一種基于激光技術的噴霧霧滴三維空間分布的檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于農業(yè)航空與地面噴灑作業(yè)與試驗領域，尤其涉及一種基于激光技術的噴霧霧滴三維空間分布的檢測方法。
【背景技術】
[0002]噴霧作業(yè)已經在農業(yè)生產中廣泛使用，這種方式不僅適用于所有大田作物，而且對于各種經濟作物、蔬菜、草場都可以獲得很好的經濟效果。噴霧過程中，農藥霧滴的漂移會對目標作物及周邊環(huán)境產生影響，也會降低噴施的效果。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的檢測、評價方法，展現(xiàn)噴霧霧滴的空間分布是農業(yè)噴霧施藥應用技術的必要基礎支撐。
[0003]國內外已開始有多項研究，主要使用計算流體動力學模擬仿真、沉積量反演法、高速相機法、激光粒度儀等。由于噴霧過程受噴施技術參數(shù)(如噴霧距離、噴頭類型、噴霧壓力、傳送風速)和外界環(huán)境因素(風速、風向、空氣溫度和相對濕度)的交互作用，且環(huán)境因素不可控，因此利用計算流體動力學對噴霧過程進行模擬仿真的結果精度仍需用其他檢測技術進行驗證；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判斷霧滴沉積量，根據(jù)上述檢測到的沉積量進行反演，從而推算出整個噴霧過程中霧滴的空間分布，試驗過程復雜、采集的霧滴沉積量容易在收集和運輸過程中揮發(fā)或損失，導致測量結果不準確。高速相機法則利用高速相機拍攝整個噴霧過程，并采用相應的圖像處理技術和算法來分析霧滴的分布情況，但高速相機成本較高，且拍攝的效果受光照影響較大，圖像分析軟件準確率仍有待提高。激光粒度儀是目前公認比較準確的霧滴參數(shù)測量技術，采用夫瑯禾費衍射原理和典型的平行光路設計，能夠實現(xiàn)對噴頭噴霧流內單點的霧滴尺寸、流量等的準確測量，但是要測量噴頭整個二維平面內的霧滴分布情況，則需要選取多點反復測量后插值方可得到，測試過程繁雜，效率低。
[0004]激光傳感器一般用于對固體的目標物的距離測量、輪廓掃描與定位，根據(jù)激光束的飛行時間探測出測量距離，從而確定掃描區(qū)域內固態(tài)物體的存在情況，目前主要用于工業(yè)、軍事、交通、港口、農林業(yè)等領域。激光對不同的介質的反射情況不同，在其工作過程中對水、霧等反射信號會被視為干擾/噪音信號而被屏蔽，無法直接用于霧滴或者水滴的檢測。

【發(fā)明內容】

[0005]為了能夠直接檢測到噴霧場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的噴霧霧滴三維空間分布的檢測方法，其特征在于直接提取激光對水滴、霧滴的回波信號，作為檢測目標的位置數(shù)據(jù)，具體過程為:
[0006]步驟1、將整個霧場等間隔縱向劃分成若干截面，在霧場截面的正上方及側面分別布置一個激光傳感器，兩個激光傳感器到噴頭的距離相同；
[0007]步驟2、在噴頭不工作即無霧滴的情況下，使用激光傳感器在截面內掃描一次，采集此時的數(shù)據(jù)作為該截面內的環(huán)境數(shù)據(jù)；啟動霧滴噴灑裝置，即有霧滴的情況下激光傳感器在該截面內再掃描一次，采集在該截面內霧滴的分布數(shù)據(jù)，得到該截面內環(huán)境與霧滴的混合數(shù)據(jù)；
[0008]步驟3、將采集的數(shù)據(jù)從極坐標系格式轉換為直角坐標系格式，對環(huán)境數(shù)據(jù)和混合數(shù)據(jù)進行疊加消除，得到無環(huán)境干擾的分布數(shù)據(jù)；對無環(huán)境干擾的分布數(shù)據(jù)進行坐標換算，得出該截面內霧滴的二維空間分布圖，并得到霧滴在這個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、沿霧場擴散方向等間隔水平移動的激光傳感器，重復步驟2-步驟5，分別測量出每個截面的有效寬度和有效高度的最大值、最小值；
