一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统及其探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，包括紫外光探测雾霾装置，紫外光探测雾霾装置搭载在无人机模块上。本发明专利技术还公开了一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子方法，本发明专利技术将紫外光探测雾霾系统搭载在无人机上，可以探测出低空中不同高度范围内大面积的雾霾情况。传统的雾霾监测系统大都是在各区域设立有限个监测站来获取空气质量数据，而对于区域不同地区的情况无法完全监测，本发明专利技术结合无人机利用紫外光无背景光干扰、宽视场等特点有效解决了这一问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统及其探测方法
本专利技术属于雾霾探测
，具体涉及一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，本专利技术还涉及紫外光探测雾霾粒子的方法。
技术介绍
目前，大气环境问题已经成为了全民关心的话题，而雾霾天气是其中的关注重点。“日盲”紫外光是指波长在200nm-280nm的紫外线，由于大气臭氧对太阳光的强烈吸收，使得该波段紫外光在近地表面具有全天候工作、无背景光干扰、可宽视场接收等优点。日盲紫外光大气雾霾检测技术是一种利用紫外光散射特性在雾霾天气下检测大气污染情况的方法。国内所使用的大气颗粒物检测设备大部分依赖于进口，价格昂贵且维护成本高。测量大气颗粒物的技术主要有：微量振荡天平法、滤膜称重法、光散射测量法等。很少有一种方法能够同时满足检测设备在实用性、可靠性及便利性等方面的要求。紫外光散射测量法利用了紫外光无背景光干扰、宽视场、全天候工作的特点，是对大气气体的自然状态进行实时测量，不需改变温湿度、气压及流速等测量环境条件，因此测量结果反映的是自然状态下大气颗粒物真实的物理、化学性质。传统的紫外光探测雾霾装置大都设在地面，只能对有限区域、高度内雾霾进行检测，这样比较局限。无人机具有稳定性好、控制方便、承载能力强等特点，搭载紫外光探测雾霾系统具有灵活性和宽覆盖率，这将成为一个新的发展方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，该系统能实现多区域、不同高度范围内雾霾的检测。本专利技术的另一个目的是提供一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子方法。本专利技术所采用的第一种技术方案是：一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，包括紫外光探测雾霾装置，紫外光探测雾霾装置搭载在无人机模块上。本专利技术第一种技术方案的特点还在于：紫外光探测雾霾装置包括电源系统，电源系统分别连接紫外光发送模块和紫外光接收模块。电源系统包括时钟信号发生器，时钟信号发生器分别连接信号产生模块、信号处理模块及A/D采样模块，A/D采样模块与紫外光接收模块连接，信号产生模块与紫外光发送模块连接，时钟信号发生器与信号处理模块均连接RAM数据缓存模块。紫外光发送模块包括依次设置的整形放大模块、日盲紫外光源、起偏器、功率控制模块以及紫外探测器A，稳压管模块为日盲紫外光源提供稳定的电压。紫外光接收模块包括依次设置滤光片、检偏器、紫外探测器B及信号放大电路。本专利技术所采用的第二种技术方案是：一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子方法，具体包括如下步骤：步骤1、初始化测试装备；步骤2，开启无人机模块，将无人机模块悬停在初始高度，使无人机模块沿着预设航线进行飞行探测；步骤3，开启电源系统，紫外光发送模块发送紫外光，紫外光接收模将接收到的信号送入FPGA芯片中的A/D采样模块2进行A/D采样，最终将收集到的数据存入FPGA芯片中的ARM数据缓存模块中；步骤4，改变无人机模块5的飞行高度和飞行航线，进行多轮探测并记录数据；步骤5，在预设的高度范围内完成探测后，停止无人机模块飞行，对不同高度的数据信息进行分析处理。本专利技术第二种技术方案的特点还在于，步骤1的具体过程如下：无人机模块采用四旋翼无人机，将紫外光探测雾霾装置搭载在其中三个旋翼上，紫外光发送模块安装若干个能产生日盲紫外光的光源，该光源发出的光波长在200nm-280nm之内，在搭载前首先进行紫外光发送模块和紫外光接收模块的校准工作，日盲紫外光源上的LED逐个被点亮，检查紫外光接收模块能否正常收到信号，若正常则进行步骤2。步骤3的具体过程如下：步骤3.1，开启电源系统，首先由FPGA芯片上的信号产生模块产生信号，信号通过整形放大模块整形放大后驱动紫外光发送模块中的日盲紫外光源，稳压管模块为日盲紫外光源提供稳定的电压，功率控制模块将日盲紫外光源调整为最佳发射状态，紫外光通过起偏器后得到线偏振光并由紫外探测器A得到散射前的光强、Stokes矢量，无人机模块的核心处理器读取光强、Stokes矢量数据并由无线电收发器发送给控制平台，偏振紫外光与雾霾粒子发生散射后到达紫外光接收模块中；步骤3.2，滤光片对经过雾霾粒子散射后的紫外光进行滤波，检偏器对紫外光的偏振状态进行检测，经过紫外探测器B将光信号转化为电信号，再将经信号放大电路放大后的电信号送入FPGA芯片上的A/D采样模块中进行A/D采样，采样后的数据经过信号处理模块处理后暂时存入RAM数据缓存模块中，无人机模块的核心处理器读取RAM数据缓存模块中的数据并由无线电收发器发送给控制平台。步骤5的具体过程为，对于雾霾粒子，散射光的Stokes矢量与入射光的Stokes矢量通过散射矩阵联系起来，该矩阵的值由粒子的形状、尺度、折射率决定，通过探测散射前后Stokes矢量的值，可以得出散射矩阵用来反演雾霾粒子的近似粒径分布，根据光电探测器检测到的紫外光散射强度以及偏振特性来计算消光系数，由计算的消光系数来反演雾霾中的粒径分布，由探测出的总光强得出光学厚度，用来反演雾霾中的粒径分布。