航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统及方法

1.一种航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.采集探测区域的红外光辐射；
S2.根据入射的红外光辐射，获得分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱；
S3.对所述红外成像光谱进行特征分析，识别被探测区域的药雾云团，并反演所述药雾云团的浓度图像，根据所述浓度图像预测药雾飘移趋势；
步骤S2进一步包括：
S2.1迈克尔逊干涉仪器将入射的红外光辐射通过分束器分离为两束相干光，再利用两个静止的反射镜、一个运动的反射镜，使两束光程存在可计量的差值的相干光，并输出；
S2.2通过运动的反射镜的匀速运动，相干光在面阵探测器的每一个单元上均会按照时间顺序发生干涉，利用面阵探测器感应相干光；
S2.3对所述面阵探测器的每个探测单元，顺序读取探测单元上的光谱信号，得到多个干涉图；
S2.4分别对所述多个干涉图进行傅里叶变换，组成分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱图；
步骤S3进一步包括：
S3.1通过对药雾成像光谱的每一像元的光谱进行特征识别，得到药雾的成分；
S3.2通过对药雾成像光谱的每一像元的光谱吸收峰强度进行计量，利用常用农药药剂的红外光谱特征建立农药浓度与光谱之间的关联模型，得到气态药雾的浓度；
S3.3对成像光谱的每一个像元进行处理和计算，将每个点的浓度作为一个像元从而拼成浓度图像，在施药过程中实时获取药雾的浓度分布情况，并对药雾的扩散趋势进行预测；
S3.4根据预测结果，调整航空施药的喷洒区域。
2.如权利要求1所述的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法，其特征在于，所述红外成像光谱图包括：探测区域的背景的红外成像光谱图以及所述药雾云团的红外成像光谱图，所述探测区域的背景为不具有所述药雾云团的探测区域。
3.如权利要求2所述的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法，其特征在于，在步骤S3中，对减去所述探测区域的背景的红外成像光谱后的红外成像光谱进行特征分析。
4.如权利要求3所述的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括获取探测区域的背景的红外成像光谱的步骤。

航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及有害物质监测技术领域，尤其涉及一种航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统方法。\n背景技术\n[0002] 航空施药过程中的农药飘移是农药污染环境的重要因素之一。农药飘移是指施药过程中或施药后一段时间，在非控制条件下，农药雾滴或颗粒在空中从靶标区迁移到非靶标区的一种物理运动，农药飘移包括蒸发飘移和随风飘移。前者由农药有效成分的挥发性造成，而后者主要是指雾流中的细小雾滴被气流携带出靶标区后消失或再沉降的过程。雾滴的飘移总是不可避免地随着喷雾作业发生，几乎在所有的喷雾作业过程中，都存在一定程度的农药飘移。航空施药中的药雾受风速、飞机翼尖涡流、飞行高度、飞行速度等因素的影响，部分药雾甚至会漂到几公里以外。漂移现象严重影响着施药效果和自然环境：(1)如果采用均匀巡回喷洒方式，则可能造成喷洒药量的不均匀现象，某些区域未受药，而某些区域受药过量。在一定程度上造成了农药的浪费和施药效果的不完整。(2)大部分农药具有毒性，或在降解后产生毒质和温室气体。当人眼不可见的气化药雾云团漂移到喷洒区域以外时，将会污染水质、健康植被、森林，产生温室气体，对环境造成不可估量的影响。(3)药雾会在未知情况下漂移到居民区，对居民健康造成危害。农药经口、吸呼道或接触而大量进入人体内，可能造成急性或慢性中毒。\n[0003] 目前的施药作业中，常用在地面铺设油敏纸和水敏纸的方法(Visual and Image System Measurement of Spray Deposit s using Water-sensitive Paper，Applied Engineering in Agriculture.2003，19(5)：549-552)，对雾滴进行采样，通过图像处理算法获得药雾覆盖范围、雾滴大小等信息，从而把握喷洒作业情况。