專利名稱：環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)保技術(shù)，特別是涉及一種環(huán)境保護(hù)技術(shù)中環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場的測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，能源消耗不斷增加，污染排放也相應(yīng)增加。由于零污染排放很難做到，因此，盡可能地減少污染排放、合理規(guī)劃和布局以及環(huán)境治理成為當(dāng)務(wù)之急。
在我國現(xiàn)有的能源、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件限制下，僅靠對污染物本身的治理不能完全解決大氣污染問題；污染物在大氣中的擴(kuò)散還受氣象條件支配，不同的氣象條件，同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍。因此，利用氣象條件制約污染源活動便成為防治污染的現(xiàn)實(shí)、有效途徑之一，而污染擴(kuò)散規(guī)律的研究是其中的關(guān)鍵。
環(huán)境污染擴(kuò)散的機(jī)理研究，需要大范圍、非定常污染擴(kuò)散濃度場的瞬時信息，實(shí)驗(yàn)測量獲得的瞬時濃度場不但能夠直接用于研究非定常、不穩(wěn)定、急劇分離流動情況下污染擴(kuò)散的機(jī)理，還能為數(shù)值計算、環(huán)境規(guī)劃等提供充足的數(shù)據(jù)。目前，在環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量中，還沒有比較理想的測量方法。
污染物對流擴(kuò)散研究，無論采用什么研究方法，都希望得到污染擴(kuò)散的濃度，特別希望得到瞬時濃度分布及其隨時間的變化史。在環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度測量中，現(xiàn)有的方法一般是測量單點(diǎn)(如單點(diǎn)采樣測量)、有限點(diǎn)(如多點(diǎn)采樣測量)、或小區(qū)域(一般只有幾個厘米，測量面積為10-4m2量級，采用的是激光誘導(dǎo)熒光、激光分子流場檢測技術(shù)等新一代流動顯示技術(shù))。
環(huán)境風(fēng)洞一般是低速(風(fēng)速小于10m/s)、大尺寸(試驗(yàn)段截面在1m2以上)風(fēng)洞。由于測量方法本身的限制，濃度的單點(diǎn)或有限點(diǎn)測量只能提供流場中有限的濃度數(shù)據(jù)；另外，測量探頭的存在會對流體流動產(chǎn)生某種程度的干擾，而且，現(xiàn)有的小區(qū)域濃度測量方法也無法在環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行大范圍濃度場的測量。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能進(jìn)行大范圍濃度場測量的，能得到污染氣體瞬時濃度分布及其隨時間的變化史的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法，其特征在于，所述濃度場測量方法使用的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量裝置包括環(huán)境風(fēng)洞、用于所述環(huán)境風(fēng)洞照射的激光器和片光裝置、光譜響應(yīng)特性與所述激光器激光波長相匹配的用于所述環(huán)境風(fēng)洞中污染氣體濃度數(shù)據(jù)采集的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、連接所述數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的用于所述環(huán)境風(fēng)洞的數(shù)字圖像采集、顯示、處理的計算機(jī)；本發(fā)明的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法是用光源照射污染氣體擴(kuò)散場，用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集煙霧粒子的散斑圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得數(shù)量濃度場，數(shù)量濃度是指單位體積內(nèi)煙霧粒子的數(shù)量；濃度場測量方法的測量步驟如下1)首先利用標(biāo)準(zhǔn)粒子(大小均勻、在水中不溶解、不沉降)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，確定測量誤差；2)在環(huán)境風(fēng)洞中釋放模擬污染氣體，控制污染氣體量；3)利用激光片光照射需要測量的區(qū)域；4)調(diào)整數(shù)字參數(shù)(通過軟件實(shí)時調(diào)整)，使得圖像達(dá)到最佳；5)實(shí)時進(jìn)行圖像采集和存儲；6)通過數(shù)字圖像處理軟件，得到大范圍污染氣體的濃度場及其隨時間變化，濃度的統(tǒng)計關(guān)系等。
