專利名稱：面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸式明渠水流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,全球氣候變化影響加大，臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣事件頻發(fā)，水安全狀況日趨嚴(yán)峻。其中，山洪是山丘區(qū)小流域或匯水區(qū)域由降雨引起的突發(fā)性暴漲暴落的地表徑流，它的匯流時(shí)間短、水量集中、破壞力大，多次造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，對(duì)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。山洪所影響的范圍不僅限于山區(qū)，還可能通過河道將災(zāi)害向山前平原和下游地區(qū)鄉(xiāng)村和城市傳播，形成災(zāi)害鏈。因此，對(duì)山洪的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作尤為重要。
準(zhǔn)確的山洪預(yù)報(bào)建立在對(duì)洪水形成機(jī)理和傳播過程具有深刻理解的基礎(chǔ)之上。天然尺度下河流水情信息的采集，特別是高洪期流速、流場(chǎng)、總徑流變化速率等參數(shù)的高分辨率測(cè)量是洪水預(yù)報(bào)，以及河流水文學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)等研究的科學(xué)基礎(chǔ)。然而高洪期河流的流速快，含沙量高，漂浮物多，致使傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方案無法開展布置，測(cè)流方法和儀器不能正常地施測(cè)。特別是水位暴漲暴落，可能引發(fā)的潰壩、泥石流、堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工作人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。上世紀(jì)90年代末，F(xiàn)ujita等人對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的粒子圖像測(cè)速技術(shù)進(jìn)行改造用于天然河流的觀測(cè)，并稱之為大尺度粒子圖像測(cè)速(LSPIV)。它以自然光代替激光源，以視頻攝像機(jī)代替高幀頻工業(yè)相機(jī)作為圖像采集設(shè)備，簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置以適應(yīng)野外監(jiān)測(cè)。然而，現(xiàn)有的LSPIV系統(tǒng)主要是將成像系統(tǒng)(如數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī))架設(shè)在河岸附近的制高點(diǎn)(如高桿、建筑物)上拍攝的河流水面圖像。在這種情況下，大尺度成像區(qū)域和傾斜拍攝角度將不可避免地引起圖像失真。尤其當(dāng)視角較小時(shí)，即便采用圖像正射校正算法也難以彌補(bǔ)圖像遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率的損失，在很大程度上影響了測(cè)量的精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，包括航拍氣球、伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)、系留電纜和地面測(cè)控單元四部分。航拍氣球由球體、連接網(wǎng)、連接環(huán)和吊裝平臺(tái)組成，用于搭載光電平臺(tái)懸浮于低空；伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)由六波段光譜成像儀、LED補(bǔ)光燈、三軸云臺(tái)和12VDC變換器組成，在機(jī)動(dòng)平臺(tái)下以近似垂直的視角對(duì)水面連續(xù)穩(wěn)定成像，成像波段可根據(jù)水流示蹤物的類型及光照條件在可見光至近紅外的六組光譜波段中進(jìn)行選?。幌盗綦娎|由系留繩、電源線和以太網(wǎng)線組成，用于固定航拍氣球并下傳光譜成像儀輸出的圖像數(shù)據(jù)；地面測(cè)控單元由48V自供電裝置、19VDC變換器、PoE合路器和移動(dòng)工作站組成，為系統(tǒng)提供電源并通過大尺度粒子圖像測(cè)速在線流場(chǎng)分析軟件獲得河流的表面流速。