\n[0004] 对于空气中的残留农药检测，目前多采用吸附法，即待测空气经大流量的气体取样器抽取后通过玻璃纤维滤膜或由吸附剂组成的吸附柱后，再用有机溶剂使其洗脱，经浓缩后在仪器上测定。如李成泉等人用此方法(密闭空间药雾浓度场分布及可视化研究，江苏大学硕士学位论文，2009)，利用在温室不同位置布设多个大气采样器的方式，对药雾浓度分布和飘移情况进行了研究。\n[0005] 在地面铺设油敏纸和水敏纸的方法虽可获得药雾覆盖范围、雾滴大小等信息，但具有如下缺陷：\n[0006] (1)仅可获得地面某区域的受药水平，不能全面反映药雾在空中的飘移情况；\n[0007] (2)实效性较差；\n[0008] (3)不能获得浓雾的浓度和成份；\n[0009] (4)无法探测始终悬浮在空中的微小雾滴。\n[0010] 气体采样器法虽可对空气中的农药进行监测，但具有如下缺陷：\n[0011] (1)仅可对采集的气体进行分析，不能全面反应药雾的分布情况；\n[0012] (2)不能进行实时、连续监测；\n[0013] (3)采样和前处理过程复杂、费时、费力；\n[0014] (4)对高空农药药雾难以完成取样分析。\n发明内容\n[0015] (一)要解决的技术问题\n[0016] 本发明要解决的技术问题是：提供一种能够全面反应药雾在空中的飘移情况、实时性强、可以获得浓雾的浓度和成分的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统及方法。\n[0017] (二)技术方案\n[0018] 为解决上述问题，本发明提供了一种航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统，该系统包括：\n[0019] 采集模块，用于采集探测区域的红外光辐射，并使其入射到光学模块；光学模块，用于根据入射的红外光辐射，获得分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱，并将所述红外成像光谱发送至处理模块；处理模块，用于对所述红外成像光谱进行特征分析，识别所述药雾云团，反演所述药雾云团的浓度图像，并根据所述浓度图像预测药雾飘移趋势。\n[0020] 优选地，所述光学模块进一步包括：迈克尔逊干涉仪，用于将入射的红外光辐射分离为两束相干光并输出，所述两束相干光的光程存在设定差值；面阵红外探测器，用于感应所述迈克尔逊干涉仪输出的两束相干光。\n[0021] 优选地，所述迈克尔逊干涉仪进一步包括：分束器，用于将入射的红外光辐射分离为两束相干光；反射镜组，包括两个静止的反射镜以及一个运动的反射镜，用于使所述两束相干光的光程出现设定的差值，所述运动的反射镜匀速运动。\n[0022] 优选地，所述采集模块的采集范围可调。\n[0023] 本发明还提供了一种航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法，该方法包括步骤：\n[0024] S1.采集探测区域的红外光辐射；\n[0025] S2.根据入射的红外光辐射，获得分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱；\n[0026] S3.对所述红外成像光谱进行特征分析，识别被探测区域的药雾云团，并反演所述药雾云团的浓度图像，根据所述浓度图像预测药雾飘移趋势。\n[0027] 优选地，步骤S2进一步包括：\n[0028] S2.1将入射的红外光辐射分离为两束光程存在设定差值的相干光并输出；\n[0029] S2.2利用面阵探测器感应步骤S2.1输出的相干光。\n[0030] S2.3对所述面阵探测器的每个探测单元，顺序读取探测单元上的光谱信号，得到多个干涉图；\n[0031] S2.4分别对所述多个干涉图进行傅里叶变换，组成分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱图。\n[0032] 优选地，所述红外成像光谱图包括：探测区域的背景的红外成像光谱图以及所述药雾云团的红外成像光谱图，所述探测区域的背景为不具有所述药雾云团的探测区域。