在濃度場測量方法的步驟6)中，當(dāng)用連續(xù)激光片光照射時，單個煙霧粒子的平均曝光量ϵ‾=λ2Pδt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩπ3(M2dp2+2.442(1+M)2f#2λ2)ΔyΔz]]>式中，i1(θ)、i2(θ)為強(qiáng)度函數(shù)，是散射振幅函數(shù)S1(θ)、S2(θ)模的平方；d為散射粒子的直徑；λ為入射光的波長；Ω為數(shù)字鏡頭的立體角；M為成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)；f#為成像系統(tǒng)透鏡的孔徑比，即光圈數(shù)；片光厚度為Δz，則在片光區(qū)域Δy×Δz；光器的功率為P，曝光時間為δt；對于連續(xù)激光器，在曝光時間內(nèi)，散斑圖像的平均曝光量滿足⟨ϵ‾⟩=C(x→i)ΔzM21k2∫I0dt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ]]>=C(x→i)M2PδtΔy1k2∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ>Kϵ0]]>式中， 為片光面上 點(diǎn)處的數(shù)量濃度，k＝2π/λ，K為常數(shù)，ε0為膠片或光電成像設(shè)備的最低感光量；當(dāng)測量區(qū)域、曝光時間、成像參數(shù)和煙霧粒子尺寸確定后，無論采用脈沖激光器還是連續(xù)激光器，散斑的平均曝光量與煙霧粒子的數(shù)量都成線性函數(shù)關(guān)系，即⟨ϵ‾⟩∝C(x→i)]]>在曝光特性曲線的中間區(qū)域，數(shù)字圖像的灰度與煙霧粒子散斑強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系，從而數(shù)字圖像的灰度與煙霧粒子的數(shù)量濃度也存在近似線性關(guān)系G∝K⟨I‾(X→i,t)⟩=K1C(x→i)]]>式中，G為圖像灰度，K、K1為常數(shù)， 為煙霧粒子i在像平面上的平均光強(qiáng)， 為像平面上煙霧粒子i的坐標(biāo)矢量，t為時間。
這樣就建立了測量區(qū)域、粒子大小、激光功率、粒子散射特性以及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)特性相互影響之間的關(guān)系。
利用本發(fā)明提供的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法，由于采用利用粒子散射、散斑統(tǒng)計特性和數(shù)字圖像處理技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了粒子散斑成像和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的瞬時濃度場測量方法。在滿足近似不相關(guān)單散射假設(shè)的基礎(chǔ)上，從統(tǒng)計意義上建立污染氣體粒子的相對數(shù)量濃度與散斑強(qiáng)度之間的線性關(guān)系；建立數(shù)字圖像灰度與污染氣體粒子的相對數(shù)量濃度之間的近似線性關(guān)系，從而克服了現(xiàn)有方法中單點(diǎn)、有限點(diǎn)或小區(qū)域的測量方法本身限制所帶來的缺點(diǎn)，并能進(jìn)行大范圍污染氣體濃度場的測量，能得到污染氣體瞬時濃度分布及其隨時間的變化史。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的濃度場測量系統(tǒng)的面向計算機(jī)內(nèi)存的圖像測量結(jié)構(gòu)的原理框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的濃度場測量系統(tǒng)的硬件組成示意框圖；圖3是本發(fā)明的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法的基本原理成像示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合

對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)、相似方法及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明所提供的一種環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法所使用的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件部分是實(shí)現(xiàn)圖像采集和記錄，軟件部分是實(shí)現(xiàn)采集過程中的控制以及測量后的數(shù)據(jù)處理。
濃度場測量系統(tǒng)的面向計算機(jī)內(nèi)存的圖像測量結(jié)構(gòu)的原理如圖1所示，由攝像機(jī)經(jīng)圖像數(shù)字化模塊、微機(jī)接口模塊、微機(jī)內(nèi)存模塊連接微機(jī)顯示模塊。
1)濃度場測量系統(tǒng)的硬件部分光學(xué)成像設(shè)備，工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。根據(jù)測量要求選擇光學(xué)成像設(shè)備時應(yīng)考慮的特性參數(shù)主要有光電轉(zhuǎn)移特性、光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍、暗電流、分辨率以及電子快門等。
環(huán)境風(fēng)洞濃度場圖像測量的曝光時間通過電子快門來控制，根據(jù)濃度場測量原理，為了避免在曝光時間內(nèi)散斑位移超過測量的最小分辨率，要根據(jù)測量要求來選擇所需要的最長快門時間。例如煙霧粒子擴(kuò)散速度為1m/s，測量空間分辨率為0.5mm時，要求電子快門速度小于1/2000s，如果煙霧粒子擴(kuò)散速度較大，要求電子快門速度更小(小于1/10000s)。
