一种基于无人机的果园成熟区域遥测装置及方法与流程

本发明涉及遥测技术，特别涉及一种基于无人机的果园成熟区域遥测装置及方法。

背景技术：

无人机技术早在上世纪20年代就已经出现，近些年来，在军用和农用方面都得到了快速的发展。然而无人机在果园上的应用却局限于果园植保（喷洒农药等）和果园维护（驱赶飞鸟等）上，对于果园成熟区域的遥测鲜有报道。因此研发果园成熟区域遥测装置尤为重要，这将极大方便果园的管理，促进农业发展。

目前，气体红外吸收光谱技术也已经应用在了水果成熟度检测上，一般应用在水果的储存室中以预防水果变质，可检测的范围十分有限，而对于大面积的果园来说，这显然满足不了要求。

光声光谱技术是基于光声效应的间接吸收光谱技术，具有对噪声免疫和高灵敏性的特点，已被广泛应用在痕量气体检测上。将无人机的高空作业与光声光谱的高灵敏气体探测结合起来，可以实现大面积气体浓度检测。

技术实现要素：

本发明的目的是将检测装置安装于无人机上，可以实现大范围的成熟区域检测，克服了气体红外吸收光谱技术中只能小范围测量的缺点，以实现对果园成熟区域的管理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。一种基于无人机的果园成熟区域遥测装置，无人机上安装有无线通信模块、gps系统以及光声探测设备，

所述光声探测设备包括光源控制模块、光声探测模块和信号处理模块；

所述光源控制模块包括依次对应连接的函数发生器、光源控制器、红外光源以及扩束镜4；

所述光声探测模块包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、光声探测器和凹面镜，凹面镜的凹面一侧设置有光声探测器，光声探测器的外侧安装有第二平面反射镜，第二平面反射镜的外侧安装有第一平面反射镜，第一平面反射镜相对的一侧装有扩束镜；

所述信号处理模块包括依次连接的前置放大器、锁相放大器和微控制器；

所述无线通信模块通过无线网与计算机相连接；

所述无线通信模块通过a/d转换接口与信号处理模块中的微控制器相连接，从而实现无线通信模块与光声探测设备的连接；

所述gps系统与信号处理模块中的微控制器相连接，从而实现gps系统与光声探测设备的连接，用于同时记录气体探测数据和位置信息；

所述平面反射镜与凹面镜均镀有红外高反膜。

进一步，所述前置放大器为低噪声电流放大器。

进一步，所述光声传感器为石英音叉，内部设置有微型共振毛细管，固定于石英音叉的两侧。

进一步，所述光声传感器为微音器，内部设置有谐振腔，微音器固定在谐振腔的中间。

进一步，所述锁相放大器通过高速数据采集卡与微控制器相连接。

一种采用基于无人机的果园成熟区域遥测装置的遥测方法，其操作步骤如下：

1）首先在无人机相同飞行高度下，测量无乙烯气体时的光声信号作为背景信号，以便微控制器的后续处理；控制无人机飞行于果园上空，使其稳定；

2）利用函数发生器产生调制信号，加载到光源控制器输入端，光源控制器驱动并控制红外光源发出波长调制的光，通过扩束镜后，变成扩束准直光；

3）扩束准直光经平面反射镜反射后入射到果园上，并与果园产生的乙烯气体相互作用，后向散射光被凹面镜收集并聚焦在光声探测器上；

4）光声探测器将声波信号转换为电信号，经前置放大器放大后，通过锁相放大器解调得到二次谐波信号，最后经数据采集卡将得到的二次谐波信号传输给微控制器；

5）微控制器对二次谐波信号进行处理，得到果园释放乙烯浓度，计算机获取气体探测数据和gps数据并经处理显示果园成熟区域。

进一步，所述调制信号是由锁相放大器产生的高频正弦波信号与函数发生器产生的低频调制信号叠加而成，且调制频率须与光声探测器的共振频率相同。

进一步，所述二次谐波信号是经微控制器用背景信号扣除原始信号之后送入锁相放大器解调出来的结果。

本发明的优势在于：1.光声池与目标气体相互隔开，将光声光谱技术与无人机技术相结合可有效检测果园成熟区域，并通过计算机的显示屏显示出来，方便快捷。

2.可以实现大范围的成熟区域检测，不仅克服了气体红外吸收光谱技术中只能小范围测量的缺点，而且提高了检测效率，为水果的合理采摘提供指导。

3.可将检测装置从无人机上拆卸下来，并用来检测其他气体，比如检测水果储藏室内乙烯浓度以预防水果腐烂，也可根据光声光谱技术用来检测液体和固体种类。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明中光声探测设备结构示意图；

图中：100-无人机，200-计算机；01-无线通信模块，02-gps系统，03-光声探测设备，031-光源控制模块，032-光声探测模块，033-信号处理模块；1-函数发生器，2-光源控制器，3-红外光源，4-扩束镜，5-第二平面反射镜，6-光声探测器，7-凹面镜，8-前置放大器，9-锁相放大器，10-微控制器，11-果园，12-第一平面反射镜。