所述的六波段光譜成像儀基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它由以下模塊組成S0PC系統(tǒng)、三可變鏡頭、帶通濾鏡、圖像傳感器、鏡頭驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)輪控制模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、以太網(wǎng)模塊、云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊、無線數(shù)傳電臺(tái)、DC-DC模塊，PoE分路器。所述的大尺度粒子圖像測(cè)速在線流場(chǎng)分析軟件包括“圖像數(shù)據(jù)采集”、“水面目標(biāo)增強(qiáng)”、“運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)”、“時(shí)均流場(chǎng)重建”、“水面流場(chǎng)定標(biāo)”五個(gè)程序模塊。所述的航拍氣球的球體采用PVC材料制成，底部的環(huán)形裙邊上均勻鑲嵌有八個(gè)吊裝孔，球體內(nèi)部填充氫氣或氦氣，直徑為3m，可攜帶最大5kg的有效載荷，升空高度達(dá)到200m以上，續(xù)航時(shí)間為30 40小時(shí)，抗風(fēng)能力大于五級(jí)。所述的航拍氣球的吊裝平臺(tái)為一金屬圓盤，其直徑比球體環(huán)形裙邊的直徑略小，圓盤邊緣均勻固定八對(duì)上下對(duì)稱的連接環(huán)，上方的連接環(huán)通過連接網(wǎng)和球體對(duì)應(yīng)的八個(gè)吊裝孔相連，下方的連接環(huán)用于固定系留電纜。
所述的SOPC系統(tǒng)以一片型號(hào)為EP4CGX150的FPGA芯片為核心器件。所述的帶通濾鏡共有六組，以圓周等分的方式鑲嵌于一個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪上，轉(zhuǎn)輪前端采用C型接口連接三可變鏡頭，后端窗口直接固定于圖像傳感器的正上方。所述的六組光譜波段分別為380-1050nm的全光譜波段、380_760nm的可見光波段，380-480nm的藍(lán)紫光波段、550_650nm黃綠光波段、660_760nm紅橙光波段及850_1050nm的近紅外波段。所述的圖像傳感器采用500萬像素的單色CMOS圖像傳感器MT9P031I12STM，通過一路I2C串行總線和一路12bit并行總線和SOPC系統(tǒng)相連，分別用于圖像傳感器的參數(shù)設(shè)置和圖像數(shù)據(jù)的傳輸。所述的三軸云臺(tái)由基座，方位角、橫擺角和俯仰角轉(zhuǎn)軸四部分構(gòu)成?；潭ㄓ诘跹b平臺(tái)底部，承載云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、橫擺角三個(gè)方向的姿態(tài)調(diào)整。調(diào)整范圍為方位角0° 350°，傾斜角-45° +45°，橫擺角-45° +45°。所述的地面測(cè)控單元的移動(dòng)工作站采用加固型圖形工作站，通過采用RJ-45接口的以太網(wǎng)線和PoE合路器相連，48V自供電裝置同時(shí)輸出三路48V直流一路通過19VDC變換器給移動(dòng)工作站供電；一路通過系留電纜中的電源線接入伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)中的12VDC變換器轉(zhuǎn)換為12V電源給LED補(bǔ)光燈和三軸云臺(tái)供電；最后一路通過PoE合路器加載至以太網(wǎng)線的空閑線對(duì)，和六波段光譜成像儀中的PoE分路器相連。本發(fā)明具有以下有益效果
I.測(cè)量精度高。相比固定和車載的岸基式LSPIV系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠在覆蓋數(shù)千平方米水域的同時(shí)獲得近乎垂直的拍攝角度，大大降低由于遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率不足引起的誤差。2.監(jiān)測(cè)時(shí)間長。相比采用直升機(jī)或無人機(jī)的機(jī)載式LSPIV系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠以很低的成本(一次填充氫氣的費(fèi)用僅為兩、三百元)長時(shí)間停留于空中(一次充氣可停留幾十小時(shí))，且自身運(yùn)動(dòng)很小，結(jié)合伺服自穩(wěn)定平臺(tái)能夠保證視場(chǎng)的穩(wěn)定。3.時(shí)空分辨率高。成像系統(tǒng)采用了工業(yè)相機(jī)的設(shè)計(jì)方案，在500萬像素的空間分辨率下可獲得15fps的幀速率，保證了大尺度下水流示蹤物的識(shí)別和跟蹤所需的圖像細(xì)節(jié)，并可在數(shù)秒內(nèi)完成圖像序列的采集、流速場(chǎng)的獲取和流量的估計(jì)。因此，能在常規(guī)和極端水文過程期間對(duì)難以到達(dá)的測(cè)點(diǎn)實(shí)施密集測(cè)量。
