一种基于无人机载荷的长距离等效能见度的测量方法及装置

技术领域

本发明属于气象能见度探测领域，尤其涉及一种基于多旋翼无人机载荷的长距离等效能见度的测量方法及装置。

背景技术

气象能见度是一种反映大气透明度的指标，可以直观地理解为雾的浓度。国家标准文件(GB/T 35223-2017)将能见度定义为：视力正常(对比阈值0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离。

气象光学视程是一种可以通过仪器测量的量，通常用来表示气象能见度，其定义为：白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5％所通过的路径长度；并且气象光学视程P与散射系数σ(消光系数)之间满足关系P＝ln(1/0.05)/σ≈3/σ。

长距离能见度，是指在空间中很长一段距离内的能见度分布，具体表现为空间中多个采样点的能见度数据；在一些研究大气散射成像的任务中，科研人员需要测量从目标场景到成像系统这段距离的能见度数据，并给出一个描述光路散射程度的量；因此，本专利提出了一种能描述这段距离的等效能见度的测量方法。

气象部门和科研人员常用的能见度测量仪，虽然可以实时准确地测量固定位置的能见度数据，但无法直接对大范围、长距离的能见度进行测量。同时，大范围内安装多台能见度测量仪的方案不仅需要高额的设备、安装费用，还受户外地形地貌的限制，难以实施。

多旋翼无人机因其具有载荷能力、供电系统、便于携带、能飞行于不同的地形地貌等特点，常常用于挂载物品，以实现测绘地形、运输物资、喷洒农药、增强通讯等多种功能。故而本发明设计出一种能见度仪与无人机相结合的移动式能见度测量装置，以解决无法测量长距离能见度的问题。

经调研，与本发明相似的中国专利有CN110749943A、CN207937609U和CN208334683U；其中，CN110749943A提出了一种基于气象无人机的气象探测系统，侧重于风场、气压、温湿度等参数的测量，以用于台风强度和路径预报；CN207937609U提出了一种基于无人机的激光雷达探测仪，采用激光雷达测背散的方法测量能见度；CN208334683U提出了一种气象无人机，侧重于检测空气中的有害成分；虽然这些专利在技术框架上与本发明相似，但其技术方案以及所解决的问题与本发明不尽相同；本发明与现有技术的最大区别在于解决了长距离能见度及其等效能见度的测量问题，而等效能见度是散射成像研究中评价实验条件的重要指标。

发明内容

为了克服单台能见度测量仪无法测量长距离能见度数据的问题，本发明提出一种基于无人机载荷的能见度测量方法及装置，利用无人机的飞行载荷能力，携带能见度测量仪扫描待检测区域，从而实现灵活方便、实时反馈、不受限于地形的能见度测量方案，并给出待检测区域的等效能见度值。

为此，本发明的技术方案为：

本发明一方面提供一种基于无人机载荷的长距离等效能见度的测量方法，其特点在于，包括：

①在无人机上装载能见度仪，根据待检测区域，确定所述无人机的飞行路径；

②利用所述能见度仪，获取与所述飞行路径相匹配的各采样点的能见度，即无人机沿飞行路径的起始点(A)至终点(B)以一定的速度飞行，期间能见度仪以飞行起始点(A)作为采样起始点，飞行终点(B)作为采样终点，每隔一段时间采集一个能见度数据P

③计算待检测区域AB之间长距离等效能见度P

另一方面，本发明还提供一种基于无人机载荷的长距离等效能见度的测量装置，其特点在于，包括：

无人机载荷模块，用于装载能见度测量模块，并扫描飞行待检测区域；

能见度测量模块，用于采集大气的能见度数据，并记录数据到本地文档；

地面监控模块，用于控制无人机按指定路径飞行，并实时监控能见度数据；

通讯组网模块，用于构建空中与地面之间的通讯组网，以便所述地面监控模块获取能见度测量模块采集的能见度数据；

数据处理模块，用于对采集的能见度数据进行处理，获取等效能见度。

优选地，所述能见度测量仪、所述单板电脑和所述机载电台通过设计的底板固连在一起，并安装在所述多旋翼无人机底部；

其中，所述能见度仪安装在底板的中间位置，所述单板电脑和所述机载电台安装在底板的两端；所述单板电脑通过RS232-USB数据线与所述能见度测量仪连接在一起；所述单板电脑通过网线与所述机载电台连接在一起；

优选地，所述多旋翼无人机的电池通过变压模块之后分别给所述能见度测量仪、所述单板电脑和所述机载电台供电；

其中，所述多旋翼无人机的电池是高电平，需要经过降压模块之后再进行供电；

优选地，所述地面电脑通过所述通讯组网模块远程控制所述单板电脑；

其中，所述地面电台与所述地面电脑通过网线连接在一起；所述地面电台与所述机载电台具有5公里以上的通讯能力。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