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾系统，借用无人机的平台赋予紫外光探测雾霾系统灵活性和宽覆盖率。无人机具有方便操作、机动性能良好、反应速度快等特点，本专利技术将紫外光探测雾霾系统搭载在无人机上，可以探测出低空中不同高度范围内大面积的雾霾情况。传统的雾霾监测系统大都是在各区域设立有限个监测站来获取空气质量数据，而对于区域不同地区的情况无法完全监测，本专利技术结合无人机利用紫外光无背景光干扰、宽视场等特点有效解决了这一问题。附图说明图1是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统的结构示意图；图2是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统中紫外光探测雾霾装置的结构示意图；图3是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统中电源系统的内部结构示意图；图4是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统中紫外光发送模块的结构示意图；图5是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统中紫外光接收模块的结构示意；图6是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾方法的散射原理示意图；图7是本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾方法中雾霾粒子粒径分布反演分析图。图中，1.紫外光探测雾霾装置，2.电源系统，2-1.FPGA芯片，2-2.时钟信号发生器，2-3.信号产生模块，2-4.A/D采样模块，2-5.信号处理模块，2-6.RAM数据缓存模块；3.紫外光发送模块，3-1.整形放大模块，3-2.稳压管模块，3-3.日盲紫外光源，3-4.功率控制模块，3-5.起偏器，3-6.紫外探测器A；4.紫外光接收模块，4-1.滤光片，4-2.检偏器，4-3.紫外探测器B，4-4.信号放大电路；5.无人机模块。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，如图1所示，包括紫外光探测雾霾装置1和无人机模块5两大部分，紫外光探测雾霾装置1搭载在无人机模块5上。如图2所示，紫外光探测雾霾装置1包括电源系统2，电源系统2分别连接紫外光发送模块3和紫外光接收模块4。如图3所示，电源系统2包括FPGA芯片2-1，首先由FPGA芯片2-1上的时钟信号发生器2-2激励信号产生模块2-3产生信号，信号进入紫外光发送模块3中驱动其内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，其特征在于：包括紫外光探测雾霾装置，紫外光探测雾霾装置搭载在无人机模块上。

【技术特征摘要】
1.一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，其特征在于：包括紫外光探测雾霾装置，紫外光探测雾霾装置搭载在无人机模块上。2.根据权利要求1所述的一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，其特征在于：所述紫外光探测雾霾装置包括电源系统，电源系统分别连接紫外光发送模块和紫外光接收模块。3.根据权利要求2所述的一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，其特征在于：所述电源系统包括时钟信号发生器，时钟信号发生器分别连接信号产生模块、信号处理模块及A/D采样模块，A/D采样模块与紫外光接收模块连接，信号产生模块与紫外光发送模块连接，时钟信号发生器与信号处理模块均连接RAM数据缓存模块。4.根据权利要求3所述的一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，其特征在于：所述紫外光发送模块包括依次设置的整形放大模块、日盲紫外光源、起偏器、功率控制模块以及紫外探测器A，稳压管模块为日盲紫外光源提供稳定的电压。5.根据权利要求4所述的一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统，其特征在于：所述紫外光接收模块包括依次设置的滤光片、检偏器、紫外探测器B及信号放大电路。6.根据权利要求5所述的一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子系统的探测方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1、初始化测试装备；步骤2，开启无人机模块，将无人机模块悬停在初始高度，使无人机模块沿着预设航线进行飞行探测；步骤3，开启电源系统，紫外光发送模块发送紫外光，紫外光接收模将接收到的信号送入FPGA芯片中的A/D采样模块2进行A/D采样，最终将收集到的数据存入FPGA芯片中的ARM数据缓存模块中；步骤4，改变无人机模块5的飞行高度和飞行航线，进行多轮探测并记录数据；步骤5，在预设的高度范围内完成探测后，停止无人机模块飞行，对不同高度的数据信息进行分析处理。7.根据权利要求6所述的一种无人机机载的紫外光探测雾霾粒子方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程如下：无人机模块采用四旋翼无人机，将紫外光探测雾霾装...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵太飞，曹丹丹，袁慧铮，丁卉馨，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61