一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法，在测钎上集成激光器、线阵光敏元件和超声探头，设置统一的供电、信号传输系统，并将三相传感数据依照其在实地工况中的置信度相互融合，形成统一的三相一体的测钎装置，线阵光敏元件的一部分部分插入土壤中，检测土壤表面位置；超声探头向土壤发射超声波，并记录发射及声波反射到探头的时间，通过声速换算从而获得土壤表面位置，测钎顶部的激光探头向土壤发射激光，并探测反射光，根据发射光与探测光之间的相位差从而获得土壤表面位置。将上述三相传感器所获得的土壤表面位置，进行卡尔曼数据融合，获得更准确、可靠的土壤位置信息，实现水土流失的高精度、高可靠监测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法


[0001]本专利技术属于于水土保持在线检测
，具体涉及一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法。

技术介绍

[0002]传统的水土流失监测主要的技术为人工测钎法，测钎法是指向地表按照田子形排布，插入若干钢钎，并在钢钎中做好标记，记录原始土层高度，后期通过记录土层高度的变化，观测计算土壤侵蚀量即水土流失量。以上方法主要依靠人工现场量测，成本高，监测周期长、时效差，不能适应水土保持监测信息化、智能化的需求。因此，需要研究可自动监测数据的智能化测钎。
[0003]在前期的研究中，已分别发展出基于超声测距、激光相位探测、光敏检测、激光扫描等多种测钎原理。但在实际应用中，受制于待测点环境、土壤条件，单一的检测方案不能完全覆盖全环境、全工况、全时段探测。超声测距传感器由于发射波长相对较长，因此其散射不易受到土壤颗粒度的影响，此外超声发射模场较大，因此可以直接获得一定范围内传感器到土壤表面距离的均值。但是超声测距也有一定的局限性，超声在空气中的声速受温度、湿度等环境因素影响较大(温度变化10℃，声速变化6m/s，相对变化约为1.6％，干燥空气和饱和湿度空气声速差大约1.5m/s，相对变化约为0.4％)，这也导致了基于超声的测试得到的数据的可靠性受到环境影响较大，因此要将超声测距技术合理运用到水土保持领域，就需要采用诸如自校准之类技术，对每次超声测量数据进行校准。相对于超声测距，激光测距测量精度高，受环境影响小，但光束较小，比较容易受到土壤颗粒度的干扰。基于线阵CCD的光敏测钎，无发射元件，受环境影响最小，但该装置受制于自然光条件，无法在夜间工作。
[0004]本专利技术在一根测钎上集成光敏、激光、超声三种测钎原理，将三种传感方案融合，吸收其各自优点，形成非相似冗余，同时监测土壤距离，并将数据利用融合算法进行融合处理，得到更为可靠、准确的水土流失数据。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置及方法，弥补单一测钎技术局限，形成精度更高、数据更可靠的复合测钎装置。
[0006]为达到上述目的，本专利技术所述一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，1包括测钎杆，测钎杆外壁固定有多只光敏元件，形成线性光敏阵列；所述测钎杆顶部安装有超声探头、激光传感模块和信号处理电路，所述超声探头向土壤方向发射超声波并接受超声波的反射声波，所述激光传感模块的激光发射方向指向地面，激光传感模块用于发射激光并探测器用于接收发射的激光自土壤平面返回的反射波；线性光敏阵列、超声探头和激光传感模块均与信号处理电路连接，将采集到的信号传递至信号处理电路，所述信号处理电路用于根据接收到的信号计算水土流失量。
[0007]进一步的，沿所述测钎杆的壁面长度方向开设有条形凹槽，所述线性光敏阵列安装在所述凹槽中。
[0008]进一步的，光敏元件为线阵CCD。
[0009]进一步的，超声探头、激光传感模块和信号处理电路均设置在保护壳中。
[0010]进一步的，超声探头为超声换能器。
[0011]进一步的，测钎杆顶部安装有太阳能供电系统，所述太阳能供电系统用于为超声探头、光敏模块、激光传感模块和信号处理电路供电。
[0012]基于上述的测钎装置的测钎方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1、将测钎装置下部插入被测区域的土壤中；
[0014]步骤2、线性光敏阵列、超声探头和激光传感模块开始工作，线性光敏阵列感应太阳光转化为电流或电压信号，并将电流或电压信号传递至信号处理电路；超声探头将超声发射时间及反射声波接收时间传递至此信号处理电路；激光传感模块将激光发射波及反射波的相位差传递至数据处理电路；
[0015]步骤3、数据处理电路根据电流或电压信号确定信号输出临界位置的光敏元件序号，并计算出土壤平面位置，根据土壤平面位置的变化量得到水土流失数据E
c
，
[0016]数据处理电路根据超声发射时间及反射声波接收时间以及声速，计算土壤平面距超声探头的距离，通过土壤平面距超声探头的距离变化量，得到水土流失数据E