(1)实现待检测区域内空间不同位置的能见度数据测量，从而解决大范围、长距离能见度数据的测量问题。

(2)相比于大范围安装能见度仪的方案，本发明具有成本更低、机动性更好、制作工艺更简单等特点；

(3)本发明可以飞行探测一些人员难以抵达、设备安装困难、地形地貌复杂的区域；

(4)本发明所采用的通讯组网模块，可以工作于没有信号的地区，提高了能见度测量装置的适用范围；

(5)本发明为散射成像研究任务提供了光路散射程度的测量方法，给出了评价实验条件的重要指标。

附图说明

图1是无人机能见度测量系统的示意图

图2是能见度测量仪、单板电脑和机载电台的安装示意图

图3是无人机能见度测量系统各部件之间的线路连接图

图4是长距离能见度测量方法的流程图

图5是长距离能见度数据的采集示意图

图中：1.无人机；2.能见度测量仪；3.单板电脑；4.机载电台；5.地面电台；6.无人机遥控器；7.地面电脑。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

如图1所示的是根据本发明的一个实施例而绘制的无人机能见度测量系统示意图。该系统包括：无人机1、能见度测量仪2、单板电脑3、机载电台4、地面电台5、无人机遥控器6和地面电脑7。该系统的空中部分由无人机、能见度测量仪、单板电脑和机载电台共同组成，地面部分由地面电台、无人机遥控器和地面电脑共同组成。

如图2所示的是能见度测量仪2、单板电脑3和机载电台4的安装示意图，能见度测量仪2安装在无人机底板的中间位置，单板电脑3和机载电台4安装在底板的两端。其余各部件之间的安装方式、相对位置与图1所示的位置关系相同。图2所示的底板通过8颗螺丝与无人机底部连接在一起。能见度测量仪的探测角度朝向无人机支撑腿的外围。

如图3所示的是各部件之间的线路连接方式。对于空中的部件，无人机1的电池经过变压模块之后直接给能见度测量仪2、单板电脑3和机载电台4供电，其中变压模块是市面上常见的，如型号WG-48S1905；单板电脑3通过RS232-USB数据线与能见度测量仪2连接在一起；单板电脑3通过网线与机载电台4连接在一起。对于地面的部件，由地面电源直接给地面电台5和地面电脑7供电；地面电台5与地面电脑7之间通过网线连接。

机载电台4和地面电台5通过无线电的方式实现无线通讯，构成局域组网，并且给设备提供网线接口。由此，地面电脑7和单板电脑3可以通过远程桌面连接的方式实现数据传输和远程指令控制。因此即使待检测区域处于无信号地区，地面端也可以正常采集到能见度数据。如果是在有信号的区域，单板电脑3可以通过内部的流量网卡实现与地面电脑7之间的通讯，更加方便。

如图4所示的是长距离能见度测量方法的基本流程，具体包括的步骤：

步骤(1)打开无人机电源，确认无人机处于可飞行状态；确认机载电脑能正常控制能见度仪并采集到能见度数据；确认地面电脑工作正常；确认地面电脑可以远程桌面连接机载电脑；

步骤(2)确认待检测区域的经纬度信息，输入到无人机遥控器上以设置无人机的飞行航线；

步骤(3)以上两个步骤执行完成之后，开始起飞无人机并按照指定航线匀速来回飞行；

步骤(4)在无人机飞行期间，能见度测量仪全程采集能见度数据，并且会实时更新到文本文档中；保存的信息包括：采集时刻、当前能见度数据、过去10min的平均能见度数据；

步骤(5)将能见度数据与无人机的飞行轨迹相匹配，以得到测量区间内多个采样点的能见度数据；飞行轨迹数据包括：飞行时刻、飞行速度、飞行高度、飞行加速度、飞行的GPS；通过匹配时刻的方式可以将能见度数据对应空间的位置上；

步骤(6)执行完步骤(5)，即可得到实时更新的长距离能见度数据；当无人机快没电时，迅速更换备用电池，以此保证长时间测量能见度数据的需求；之后再循环执行(3)～(6)步骤。

如图5所示的是长距离能见度数据的采集示意图。控制无人机沿指定路径AB(或区域)以一定的速度(如5m/s)来回飞行，期间能见度仪每隔10s采集一个能见度数据，由此可以得到待检测区域内n个采样位置的能见度数据(P

AB之间的等效能见度与各采样点能见度的关系为：

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。