一种基于无人机的高性能大气颗粒全息图采集与三维风速的测量平台

本发明涉及环境监测，特别是涉及一种基于无人机的高性能大气颗粒全息图采集与三维风速的测量平台。

背景技术：

1、大气颗粒及风数据是研究大气过程特征的关键信息，它们在许多场景下表现出了相互作用。例如：在风能领域，海盐气溶胶会影响风力发电的可用能量；在气象领域，大气颗粒的冷却作用削弱季风环流，火灾产生的烟雾大气颗粒也极大地改变了垂直风和水平风。风速是大气粉尘浓度的决定因素之一，较低的风速大大减少了粉尘排放。云物理研究方面，捕捉湍流如何通过与环境混合来输送和稀释云水。因此，迫切需要开发一款低成本的设备能灵活应用于多场景，并能同步采集气溶胶和风场等数据，以便于后续进行相关研究。

2、目前的卫星可以测量云层和降水的特性，但不能测量产生云层的垂直风，也不能测量云层降落和冰晶成核的特定大气颗粒。雷达测风的空间分辨率低，测量距离越远精度越低，大气颗粒的浓度过大或过小会影响其风速的测量精度，雷达风速采样频率较低。传统测风塔、基站测风与大气颗粒，只适合长期定点测量，其灵活度不足且投资巨大；热气球搭载测风仪，其操作是一项具有挑战性和劳动密集型的工作；大型研究船和飞机搭载风速与大气颗粒测量传感器，投入成本高，且应用场景受限；固定翼无人机集成风速与大气颗粒测量传感器，无法通过悬停来进行定点数据采集。

3、当前多旋翼无人机因为其成本低、操作简单、灵活度高、可编程飞行采样、定点悬停等优点，适用于多场景应用，因而被研究学者广泛应用于测量与数据采集领域，包括风速和大气颗粒测量。但少有学者利用无人机同时集成风速和大气颗粒测量传感器，进行风速与大气颗粒数据的同步采集，以研究两者数据的关系。并且，目前的无人机测量系统配备的超声风速仪大多风速采样频率较低(低于20hz)，并且无法测量垂直风速；配备的光学颗粒计数器只能测量颗粒的浓度，无法表征单个颗粒的形状、大小和空间位置分布；无人机测量系统中的无人机飞行平台性能无法满足其在搭载相关传感器后，完成特定极端环境(如高空云层、海洋风机风场、沙尘、野火等)下的数据采集。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无人机的高性能大气颗粒全息图采集与三维风速的测量平台，能同时进行三维风速测量及大气颗粒全息图采集，以研究两者数据之间的关系，并且可测量垂直风速，有效减少无人机旋翼扰流对三维风速仪测量和全息颗粒图采集的影响。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于无人机的高性能大气颗粒全息图采集与三维风速的测量平台，包括多旋翼无人机，所述多旋翼无人机的机臂上设有支撑架，所述支撑架的顶端设有三维超声风速仪，所述支撑架的中部设有两个空间分辨率不同的全息颗粒成像仪，所述多旋翼无人机的下方设有供电系统，所述多旋翼无人机、所述三维超声风速仪及所述全息颗粒成像仪均与所述供电系统电连接。

4、优选地，所述多旋翼无人机包括机壳，所述机壳的内部设有飞控，所述机臂远离所述机壳的一端设有电机，所述电机的输出轴连接旋翼，所述电机上电连接有电调，所述电调与所述供电系统电连接。

5、优选地，所述壳体的下端的两侧分别设有起落架，两个所述起落架之间连接有横杆，所述供电系统设置在所述横杆上，且所述供电系统的壳体上设有用于实时观测并收集无人机的周边环境图像，为导航提供视频信息云台相机；

6、所述机臂包括第一臂体和第二臂体，所述第一臂体和所述第二臂体之间通过机臂折叠件连接。

7、优选地，所述大气环境参数采集装置还包括接收卫星信号，用于多旋翼无人机导航和定位的gps；

8、用于提高定位的可靠性的实时动态相位差分系统；

9、及用以实时观测并收集风速仪和颗粒采集仪的外部工作状态以及上方天空环境的监控像机；

10、所述gps、所述实时动态相位差分系统及所述监控相机均设置在所述机臂上，并与所述供电系统电连接。

11、优选地，所述供电系统的上端设有树莓派盒，所述树莓派盒的内部设有树莓派a和树莓派b，所述树莓派盒的外壁设有温湿度传感器；

12、所述全息颗粒成像仪包括一倍成像仪和二倍成像仪，所述树莓派a与所述温湿度传感器及所述一倍成像仪电连接，所述树莓派b与所述三维超声风速仪及所述二倍成像仪电连接。