a
；
[0017]数据处理电路根据激光发射波及反射波的相位差，计算激光传感模块距离土壤平面的距离，根据激光传感模块距离土壤平面的距离的变化量计算水土流失数据，记为E
o
；
[0018]步骤4、采用卡尔曼滤波器进行数据融合，得到融合后的水土流失量E：
[0019]E＝k
a
E
a
+k
c
E
c
+k
o
E
o
[0020]其中，k
a
为超声探头的卡尔曼系数，k
c
为光敏元件的卡尔曼系数，k
o
为激光器的卡尔曼系数，k
a
、k
c
和k
o
依照布设点实际环境标定得到。
[0021]进一步的，标定k
a
、k
c
和k
o
后，根据测钎布设当地土壤情况和光照情况调整k
a
、k
c
和k
o
。
[0022]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0023]本专利技术所述的装置，通过在一根测钎上集成激光器、线阵光敏、超声三种传感器，相互弥补单一测钎方案在实际应用中出现的局限性，设计统一的供电、信号传输系统，并将三相传感数据依照其在实地工况中的置信度相互融合，形成统一的三相一体的测钎装置，以提升基于测钎法的水土流失监测的精度和可靠性。
[0024]进一步的，沿测钎杆的壁面长度方向开设有条形凹槽，线性光敏阵列安装在所述凹槽中，使得测钎装置的整体性好，线性光敏阵列布置在凹槽中也不易损坏。
[0025]进一步的，超声探头、激光传感模块和信号处理电路均设置在保护壳中，保护壳对超声探头、激光传感模块和信号处理电路起保护作用，提高了装置的使用寿命。
[0026]进一步的，测钎杆顶部安装有太阳能供电系统，用于为超声探头、光敏模块、激光传感模块和信号处理电路供电，使测钎装置方便于野外应用。
[0027]本专利技术所述的方法，将线阵光敏元件部分插入土壤中，在阳光中暴露的线阵基元在光电效应下产生电流信号，而土壤下的基元不感应太阳光，由此获得土壤平面位置；安装于测钎顶部的超声探头向土壤发射超声波，并记录发射及声波反射到探头的时间，通过声
速换算从而获得土壤位置，测钎顶部的激光探头向土壤发射激光，并探测反射光，记录发射光与探测光之间的相位差从而获得土壤位置。将三相传感器所获得的土壤位置，根据当地土壤、光照、植被干扰等情况，进行卡尔曼数据融合，从而获得更准确、可靠的土壤位置信息，从而实现水土流失的高精度、高可靠监测。
[0028]进一步的，标定k
a
、k
c
和k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，包括测钎杆(1)，测钎杆(1)外壁固定有多只光敏元件(2)，形成线性光敏阵列；所述测钎杆(1)顶部安装有超声探头(3)、激光传感模块(4)和信号处理电路(8)，所述超声探头(3)向土壤方向发射超声波并接受超声波的反射声波，所述激光传感模块(4)的激光发射方向指向地面，激光传感模块(4)用于发射激光并探测器用于接收发射的激光自土壤平面返回的反射波；线性光敏阵列、超声探头(3)和激光传感模块(4)均与信号处理电路(8)连接，将采集到的信号传递至信号处理电路(8)，所述信号处理电路(8)用于根据接收到的信号计算水土流失量。2.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，沿所述测钎杆(1)的壁面长度方向开设有条形凹槽，所述线性光敏阵列安装在所述凹槽中。3.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述光敏元件为线阵CCD。4.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述超声探头(3)、激光传感模块(4)和信号处理电路(8)均设置在保护壳(5)中。5.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述超声探头(3)为超声换能器。6.根据权利要求1所述的一种激光、光敏、超声三相融合测钎装置，其特征在于，所述测钎杆(1)顶部安装有太阳能供电系统(6)，所述太阳能供电系统(6)用于为超声探头(3)、光敏模块(2)、激光传感模块(4)和信号处理电路(8)供电。7.基于权利要求1所述的测钎装置的测钎方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将测钎装置下部插入被测区域的土壤中；步骤2、线性光敏阵列、超声探头(3)和激光传感模块(4)开始工作，线性光敏阵列感应太阳光转化为电流或电压信号，并将电流或电压信号传递至信号处理电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷磊，吴健，孙强，白晓春，王良，万昊，张智，李睿，郑树海，卢林，周海宏，赵颖博，王少军，陈维，郭安祥，王辰曦，李毅，菅永峰，卢鹏，巫婷，姜丹，
申请(专利权)人：国网西安环保技术中心有限公司，
类型：发明
国别省市：