[发明专利]一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法

说明书

技术领域

本发明属于农业航空与地面喷洒作业与试验领域，尤其涉及一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法。

背景技术

喷雾作业已经在农业生产中广泛使用，这种方式不仅适用于所有大田作物，而且对于各种经济作物、蔬菜、草场都可以获得很好的经济效果。喷雾过程中，农药雾滴的漂移会对目标作物及周边环境产生影响，也会降低喷施的效果。因此，研究喷施参数(如喷雾压力、喷雾距离、喷雾角度等)、喷施效果、雾滴沉降及其漂移变化趋势的检测、评价方法，展现喷雾雾滴的空间分布是农业喷雾施药应用技术的必要基础支撑。

国内外已开始有多项研究，主要使用计算流体动力学模拟仿真、沉积量反演法、高速相机法、激光粒度仪等。由于喷雾过程受喷施技术参数(如喷雾距离、喷头类型、喷雾压力、传送风速)和外界环境因素(风速、风向、空气温度和相对湿度)的交互作用，且环境因素不可控，因此利用计算流体动力学对喷雾过程进行模拟仿真的结果精度仍需用其他检测技术进行验证；还有利用滤纸、水敏纸、雾滴采集架等承载工具收集沉积在各距离上的雾滴，或在喷施的药液中混入示踪剂溶液，然后用试管收集雾滴，分析各试管示踪剂含量来判断雾滴沉积量，根据上述检测到的沉积量进行反演，从而推算出整个喷雾过程中雾滴的空间分布，试验过程复杂、采集的雾滴沉积量容易在收集和运输过程中挥发或损失，导致测量结果不准确。高速相机法则利用高速相机拍摄整个喷雾过程，并采用相应的图像处理技术和算法来分析雾滴的分布情况，但高速相机成本较高，且拍摄的效果受光照影响较大，图像分析软件准确率仍有待提高。激光粒度仪是目前公认比较准确的雾滴参数测量技术，采用夫琅禾费衍射原理和典型的平行光路设计，能够实现对喷头喷雾流内单点的雾滴尺寸、流量等的准确测量，但是要测量喷头整个二维平面内的雾滴分布情况，则需要选取多点反复测量后插值方可得到，测试过程繁杂，效率低。

激光传感器一般用于对固体的目标物的距离测量、轮廓扫描与定位，根据激光束的飞行时间探测出测量距离，从而确定扫描区域内固态物体的存在情况，目前主要用于工业、军事、交通、港口、农林业等领域。激光对不同的介质的反射情况不同，在其工作过程中对水、雾等反射信号会被视为干扰/噪音信号而被屏蔽，无法直接用于雾滴或者水滴的检测。

发明内容

为了能够直接检测到喷雾场中雾滴的空间分布情况，本发明提出了一种基于激光技术的喷雾雾滴三维空间分布的检测方法，其特征在于直接提取激光对水滴、雾滴的回波信号，作为检测目标的位置数据，具体过程为：

步骤1、将整个雾场等间隔纵向划分成若干截面，在雾场截面的正上方及侧面分别布置一个激光传感器，两个激光传感器到喷头的距离相同；

步骤2、在喷头不工作即无雾滴的情况下，使用激光传感器在截面内扫描一次，采集此时的数据作为该截面内的环境数据；启动雾滴喷洒装置，即有雾滴的情况下激光传感器在该截面内再扫描一次，采集在该截面内雾滴的分布数据，得到该截面内环境与雾滴的混合数据；

步骤3、将采集的数据从极坐标系格式转换为直角坐标系格式，对环境数据和混合数据进行叠加消除，得到无环境干扰的分布数据；对无环境干扰的分布数据进行坐标换算，得出该截面内雾滴的二维空间分布图，并得到雾滴在这个截面的位置分布和尺度特征，分别记录下有效高度和有效宽度的最大值、最小值；

步骤4、沿雾场扩散方向等间隔水平移动的激光传感器，重复步骤2-步骤5，分别测量出每个截面的有效宽度和有效高度的最大值、最小值；

步骤5、将每个截面的有效高度和有效宽度的最大值、最小值以坐标形式描点，每个截面内的四点连线构成一个矩形，以此表示该截面内喷洒的有效范围；将每个矩形的四个最值点分别与其他矩形的相应最值点连线，得到喷雾雾滴的三维空间分布形态示意图。

所述步骤3中的叠加消除过程采用模糊匹配环境消除法，以环境数据的每一个数值作为一个中心，将每一个数值的x轴、y轴同时放大成一个a×a的小型矩阵，a为设定的阈值，得到扩大后的环境数据，则此时的环境数据不再是点，而是由每个数值膨胀后形成的一个矩阵范围；将之后采集的混合数据每一个均与扩大后的环境数据进行分析，若这个混合数据落在了扩大后的环境数据的矩阵范围里，则这个混合数据在环境影响范围内，故去除；反之，则保留。

有益效果