[发明专利]基于定点不同高度下大气成分同步检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于定点不同高度下大气成分同步检测系统，其特征在于：包括：

无人机组合单元，由至少两台无人机组成，实现多台无人机同时悬浮在同一竖直线上的不同高度，并对大气成分进行监测；

控制主机，对所获得的数据信息进行分析，利用线性拟合模型，获得PM2.5与高度、温度、辐照度之间的相关关系；利用PM2.5与大气能见度之间关系模型计算获得能见度垂直分布数据，绘制低空PM2.5和大气能见度垂直分布曲线，结合当时气象条件进行不同高度雾霾影响程度分析；把所分析的大气成分的实时数据信息与历史数据相比对，得出当前时空下大气成分参数；

信息数据库，存储信息传输单元发送至控制主机的数据信息；

监视器，实时显示监测点同一时段的大气成分信息并进行预警或警告；

所述控制主机与无人机组合单元内的多台无人机双向通讯，控制主机与信息数据库双向通讯，控制主机的输出端与监视器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于定点不同高度下大气成分同步检测系统，其特征在于：所述无人机上安装有：

定位单元，由水平位置定位器和竖直位置定位器组成；

大气成分检测单元，由大气成分传感器、温度传感器、光照传感器及视频传感器组成；

信息传输单元，采用GPRS模块；

所述定位单元、大气成分检测单元均与信息传输单元双向通讯，所述信息传输单元与控制主机双向通讯。

3.根据权利要求1所述的基于定点不同高度下大气成分同步检测系统，其特征在于：所述无人机采用多旋翼垂直升降无人机，两相邻无人机之间的竖直间距在10至800米之间，两相邻无人机之间的水平间距小于5米。

4.一种如权利要求1至3中任一项所述的基于定点不同高度下大气成分同步检测系统的检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）将多台多旋翼无人机飞行系统展开，对每一台无人机进行静态通电调试，通过无人机地面的监视器确定系统状态正常；

（2）利用控制主机进行各台无人机的任务规划，设定无人机编号，确定起飞顺序，输入飞行参数和定位参数，其中所述飞行参数包含：飞行区域和飞行高度；所述定位参数包括邻近一台无人机距离本机的高度和水平方位；

（3）各台无人机按编号依次起飞，当所有无人机全部起飞后，启动定位单元，进行无人机水平方向上的定位和纠偏，竖直方向确定各自的飞行高度，直至所有无人机在一竖直线上稳定悬浮，启动信息传输单元，把各无人机的定位和各自的相对竖直高度发送至地面的控制主机；

（4）控制主机发出指令，同时启动各台无人机上的大气成分检测单元，同步采集不同高度的大气参数数据，通过信息传输单元的远程无线传输方式，向控制主机实时传输探测数据，并实时监控任务飞行状态；其中，所述大气参数包含：PM2.5、温度、光照、气压及视频；

（5）控制主机把获取的大气参数数据存储到信息数据库，并对各类检测数据进行处理，获得同一时间维度下的不同高度PM2.5、气压、温度、视频能见度分布数据；

（6）控制主机的处理器利用线性拟合方法，获得PM2.5与高度、温度、辐照度之间的相关关系，用于分析同一时间维度下不同高度PM2.5浓度的分布趋势及与相关大气参数之间的关系；利用PM2.5与大气能见度之间关系模型计算获得能见度垂直分布数据，绘制低空PM2.5和大气能见度垂直分布曲线，结合当时气象条件进行不同高度雾霾影响程度分析；把所分析的大气成分的实时数据信息与历史数据相比对，得出当前时空下大气成分参数，并在监视器上显示该数据下的大气环境属于正常或超标报警。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤（1）具体包括以下步骤：

（1a）所述多旋翼无人机为四旋翼无人机，其起飞重量为8.0kg，有效载荷为5kg，升限为800m，水平飞行速度为60km/h，可通过程控或手控实现垂直起降、空中悬停、盘旋飞行的多种飞行方式；

（1b）将PM2.5传感器、气压-温度传感器、温度-光照传感器、储能电源及信息传输单元连接集成在一个壳体中，并安装在无人机的底部，定位单元安装在无人机的镂空壳体处，实现上下方均能定位，各传感器均与信息传输单元连接实现无线传输功能；

（1c）将高清视频摄像头安装在无人机平台的侧下方，用于获取垂直和水平方向的连续视频影像。

6.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤（6）具体包括以下步骤：

（6a）绘制散点图，进行线性拟合，获得PM2.5浓度与高度、温度、辐照度、湿度的相关关系，分析PM2.5浓度随同一时间维度下的高度变化规律及与相关大气参数之间的相关程度；

（6b）利用不同高度下大气成分与能见度之间的关系式，计算获得不同高度的能见度数据，分析PM2.5对大气能见度的影响程度；

（6c）利用垂直和水平方向的序列视频影像灰度变化，结合PM2.5分布规律和气象条件，分析PM2.5在同一时间维度下垂直和水平方向的扩散程度；

（6d）利用附近的大气环境地面监测站点数据与无人机探测数据进行比对，评估两种观测方式的一致性；利用气象卫星遥感探测卫大气参数分布，结合无人机观测的 PM2.5分布规律，对雾霾的影响程度进行综合分析。