[0010]步驟5、將每個截面的有效高度和有效寬度的最大值、最小值以坐標形式描點，每個截面內的四點連線構成一個矩形，以此表示該截面內噴灑的有效范圍；將每個矩形的四個最值點分別與其他矩形的相應最值點連線，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)的每一個數(shù)值作為一個中心，將每一個數(shù)值的X軸、y軸同時放大成一個aXa的小型矩陣，a為設定的閾值，得到擴大后的環(huán)境數(shù)據(jù)，則此時的環(huán)境數(shù)據(jù)不再是點，而是由每個數(shù)值膨脹后形成的一個矩陣范圍；將之后采集的混合數(shù)據(jù)每一個均與擴大后的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，若這個混合數(shù)據(jù)落在了擴大后的環(huán)境數(shù)據(jù)的矩陣范圍里，則這個混合數(shù)據(jù)在環(huán)境影響范圍內，故去除；反之，則保留。
[0012]有益效果
[0013]本發(fā)明能對農業(yè)噴灌過程中水滴在空中的飛行情況與分布范圍、農藥噴施過程中霧場/霧滴的空間分布、噴頭風洞試驗中霧滴擴散、噴幅進行檢測，能直接得到需要測試的特定位置霧場截面的輪廓、霧滴分布的寬度與高度，復原噴霧霧滴擴散與沉降情況。本發(fā)明以計算機作為數(shù)據(jù)的分析和處理設備，可分析和存儲所有實驗數(shù)據(jù)，結構簡單，可靠性高，精確度高，并能夠重現(xiàn)測量過程。本發(fā)明檢測的誤差小，工作成本低，能直觀的檢測到霧滴的分布狀態(tài)與沉降情況，操作簡便，重復性好，用于對噴頭性能、噴幅及沉降情況等檢測與評價，特別是能夠檢測到霧場與作物接觸面的范圍，能應用在農業(yè)噴霧機具及航空噴霧作業(yè)的參數(shù)優(yōu)化調整與研究實驗中。
【附圖說明】
[0014]圖1:檢測方法流程示意圖
[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:極坐標環(huán)境數(shù)據(jù)示意圖
[0018]圖5:直角坐標環(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:傳感器等間隔移動示意圖
[0021]圖8:三維模型構建原理示意圖
[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12:三維模型構建方法模擬測試的結果圖
[0026]圖13:本發(fā)明的噴霧霧滴三維空間分布展現(xiàn)圖
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實例，進一步闡述本發(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系:
[0029]激光傳感器采集檢測單元: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)平面內各個點與掃描儀的相對位置，返回其測量值。其主要應用于輪廓掃描與定位，通過設置傳感器的參數(shù)，對霧滴進行針對性檢測。
[0030]計算機數(shù)據(jù)分析處理單元:利用計算機，對激光傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行存儲和處理。
[0031]傳感器安裝單元:包含固定裝置和可移動支架。固定裝置用于固定激光傳感器；可移動支架主要能夠實現(xiàn)搭載激光傳感器檢測采集單元，并方便對該單元進行位移。也可以將傳感器固定在一個旋轉裝置上，通過旋轉一定的角度，實現(xiàn)掃描面的位移。
[0032]在放置激光傳感器時，如附圖3所示，在使用過程中，每個截面布置兩臺激光傳感器，一臺在檢測區(qū)域上方懸掛固定，以測量霧滴噴灑的寬度(得到top數(shù)據(jù))；一臺在檢測區(qū)域側面固定，以測量霧滴噴灑的高度(得到side數(shù)據(jù))。通過此種放置方式，可以在每個截面內測量霧滴在通過這一截面時的各項參數(shù)，進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