4.抗毀性強(qiáng)，操作安全。系統(tǒng)主體在空中自治運(yùn)行，儀器不接觸水體，不會(huì)因?yàn)楦咚偎鞯臎_擊和漂浮物的纏繞而損毀。工作人員可通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控，無需涉水測(cè)量，極大保障了測(cè)流人員的生命安全。5.部署靈活，機(jī)動(dòng)性高。一套設(shè)備可以完成多個(gè)測(cè)站的水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)。與此同時(shí)，減少了測(cè)站原有的常規(guī)測(cè)驗(yàn)設(shè)備，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)測(cè)流儀器及現(xiàn)有LSPIV系統(tǒng)的不足，以較小的代價(jià)安全、快速地完成現(xiàn)場(chǎng)部署，實(shí)現(xiàn)突發(fā)性洪水期間河流表面流速的應(yīng)急監(jiān)測(cè)，為防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)積累。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖?！D2是本發(fā)明空中部分實(shí)施例的整體三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱1、航拍氣球；1_1、球體；1_2、連接網(wǎng)；1_3、連接環(huán)；1_4、吊裝平臺(tái)；2、伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)；2-1、12VDC變換器；2-2、紅外補(bǔ)光燈；2-3、六波段光譜成像儀；2_4、三軸云臺(tái)；2_4_1、方位角轉(zhuǎn)軸、2-4-2、橫擺角轉(zhuǎn)軸；2-4-3、俯仰角轉(zhuǎn)軸；3、系留電纜；3_1、系留繩；3_2、電源線；3_3、以太網(wǎng)線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)做進(jìn)一步描述。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示，包括航拍氣球、伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)、系留電纜和地面測(cè)控單元四部分。航拍氣球由球體、連接網(wǎng)、連接環(huán)和吊裝平臺(tái)組成，用于搭載伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)。伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)由六波段光譜成像儀、LED補(bǔ)光燈、三軸云臺(tái)和12VDC變換器組成，用于系留氣球機(jī)動(dòng)平臺(tái)下的穩(wěn)定成像。六波段光譜成像儀是伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)的核心，既要對(duì)待測(cè)水面進(jìn)行高分辨率的光譜成像，又要將實(shí)時(shí)圖像上傳至地面監(jiān)測(cè)單元中的移動(dòng)工作站，同時(shí)還要對(duì)多個(gè)外設(shè)進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)控制。因此成像儀應(yīng)當(dāng)具有足夠的靈活性及處理能力。本發(fā)明基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)成像儀與平臺(tái)其他組件的緊耦合。它集成了以下模塊S0PC系統(tǒng)、三可變鏡頭、帶通濾鏡、圖像傳感器、鏡頭驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)輪控制模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、以太網(wǎng)模塊、云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊、無線數(shù)傳電臺(tái)、DC-DC模塊，PoE分路器。