\n[0033] 优选地，在步骤S3中，对减去所述探测区域的背景的红外成像光谱后的红外成像光谱进行特征分析。\n[0034] 优选地，在步骤S1之前还包括获取探测区域的背景的红外成像光谱的步骤。\n[0035] 优选地，步骤S3后还包括步骤：\n[0036] S4.根据步骤S3的预测结果，调整航空施药的喷洒区域。\n[0037] (三)有益效果\n[0038] 本发明的系统及方法可以以非接触方式，在一定距离(如1km)对航空施药中的药雾进行探测。实时获得药雾的浓度图像，并根据浓度图像预测农药药雾的分布范围和扩散趋势。本发明的方法不需人员进入喷洒区域，无需取样测量，弥补了原有的采样方法的缺陷。\n[0039] 本发明的系统及方法可用于精准施药过程中的监测和预警，供环境保护部门、农业作业人员使用，有助于提高农药施用效益，在节省经济的同时避免对环境和居民区的破坏。\n附图说明\n[0040] 图1为依照本发明一种实施方式的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统构成示意图；\n[0041] 图2为依照本发明一种实施方式的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法流程图。\n具体实施方式\n[0042] 本发明提出的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。\n[0043] 由于不同化学成分的气体或雾滴在红外区具有不同的指纹图谱特征，所以可以通过对药雾光谱进行特征识别，得到药雾的成分。同时，不同浓度的药雾具有不同的吸收强度，通过对吸收峰强度进行计量，可以得到气态药雾的浓度。利用以上原理不仅可以从不同背景和干扰中识别出目标气体，而且可以定量计算出气体云团的浓度。\n[0044] 农药具有红外光谱吸收特征，不同农药在不同波段具有明显的吸收峰。所有绝对零度以上的物体均会对外发出红外辐射。以自然界为背景的红外辐射，在透过农药药雾云团时，将在特征波段处产生吸收。\n[0045] 基于上述原理，本发明提出了一种基于红外成像光谱的航空施药中药雾分布与飘移趋势的遥测系统及方法。利用常用农药药剂的红外光谱特征建立农药浓度与光谱之间的关联模型，对成像光谱的每一个像元进行处理和计算，将每个点的浓度作为一个像元从而拼成浓度图像。在施药过程中实时获取药雾的浓度分布情况，并对药雾的扩散趋势进行预测，可实现快速、连续、在线监测，可在夜间使用，灵敏度高。\n[0046] 如图1所示，依照本发明一种实施方式的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测系统包括：采集模块5、光学模块以及处理模块。\n[0047] 采集模块5，用于采集探测区域的红外光辐射，并使其入射到光学模块；光学模块，用于根据入射的红外光辐射，获得分布有药雾云团1的探测区域的红外成像光谱，并将红外成像光谱发送至处理模块；处理模块，用于对光学模块发送的红外成像光谱进行特征分析，识别药雾云团1，反演药雾云团1的浓度图像，并根据该浓度图像预测药雾飘移趋势。\n[0048] 其中，采集模块5可为光学望远镜或摄像头等。光学模块进一步包括：迈克尔逊干涉仪2，用于对该红外光辐射进行时间调制，即将入射的红外光辐射分离为两束光程存在可计量的差值的相干光并输出；面阵红外探测器3，用于感应迈克尔逊干涉仪2输出的相干光，该面阵红外探测器3由多个探测单元组成，相干光在面阵红外探测器3的每一个探测单元上均按照时间顺序发生干涉，对探测器单元的信号进行顺序采集即可获得干涉图。对每个探测单元进行同样的采集，即可获得多个干涉图。每个探测单元均对应一副光谱图，对干涉图进行傅里叶变换，可得到多个成像光谱组成的红外成像光谱图，此过程由处理模块完成，处理模块优选为计算机6。\n[0049] 迈克尔逊干涉仪2进一步包括：分束器，用于将入射的红外光辐射分离为两束相干光；反射镜组，包括两个静止的反射镜以及一个运动的反射镜，用于使两束相干光的光程出现可计量的差值，运动的反射镜匀速运动。\n[0050] 如图2所示，依照本发明一种实施方式的航空施药中药雾分布与飘移趋势遥测方法包括步骤：\n[0051] S1.调整采集模块的采集区域(也称成像范围或探测范围)，采集探测区域的红外光辐射；\n[0052] S2.