數(shù)字化設(shè)備，為了獲得高分辨率、高刷新率的圖像或其他特殊要求的圖像，采用非標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像采集卡。
計算機(jī)，濃度場測量中的計算機(jī)用來管理整個測試裝置，通過計算機(jī)可以調(diào)整測量參數(shù)，如測量幀頻、測量時間和儲存時間等。同時可以對測量得到的圖像進(jìn)行管理、處理和分析，計算機(jī)可以是PC機(jī)、微處理器，也可以是工作站。在需做高速實(shí)時處理的圖像板上可裝有無損圖像處理器、圖像加速器、DSP等處理器。
光源在環(huán)境風(fēng)洞濃度場測量系統(tǒng)中，光源是影響測量系統(tǒng)成本的重要設(shè)備之一。測量某一截面的濃度，需要片光；測量積分濃度時，要求整個污染擴(kuò)散場被照亮。由于激光具有單色性好、相干性好、光束準(zhǔn)直精度高等特點(diǎn)，因此濃度場測量選擇激光片光。
濃度場測量過程中為了使測量硬件系統(tǒng)整體最優(yōu)，不但要求激光波長和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)光譜響應(yīng)特性相互匹配，還要求光源和照度相互匹配。如果激光波長和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)光譜響應(yīng)特性不匹配，則攝像機(jī)會在較低的效率下工作。如果光源和照度不匹配，則攝像機(jī)會工作在非線性區(qū)域，產(chǎn)生較大的非線性誤差。
2)濃度場測量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)部分基于統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)和軟件工程的方法，采用模塊化設(shè)計，各模塊采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(Object-Oriented Programming，OOP)，使用Microsoft Visual C++、Microsoft Visual Fortran、Adobe Photoshop等開發(fā)工具，運(yùn)用軟件總線設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)。
軟件系統(tǒng)著重圍繞硬件通訊和數(shù)據(jù)處理兩點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，主要包括下列模塊數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與激光器控制模塊、圖像采集卡控制模塊、圖像采集模塊、單圖線上濃度分布模塊、多圖點(diǎn)上濃度分布模塊、多圖線上濃度分布模塊、等值線/等值區(qū)模塊、信息熵和非線性特征模塊、各種分析結(jié)果輸出模塊、數(shù)字圖像處理模塊、圖像格式解析與存儲模塊、圖像管理模塊、數(shù)據(jù)場的擬合與插值模塊、傅里葉變換模塊、小波變換模塊、系統(tǒng)幫助模塊、軟件系統(tǒng)日志管理模塊和軟件版本控制模塊等。另外，還有圖像反色、變黑色背景和圖像序列的區(qū)域獲取等常用模塊。
本發(fā)明的實(shí)施例中，環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法所使用的0.4×0.5＝0.2m2濃度場測量系統(tǒng)是面向計算機(jī)內(nèi)存的圖像測量系統(tǒng)，其硬件組成如圖2所示，包括環(huán)境風(fēng)洞、用于所述環(huán)境風(fēng)洞照射的激光器和片光裝置、光譜響應(yīng)特性與所述激光器激光波長相匹配的用于所述環(huán)境風(fēng)洞攝像的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(光學(xué)成像設(shè)備)、連接所述攝像機(jī)用于所述環(huán)境風(fēng)洞的數(shù)字圖像采集、顯示、處理的計算機(jī)，本發(fā)明的實(shí)施例具體如下光學(xué)成像設(shè)備光學(xué)成像設(shè)備選擇Basler 601f高分辨率、面陣、逐行掃描、CMOS黑白數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)z像機(jī)，其視頻輸出為IEEE1394信號，攝像機(jī)分辨率為659×493，有效像素為640×480，像素尺寸9.9×9.9μm，圖像傳感器為1/2英寸，全分辨率時最大幀率為60fps；曝光時間控制、亮度、增益以及電源都通過1394控制和供給。輸出圖像全為無壓縮的圖像，最小曝光時間20μs，最低靈敏度為21ux。可以測量的最大煙霧粒子速度約為5m/s；鏡頭選擇日本精工AVENIR CCTV LENS(16mm，F(xiàn)1.2，手動光圈，C接口)。
激光器和片光裝置功率為0.5W-1W連續(xù)可調(diào)，532nm端面泵蒲半導(dǎo)體固體激光器。激光器發(fā)散角小于4mrad、輸出穩(wěn)定度小于±3％、自然風(fēng)冷；用集成一體化片光系統(tǒng)，片光束腰在激光器出口1.5-2.0m處，片光厚度約為1mm，片光束腰位置形成至少700×700cm的照射區(qū)域。
煙霧粒子尺寸選擇測量區(qū)域?yàn)?.2m2，用1W激光器，煙霧粒子直徑選擇0.5μm比較理想，能夠滿足近似不相關(guān)單散射的要求，而且測量系統(tǒng)的性價比較高。