具体实施方式

以下结合附图和实施例来说明本发明。参见图1和图2，一种基于无人机的果园成熟区域遥测装置，无人机100上安装有无线通信模块01、gps系统02以及光声探测设备03，所述光声探测设备03包括光源控制模块031、光声探测模块032和信号处理模块033；所述光源控制模块031包括依次对应连接的函数发生器1、光源控制器2、红外光源3以及扩束镜4；所述光声探测模块032包括第一平面反射镜12、第二平面反射镜5、光声探测器6和凹面镜7，凹面镜7的凹面一侧设置有光声探测器6，光声探测器6的外侧安装的第二平面反射镜5，第二平面反射镜5的外侧安装有第一平面反射镜12，第一平面反射镜12相对的一侧装有扩束镜4；所述信号处理模块033包括依次连接的前置放大器8、锁相放大器9和微控制器10；所述无线通信模块01通过无线网与计算机200（支持windows732位及以上版本）相连接；所述无线通信模块01通过a/d转换接口与信号处理模块033中的微控制器10相连接，从而实现无线通信模块01与光声探测设备03的连接；所述gps系统02与信号处理模块033中的微控制器10相连接，从而实现gps系统02与光声探测设备03的连接，用于同时记录气体探测数据和位置信息；所述平面反射镜5、12与凹面镜7均镀有红外高反膜。

所述前置放大器8为低噪声电流放大器。所述光声传感器6为石英音叉，内部设置有微型共振毛细管，固定于石英音叉的两侧。所述光声传感器6为微音器，内部设置有谐振腔，微音器固定在谐振腔的中间。所述锁相放大器9通过高速数据采集卡与微控制器10相连接。

一种采用基于无人机的果园成熟区域遥测装置的遥测方法，其操作步骤如下：

1）首先在无人机100相同飞行高度下，测量无乙烯气体时的光声信号作为背景信号，以便微控制器10的后续处理；控制无人机100飞行于果园11上空，使其稳定；

2）利用函数发生器1产生调制信号，加载到光源控制器2输入端，光源控制器2驱动并控制红外光源3发出波长调制的光，通过扩束镜4后，变成扩束准直光；

3）扩束准直光经平面反射镜反射后入射到果园11上，并与果园11产生的乙烯气体相互作用，后向散射光被凹面镜7收集并聚焦在光声探测器6上；

4）光声探测器6将声波信号转换为电信号，经前置放大器8放大后，通过锁相放大器9解调得到二次谐波信号，最后经数据采集卡将得到的二次谐波信号传输给微控制器10；

5）微控制器10对二次谐波信号进行处理，得到果园11释放乙烯浓度，计算机200获取气体探测数据和gps数据并经处理显示果园成熟区域。

所述调制信号是由锁相放大器9产生的高频正弦波信号与函数发生器1产生的低频调制信号叠加而成，且调制频率须与光声探测器6的共振频率相同。

所述二次谐波信号是经微控制器10用背景信号扣除原始信号之后送入锁相放大器9解调出来的结果。

实施例1：一种基于无人机的果园成熟区域遥测装置，它包括无人机100和计算机200（支持windows732位及以上版本）；无人机100上安装有无线通信模块01、gps系统02以及光声探测设备03，光声探测设备03包括光源控制模块031、光声探测模块032和信号处理模块033；光源控制模块031包括产生调制信号的的函数发生器1、驱动并控制光源的光源控制器2、红外光源3以及具有扩束准直功能的扩束镜4；光声探测模块032包括均镀有红外高反膜的平面反射镜5、12与凹面镜7以及光声探测器6；信号处理模块033包括与光声探测器6相连接的前置放大器8、将前置放大器8放大的信号进行解调的锁相放大器9、得到乙烯测量值和gps数据的微控制器10。

红外光源3为量子级联激光器，光源控制器2为激光控制器，光声探测器6为石英音叉。通过函数发生器1产生的调制信号与锁相放大器9产生的正弦波信号通过叠加加载到光源控制器2上，光源控制器2驱动并控制量子级联激光器发出波长调制的激光。锁相放大器9通过高速数据采集卡与微控制器10相连接。

一种基于无人机的果园成熟区域遥测方法可由以下步骤实现：

1）首先在无人机100相同飞行高度下，测量无乙烯气体时的光声信号作为背景信号，以便微控制器10的后续处理；控制无人机100飞行于果园11上空，使其稳定；

2）利用函数发生器1产生调制信号，加载到激光控制器输入端，激光控制器驱动并控制量子级联激光器发出波长调制的光，通过扩束镜4后，变成扩束准直光；

3）扩束准直光经平面反射镜反射后入射到果园11上，并与果园11产生的乙烯气体相互作用，后向散射光被凹面镜7收集并聚焦在石英音叉上；

4）石英音叉将声波信号转换为电信号，经低噪声电流放大器放大后，通过锁相放大器9解调得到二次谐波信号，最后经数据采集卡将得到的二次谐波信号传输给微控制器10；

5）微控制器10对二次谐波信号进行处理，得到果园11释放乙烯浓度，计算机200获取气体探测数据和gps数据并经处理显示果园成熟区域。

实施例2：红外光源3为红外led，光源控制器2为红外led控制芯片。其他与实施例1相同。

实施例3：光声探测器6为微音器。其他与实施例1相同。