SOPC系統(tǒng)采用ALTERA公司Cyclone IV系列的FPGA芯片EP4CGX150作為核心器件。它具有15萬個(gè)邏輯單元，并內(nèi)置了 6. 5M的高速片內(nèi)存儲(chǔ)器及360個(gè)18X 18硬件乘法器用于數(shù)字信號(hào)處理。本發(fā)明采用IP核的方式在FPGA的內(nèi)部集成了 Nios II軟核處理器、I2C接口、SPI接口、PID控制模塊和PWM生成模塊等。環(huán)境光依次通過三可變鏡頭和帶通濾鏡到達(dá)圖像傳感器的成像平面，形成一條光的通路。三可變鏡頭在實(shí)施中選用日本Computar公司的H10Z0812M型電動(dòng)三可變鏡頭，其焦距為8 80mm，光圈大小為Fl. 2 F22C，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為DC 8V，采用標(biāo)準(zhǔn)C型接口。鏡頭驅(qū)動(dòng)模塊集成了三路H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。SOPC系統(tǒng)輸出三路PWM信號(hào)通過鏡頭驅(qū)動(dòng)模塊放大后控制光圈、變倍和變焦對(duì)應(yīng)的三組直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和角度。帶通濾鏡共有六組，以圓周等分的方式鑲嵌于一個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪上。濾鏡的帶通光譜覆蓋了從可見光到近紅外的光譜波段，分別為380-1050nm的全光譜波段、380_760nm的可見光波段，380-480nm的藍(lán)紫光波段、550_650nm黃綠光波段、660_760nm紅橙光波段及850_1050nm的近紅外波段。轉(zhuǎn)輪前端采用C型接口連接三可變鏡頭，后端窗口直接固定于圖像傳感器的正上方。SOPC系統(tǒng)輸出一路和濾鏡相對(duì)應(yīng)的3位二進(jìn)制編碼信號(hào)，由轉(zhuǎn)輪控制模塊將其譯碼為相應(yīng)的脈沖信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)帶通濾鏡轉(zhuǎn)輪的步進(jìn)電機(jī)。圖像傳感器將經(jīng)過帶通濾鏡的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并采樣得到某一波段下的數(shù)字圖像。在實(shí)施中采用Micron公司的單色CMOS圖像傳感器MT9P031I12STM。其最大成像分辨率為500萬像素(2592X 1944)，全分辨率下的幀速率為15fps。SOPC系統(tǒng)通過一路I2C串行總線和一路12bit并行總線分別實(shí)現(xiàn)圖像傳感器的參數(shù)設(shè)置和圖像數(shù)據(jù)的傳輸。SOPC系統(tǒng)與姿態(tài)測(cè)量模塊、三軸云臺(tái)及云臺(tái)控制模塊組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。目的在于降低成像模糊和圖像序列幀間的隨機(jī)抖動(dòng)，保證成像儀指向河面。使穩(wěn)定精度<5°。姿 態(tài)測(cè)量模塊集成了數(shù)字羅盤、三軸傾角傳感器、加速度計(jì)以及GPS接收機(jī)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量光譜成像儀的三種姿態(tài)角，即俯仰角、橫滾角和方位角。在實(shí)施中選用荷蘭Xsens公司的MTI姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(AHRS)。其動(dòng)態(tài)精度〈2°RMS，最大數(shù)據(jù)采樣速率為120Hz。功耗小于360mW。SOPC系統(tǒng)通過RS-232串行總線從姿態(tài)測(cè)量模塊讀取數(shù)據(jù)。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊選用美國NS公司的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200，其輸出分別連接三軸云臺(tái)中三路姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的12V直流減速電機(jī)，輸入信號(hào)為SOPC系統(tǒng)輸出的三路PWM信號(hào)。