13、优选地，所述供电系统包括电连接的电池、分电板、电压调节模块a、电压调节模块b、电压调节模块c、信号转换模块、电子开关；

14、所述多旋翼无人机还包括电连接的双天线差分模块、差分通讯电台、接收机天线和遥控器；

15、所述三维超声风速仪包括电连接的风速仪探头和线路板；

16、所述线路板连接所述电压调节模块a，所述树莓派a和树莓派b均连接所述电压调节模块b及电压调节模块c，所述分电板连接所述电调及所述飞控，所述信号转换模块连接所述飞控，所述电压调节模块a及所述电压调节模块b均链接所述双天线差分模块。

17、优选地，所述遥控器上设置数据采集通道按键，开启或停止数据采集，其整个流程为：

18、按下按b键后，遥控器接收机通过接收机天线接受无线电信号，并转化为sbus信号输入给飞控，在飞控日志中记录开始时刻点t1，并将该信号传输给信号转换模块，经转换sbus转变为pwm信号并传输给电子开关，电子开关常开电路闭合接通，5v电压流经电压调节模块c降压至3.3v并供给树莓派的相应gpio接口；

19、树莓派a和树莓派b后台运行的引脚监控程序实时检测该gpio接口的电压，当检测到3.3v电压后，温湿度传感器、监控相机和三维超声风速仪的数据采集程序开始运转，并在树莓派a和树莓派b日志中分别记录开始时刻点t2和t3；

20、反之，再按一次按键，该通道的sbus信号中断导致pwm信号消失，闭合的电子开关恢复常开，树莓派因未检测到3.3v电压而暂停采集程序的运行；

21、所有数据均有时间戳与之对应，树莓派与连接其上的负载共用一个时钟，通过t1、t2和t3的时间差，以飞控数据记录的时钟为基准，完成两个树莓派存储数据的时钟校准同步。

22、优选地，所述全息颗粒成像仪获取颗粒的瞬时数量浓度的方法为：

23、对于多分辨率数字同轴全息颗粒成像仪采集的1倍和2倍放大的颗粒全息图，首先基于rayleigh-sommerfeld衍射公式完成复杂三维光场的数值重建及分割，可获取每个颗粒在采样空间中横截面内的x和y位置坐标；

24、然后通过基于小波的焦点度量来识别每个颗粒在采样空间中的纵向z位置坐标，并采用图像分割，计算出每个颗粒的拟合圆大小，获得颗粒粒径大小的估算；

25、最后采用最近邻阈值方法，通过比较前后两张图片，在设定的距离阈值内，排除因系统振动而误计算的新增加颗粒，以此来计算出本张图片增加的瞬时颗粒，获得颗粒的瞬时数量浓度。

26、优选地，所述支撑架包括三根支撑管，所述支撑管的下端设有与所述机臂连接的第一抱箍，三根所述支撑管的上端连接角件，以使三个所述支撑管之间形成三角形支持结构，所述角件上设有用于连接三维超声风速仪的第二抱箍，三根所述支撑管的底部连接有第一安装板所述第一安装板上设有三维风速仪线路板盒，三根所述支撑管的中部连接有用于安装所述全息颗粒成像仪的第二安装板。

27、优选地，所述第二安装板包括相对设置的两个，且两个所述第二安装板相间隔设置，所述安装板上设有用于安装所述全息颗粒成像仪的安装孔。

28、本发明实施例的一种基于无人机的高性能大气颗粒全息图采集与三维风速的测量平台，与现有技术相比，其有益效果在于：通过设置三维超声风速仪，能够测量空间中xyz三个互相垂直方向上的风速，通过设置两个空间分辨率不同的全息颗粒成像仪，能够采集大气颗粒的全息图，并表征出每个颗粒的大小、形状和空间分布以及颗粒数量浓度等信息，从而实现了同时进行风速测量及大气颗粒全息图采集，以研究两者数据之间的关系。同时，通过在多旋翼无人机的机臂上设置支撑架，并将三维超声风速仪及全息颗粒成像仪均固定在支撑架上，能有效减少无人机旋翼扰流对三维风速测量和颗粒全息图采集的影响。