而是由每個(gè)數(shù)值膨脹后形成的一個(gè)矩陣范圍；將之后采集的混合數(shù)據(jù)每一個(gè)均與擴(kuò)大后的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若這個(gè)混合數(shù)據(jù)落在了擴(kuò)大后的環(huán)境數(shù)據(jù)的矩陣范圍里，則這個(gè)混合數(shù)據(jù)在環(huán)境影響范圍內(nèi)，故去除；反之，則保留。
[0012]有益效果
[0013]本發(fā)明能對(duì)農(nóng)業(yè)噴灌過(guò)程中水滴在空中的飛行情況與分布范圍、農(nóng)藥噴施過(guò)程中霧場(chǎng)/霧滴的空間分布、噴頭風(fēng)洞試驗(yàn)中霧滴擴(kuò)散、噴幅進(jìn)行檢測(cè)，能直接得到需要測(cè)試的特定位置霧場(chǎng)截面的輪廓、霧滴分布的寬度與高度，復(fù)原噴霧霧滴擴(kuò)散與沉降情況。本發(fā)明以計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)的分析和處理設(shè)備，可分析和存儲(chǔ)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，精確度高，并能夠重現(xiàn)測(cè)量過(guò)程。本發(fā)明檢測(cè)的誤差小，工作成本低，能直觀的檢測(cè)到霧滴的分布狀態(tài)與沉降情況，操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性好，用于對(duì)噴頭性能、噴幅及沉降情況等檢測(cè)與評(píng)價(jià)，特別是能夠檢測(cè)到霧場(chǎng)與作物接觸面的范圍，能應(yīng)用在農(nóng)業(yè)噴霧機(jī)具及航空噴霧作業(yè)的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整與研究實(shí)驗(yàn)中。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1:檢測(cè)方法流程示意圖
[0015]圖2:裝置組成示意圖
[0016]圖3:傳感器安裝位置示意圖
[0017]圖4:極坐標(biāo)環(huán)境數(shù)據(jù)示意圖
[0018]圖5:直角坐標(biāo)環(huán)境數(shù)據(jù)示意圖
[0019]圖6:模糊匹配環(huán)境消除法示意圖
[0020]圖7:傳感器等間隔移動(dòng)示意圖
[0021]圖8:三維模型構(gòu)建原理示意圖
[0022]圖9:截面I噴霧霧滴二維分布圖
[0023]圖10:截面2噴霧霧滴二維分布圖
[0024]圖11:截面3噴霧霧滴二維分布圖
[0025]圖12:三維模型構(gòu)建方法模擬測(cè)試的結(jié)果圖
[0026]圖13:本發(fā)明的噴霧霧滴三維空間分布展現(xiàn)圖
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0028]附圖1為本發(fā)明方法的工作流程。本發(fā)明需要借助硬件的搭接完成，附圖2展示了硬件的搭接關(guān)系:
[0029]激光傳感器采集檢測(cè)單元:本發(fā)明所選用的激光傳感器的功能是可掃描某一平面，并根據(jù)平面內(nèi)各個(gè)點(diǎn)與掃描儀的相對(duì)位置，返回其測(cè)量值。其主要應(yīng)用于輪廓掃描與定位，通過(guò)設(shè)置傳感器的參數(shù)，對(duì)霧滴進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)。
[0030]計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理單元:利用計(jì)算機(jī)，對(duì)激光傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。
[0031]傳感器安裝單元:包含固定裝置和可移動(dòng)支架。固定裝置用于固定激光傳感器；可移動(dòng)支架主要能夠?qū)崿F(xiàn)搭載激光傳感器檢測(cè)采集單元，并方便對(duì)該單元進(jìn)行位移。也可以將傳感器固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)掃描面的位移。
[0032]在放置激光傳感器時(shí)，如附圖3所示，在使用過(guò)程中，每個(gè)截面布置兩臺(tái)激光傳感器，一臺(tái)在檢測(cè)區(qū)域上方懸掛固定，以測(cè)量霧滴噴灑的寬度(得到top數(shù)據(jù))；一臺(tái)在檢測(cè)區(qū)域側(cè)面固定，以測(cè)量霧滴噴灑的高度(得到side數(shù)據(jù))。通過(guò)此種放置方式，可以在每個(gè)截面內(nèi)測(cè)量霧滴在通過(guò)這一截面時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而可以得到霧滴在該切面中的分布和變化規(guī)律。附圖4是激光傳