當(dāng)成像探測(cè)儀受干擾力矩影響發(fā)生偏離后，姿態(tài)測(cè)量模塊將測(cè)定的位置姿態(tài)信息和速度信息反饋給SOPC系統(tǒng)；PID控制模塊通過控制算法解算得其俯仰、橫滾和方位，結(jié)合當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)角速度和角位移，解算出實(shí)際的位置姿態(tài)并與鎖定姿態(tài)比較；通過PID分別調(diào)節(jié)方位速度環(huán)、方位位置環(huán)、俯仰速度環(huán)、俯仰位置環(huán)，橫滾速度環(huán)和橫滾位置環(huán)的18個(gè)PID參數(shù)，根據(jù)偏差計(jì)算出伺服機(jī)構(gòu)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向和大小；PWM生成模塊根據(jù)PID控制模塊計(jì)算的信號(hào)占空比信息，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈沖寬度并輸出至云臺(tái)控制模塊，對(duì)成像儀的方位、俯仰、橫擺角三個(gè)方向的姿態(tài)修正和補(bǔ)償控制。光譜成像儀采用PoE方式供電，電源和以太網(wǎng)線可以共用一根電纜。PoE分路器將48V電源和以太網(wǎng)線分離后采用一塊雙路輸出線性直流穩(wěn)壓模塊HKS014R5將其變換為12V/1. 25A和5V/1. 5A的兩路電源，總輸出功率為22. 5W。其中12V電源提供給鏡頭驅(qū)動(dòng)模塊，5V電源接入DC-DC模塊。DC-DC模塊采用A0Z1010組成降壓式DC-DC變換電路，輸出3. 3V直流作為光譜成像儀的數(shù)字電源。以太網(wǎng)模塊由物理層芯片RTL8201及網(wǎng)絡(luò)傳輸變壓器組成，物理層芯片通過EMAC接口和SOPC系統(tǒng)相連，而網(wǎng)絡(luò)傳輸變壓器的后端和PoE分路器輸出的以太網(wǎng)線相連。無線數(shù)傳電臺(tái)用于向監(jiān)測(cè)中心遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在實(shí)施時(shí)采用華為的WCDMA模塊EM820U，通過PCIE接口和SOPC系統(tǒng)相連。LED補(bǔ)光燈用于在自然光照條件不足時(shí)為水面提供輔助照明，并增強(qiáng)水流示蹤物和水體的亮度對(duì)比。LED驅(qū)動(dòng)模塊由一路光耦隔離的繼電器組成，SOPC系統(tǒng)輸出一路開關(guān)信號(hào)控制繼電器的閉合，進(jìn)而控制與其串聯(lián)的LED補(bǔ)光燈的通斷。
系留電纜由系留繩、電源線和以太網(wǎng)線組成，用于固定航拍氣球并下傳光譜成像儀輸出的圖像數(shù)據(jù)。地面測(cè)控單元由48V自供電裝置、19VDC變換器、PoE合路器和移動(dòng)工作站組成，為系統(tǒng)提供電源并處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，移動(dòng)工作站采用加固型圖形工作站，通過采用RJ-45接口的以太網(wǎng)線和PoE合路器相連。其上運(yùn)行大尺度粒子圖像測(cè)速在線流場(chǎng)分析軟件，包括“圖像數(shù)據(jù)采集”、“水面目標(biāo)增強(qiáng)”、“運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)”、“時(shí)均流場(chǎng)重建”、“水面流場(chǎng)定標(biāo)”五個(gè)程序模塊。48V自供電裝置可以是大容量鋰電池也可以使光伏組件，同時(shí)輸出三路48V直流一路通過19VDC變換器給移動(dòng)工作站供電；一路通過系留電纜中的電源線接入伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)中的12VDC變換器轉(zhuǎn)換為12V電源給LED補(bǔ)光燈和三軸云臺(tái)供電；最后一路通過PoE合路器加載至以太網(wǎng)線的空閑線對(duì)，和六波段光譜成像儀中的PoE分路器相連。本發(fā)明的實(shí)施例整體三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。航拍氣球(I)的球體(1-1)采用PVC材料制成，底部的環(huán)形裙邊上均勻鑲嵌有八個(gè)吊裝孔。球體(1-1)內(nèi)部填充氫氣或氦氣，直徑為3m，可攜帶最大5kg的有效載荷，升空 高度達(dá)到200m以上，續(xù)航時(shí)間為30 40小時(shí)，抗風(fēng)能力大于五級(jí)。吊裝平臺(tái)(1_4)為一金屬圓盤，其直徑比球體環(huán)形裙邊的直徑略小。圓盤邊緣均勻固定八對(duì)上下對(duì)稱的連接環(huán)(1-3)，上方的連接環(huán)通過連接網(wǎng)(1-2)和球體對(duì)應(yīng)的八個(gè)吊裝孔相連。