根据入射的红外光辐射，获得探测区域的红外成像光谱；\n[0053] S3.对红外成像光谱进行特征分析，识别药雾云团，并反演药雾云团的浓度图像，根据浓度图像预测药雾飘移趋势。\n[0054] 步骤S2进一步包括：\n[0055] S2.1迈克尔逊干涉仪器将入射的红外光辐射通过分束器分离为两束相干光，再利用两个静止的反射镜、一个运动的反射镜，使两束光程存在可计量的差值的相干光，并输出；\n[0056] S2.2通过运动的反射镜的匀速运动，相干光在面阵探测器的每一个单元上均会按照时间顺序发生干涉，利用面阵探测器感应相干光。\n[0057] S2.3对面阵探测器的每个探测单元，顺序读取探测单元上的光谱信号，得到多个干涉图；\n[0058] S2.4分别对多个干涉图进行傅里叶变换，得到多个光谱图，多个光谱图对应分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱图的多个像元。\n[0059] 通过对红外成像光谱定量化计量，即可获得药雾云团每一点的浓度，并以此获得浓度图像，从而对航空施药中的农药药雾分布进行监测，对药雾的飘移和扩散趋势进行预测。\n[0060] 分布有药雾云团的探测区域的红外成像光谱图包括：探测区域的背景4的红外成像光谱图以及药雾云团1的红外成像光谱图，探测区域的背景4为不具有药雾云团1的探测区域。因此，本发明的方法在步骤S1之前还包括获取探测区域的背景4的红外成像光谱的步骤，在对药雾进行监测时，扣除该背景的红外成像光谱，得到药雾云团的红外成像光谱，即在步骤S3中，对减去探测区域的背景4的红外成像光谱进行特征分析。\n[0061] 实施例1\n[0062] 在本实施例中，探测距离为500m，农药喷洒面积300m*300m，农药类型为甲胺磷类农药。\n[0063] 依据本发明的方法，本实施例实现方法如下：\n[0064] A1.在距离喷洒区域500m处架采集模块(摄像头)、以及设光学模块，光学模块内置迈克尔逊干涉仪、以及焦平面红外探测器；\n[0065] A2.调整镜头，将成像范围设定为本实施例需要的范围。在实施例中，通过调整镜头的焦距，将视场角应调整为2×arctan(150/500)＝33.4°。\n[0066] A3.农药喷洒前，测量背景的红外成像光谱；农药喷洒时，实时获得喷洒区域的红外成像光谱，并在其基础上扣除背景光谱，得到药雾云团光谱。光谱范围为8μm～14μm。\n[0067] A4.根据甲胺磷农药的光谱特征，以1051cm-1和1272cm-1为特征波段(可以通过国际标准谱库查询，也可通过室内实验获得)，在计算机上运行计量软件，对成像光谱的每一点进行定量化计量，从而获得浓度图像。\n[0068] A5.利用浓度图像，依据预测模型，对农药药雾的分布范围和扩散趋势进行预测。\n[0069] 实施例2\n[0070] 在本实施例中，探测距离为1000m，农药喷洒面积200m*200m，农药类型为甲胺磷类农药。\n[0071] 依据本发明的方法，本实施例实现方法如下：\n[0072] B1.在距离喷洒区域1000m处架采集模块(光学望远镜)、以及设光学模块，光学模块内置迈克尔逊干涉仪、以及焦平面红外探测器；\n[0073] B2.调整光学望远镜，将其成像范围设定为本实施例需要的范围。在实施例中，将视场角应调整为2×arctan(100/1000)＝11.4°。\n[0074] B3.农药喷洒时，实时获得喷洒区域的红外成像光谱，光谱范围为8μm～14μm。\n[0075] B4.根据甲胺磷农药的光谱特征，以1258cm-1和1760cm-1为特征波段，对成像光谱的每一点进行定量化计量，从而获得浓度图像。\n[0076] A5.利用浓度图像，依据预测模型，对农药药雾的分布范围和扩散趋势进行预测。\n[0077] 上述两个实施例中利用获得的浓度图像的时间变化规律、气象条件，建立药雾的飘移趋势预测模型，该模型用于预测药雾在接下来的时间会向哪里飘移。由于本发明可以实时获得药雾的分布范围，因此可连续监测药雾分布范围的变化趋势。如药雾连续20秒都以某速度向东扩散，那么可以预测药雾在何时会达到东方的某区域。这对变量施药的意义非常重要，如预测到药雾会在某时间内飘出喷洒范围，可以此为依据对喷洒区域进行调整。\n[0078] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。