下方的連接環(huán)用于固定系留電纜(3)。吊裝平臺(tái)(1-4)的圓心、三軸云臺(tái)(2-4)的方位角轉(zhuǎn)軸中心及六波段光譜成像儀(2-3)垂直拍攝時(shí)的光軸共線。伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)(2)中的三軸云臺(tái)(2-4)由基座(2-4-1),方位角轉(zhuǎn)軸(2-4-2)、橫擺角轉(zhuǎn)軸(2-4-3)和俯仰角轉(zhuǎn)軸(2-4-4)四部分構(gòu)成?；?2_4_1)固定于吊裝平臺(tái)(1-4)底部，承載云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、橫擺角三個(gè)方向的姿態(tài)調(diào)整，調(diào)整范圍為方位角0° 350°，傾斜角-45° +45°，橫擺角-45° +45°。12VDC變換器(2-1)安裝于方位角轉(zhuǎn)軸(2-4-2)下方的平臺(tái)下，輸入輸出的電源線采用防水航空接插件與之相連。六波段光譜成像儀(2-3)的主體放置于鋁合金防護(hù)罩內(nèi)以滿足室外全天候工作、特別是洪水期間惡劣氣候條件下應(yīng)急測(cè)驗(yàn)的需求。防護(hù)罩采用帶鎖的后開式設(shè)計(jì)，操作空間更大，方便進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試；結(jié)合部位加墊防滲橡膠墊，電纜出口采用橡膠導(dǎo)圈，以防止雨水滲漏；上部的遮陽板在防止太陽直射鏡頭的同時(shí)可以避免太陽直射機(jī)身引起艙內(nèi)溫度過高。LED補(bǔ)光燈(2-2)采用全天侯鋁質(zhì)及強(qiáng)化玻璃封裝，以光軸平行的方式安裝于防護(hù)罩的兩側(cè)。系留電纜(3)由系留繩(3-1)、電源線(3-2)和以太網(wǎng)線(3_3)組成。
權(quán)利要求
1.一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于包括航拍氣球、伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)、系留電纜和地面測(cè)控單元四部分，航拍氣球由球體、連接網(wǎng)、連接環(huán)和吊裝平臺(tái)組成，用于搭載光電平臺(tái)懸浮于低空；伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)由六波段光譜成像儀、LED補(bǔ)光燈、三軸云臺(tái)和12VDC變換器組成，在機(jī)動(dòng)平臺(tái)下以近似垂直的視角對(duì)水面連續(xù)穩(wěn)定成像，成像波段可根據(jù)水流示蹤物的類型及光照條件在可見光至近紅外的六組光譜波段中進(jìn)行選?。幌盗綦娎|由系留繩、電源線和以太網(wǎng)線組成，用于固定航拍氣球并下傳光譜成像儀輸出的圖像數(shù)據(jù)；地面測(cè)控單元由48V自供電裝置、19VDC變換器、PoE合路器和移動(dòng)工作站組成，為系統(tǒng)提供電源并通過大尺度粒子圖像測(cè)速在線流場(chǎng)分析軟件獲得河流的表面流速；所述的六波段光譜成像儀基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它由以下模塊組成S0PC系統(tǒng)、三可變鏡頭、帶通濾鏡、圖像傳感器、鏡頭驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)輪控制模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、以太網(wǎng)模塊、云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊、無線數(shù)傳電臺(tái)、DC-DC模塊，PoE分路器；所述的大尺度粒子圖像測(cè)速在線流場(chǎng)分析軟件包括“圖像數(shù)據(jù)采集”、“水面目標(biāo)增強(qiáng)”、“運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)”、“時(shí)均流場(chǎng)重建”、“水面流場(chǎng)定標(biāo)”五個(gè)程序模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的航拍氣球的球體采用PVC材料制成，底部的環(huán)形裙邊上均勻鑲嵌有八個(gè)吊裝孔，球體內(nèi)部填充氫氣或氦氣，直徑為3m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的航拍氣球的吊裝平臺(tái)為一金屬圓盤，其直徑比球體環(huán)形裙邊的直徑略小，圓盤邊緣均勻固定八對(duì)上下對(duì)稱的連接環(huán)，上方的連接環(huán)通過連接網(wǎng)和球體對(duì)應(yīng)的八個(gè)吊裝孔相連，下方的連接環(huán)用于固定系留電纜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的六波段光譜成像儀的SOPC系統(tǒng)以一片型號(hào)為EP4CGX150的FPGA芯片為核心器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的六波段光譜成像儀的帶通濾鏡共有六組，以圓周等分的方式鑲嵌于一個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪上，轉(zhuǎn)輪前端采用C型接口連接三可變鏡頭，后端窗口直接固定于圖像傳感器的正上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的六組光譜波段分別為380-1050nm的全光譜波段、380_760nm的可見光波段，380-480nm的藍(lán)紫光波段、550_650nm黃綠光波段、660_760nm紅橙光波段及850_1050nm的近紅外波段。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的六波段光譜成像儀的圖像傳感器采用500萬像素的單色CMOS圖像傳感器MT9P031I12STM，通過一路I2C串行總線和一路12bit并行總線和SOPC系統(tǒng)相連，分別用于圖像傳感器的參數(shù)設(shè)置和圖像數(shù)據(jù)的傳輸。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的三軸云臺(tái)由基座，方位角轉(zhuǎn)軸、橫擺角轉(zhuǎn)軸和俯仰角轉(zhuǎn)軸四部分構(gòu)成，基座固定于吊裝平臺(tái)底部，承載云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、橫擺角三個(gè)方向的姿態(tài)調(diào)整，調(diào)整范圍為方位角0° 350°，傾斜角-45° +45°，橫擺角-45° +45°。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于所述的地面測(cè)控單元的移動(dòng)工作站采用加固型圖形工作站，通過采用RJ-45接口的以太網(wǎng)線和PoE合路器相連，48V自供電裝置同時(shí)輸出三路48V直流一路通過19VDC變換器給移動(dòng)工作站供電；一路通過系留電纜中的電源線接入伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)中的12VDC變換器轉(zhuǎn)換為12V電源給LED補(bǔ)光燈和三軸云臺(tái)供電；最后一路通過PoE合路器加載至以太網(wǎng)線的空閑線對(duì)，和六波段光譜成像儀中的PoE分路器相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向山洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)的球載式水流成像測(cè)速系統(tǒng)，屬于非接觸式明渠測(cè)流技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)包括航拍氣球、伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)、系留電纜和地面測(cè)控單元四部分。航拍氣球由球體、連接網(wǎng)、連接環(huán)和吊裝平臺(tái)組成，搭載光電平臺(tái)懸浮于低空；伺服自穩(wěn)定光電平臺(tái)由六波段光譜成像儀、LED補(bǔ)光燈、三軸云臺(tái)和12VDC變換器組成，以近似垂直的視角對(duì)水面連續(xù)穩(wěn)定成像；系留電纜由系留繩、電源線和以太網(wǎng)線組成，用于固定航拍氣球并下傳光譜成像儀輸出的圖像數(shù)據(jù)；地面測(cè)控單元由48V自供電裝置、19VDC變換器、PoE合路器和移動(dòng)工作站組成，為系統(tǒng)提供電源并處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠以較小的代價(jià)安全、快速地完成現(xiàn)場(chǎng)部署，實(shí)現(xiàn)突發(fā)性山洪的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01P5/00GK102879603SQ20121036119
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者張振, 徐立中, 王鑫 申請(qǐng)人:河海大學(xué)