測量系統(tǒng)的誤差估算由測量系統(tǒng)誤差分析可以得到，對于測量區(qū)域?yàn)?.2m2濃度場測量系統(tǒng)，粒子直徑為0.5μm時，理論上由于粒子散射引起的散斑強(qiáng)度相對于均值的最大變化為4.32％，即濃度的最大變化為4.32％，相當(dāng)于灰度變化11。隨著煙霧粒子尺寸的增加，粒子散射引起的測量誤差會隨之增加；由于測量過程散斑強(qiáng)度很難進(jìn)行精確理論計算，因此，測量方法誤差也很難估算，測量方法誤差一般通過試驗(yàn)確定；實(shí)際上由于測量區(qū)域片光光強(qiáng)的不均勻分布，會使測量誤差進(jìn)一步增加；實(shí)際試驗(yàn)時，煙霧粒子直徑不可能完全相同，但測量得到的結(jié)果卻認(rèn)為是具有相同粒子直徑的數(shù)量濃度。
測量系統(tǒng)的檢驗(yàn)方法
檢驗(yàn)原理如下在大范圍的玻璃容器中，加入純凈(經(jīng)過過濾)的蒸餾水，取少量標(biāo)準(zhǔn)顆粒(假設(shè)沒有沉淀、凝聚等)加入容器中，配制成具有一定濃度的試樣，攪拌使樣品中的粒子濃度均勻分布。
根據(jù)加入標(biāo)準(zhǔn)顆粒數(shù)量不同，即可配制各種濃度不同、其相對值能夠確定的供測量校驗(yàn)使用的試樣。按上述方法配制得到的不同濃度試樣，是由同一材質(zhì)和相同大小的顆粒所構(gòu)成的，有著很好的相關(guān)性和同一性。檢驗(yàn)試驗(yàn)中由于標(biāo)準(zhǔn)顆粒均勻分布，而且不隨時間變化，因此測量時對曝光時間沒有嚴(yán)格要求。
在測量參數(shù)相同的條件下，對不同的標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用所設(shè)計的濃度場測量系統(tǒng)分別進(jìn)行濃度場測量，根據(jù)所得到的測量結(jié)果，可以對測量系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確性和誤差檢驗(yàn)。
本發(fā)明的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法是用光源照射污染氣體擴(kuò)散場，用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集煙霧粒子的散斑圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得數(shù)量濃度場，數(shù)量濃度是指單位體積內(nèi)煙霧粒子的數(shù)量。濃度場測量方法的具體步驟1)首先利用標(biāo)準(zhǔn)粒子(大小均勻、在水中不溶解、不沉降)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，確定測量誤差；2)在環(huán)境風(fēng)洞中釋放模擬污染氣體，控制污染氣體量；3)利用激光片光照射需要測量的區(qū)域；4)調(diào)整數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)(通過軟件實(shí)時調(diào)整)，使得圖像達(dá)到最佳；5)實(shí)時進(jìn)行圖像采集和存儲；6)通過數(shù)字圖像處理軟件，得到大范圍污染氣體的濃度場及其濃度隨時間變化、統(tǒng)計關(guān)系等。
本發(fā)明的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法的基本原理
利用粒子散射、散斑統(tǒng)計特性和數(shù)字圖像處理技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了粒子散斑成像和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的瞬時濃度場測量方法。在滿足近似不相關(guān)單散射假設(shè)的基礎(chǔ)上，從統(tǒng)計意義上建立污染氣體粒子的相對數(shù)量濃度與散斑強(qiáng)度之間的線性關(guān)系；建立數(shù)字圖像灰度與污染氣體粒子的相對數(shù)量濃度之間的近似線性關(guān)系。
連續(xù)激光片光照射時，單個煙霧粒子的平均曝光量ϵ‾=λ2Pδt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩπ3(M2dp2+2.442(1+M)2f#2λ2)ΔyΔz---(1)]]>式中，i1(θ)、i2(θ)為強(qiáng)度函數(shù)，是散射振幅函數(shù)S1(θ)、S2(θ)模的平方；d為散射粒子的直徑；λ為入射光的波長；Ω為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)鏡頭的立體角；M為成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)；f#為成像系統(tǒng)透鏡的孔徑比，即光圈數(shù)；片光厚度為Δz，則在片光區(qū)域Δy×Δz；光器的功率為P，曝光時間為δt；對于連續(xù)激光器，在曝光時間內(nèi)，散斑圖像的平均曝光量滿足⟨ϵ‾⟩=C(x→i)ΔzM21k2∫I0dt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ]]>=C(x→i)M2PδtΔy1k2∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ>Kϵ0]]>(2)式中， 為片光面上 點(diǎn)處的數(shù)量濃度，k＝2π/λ，K為常數(shù)，ε0為膠片或光電成像設(shè)備的最低感光量；當(dāng)測量區(qū)域、曝光時間、成像參數(shù)和煙霧粒子尺寸確定后，無論采用脈沖激光器還是連續(xù)激光器，散斑的平均曝光量與煙霧粒子的數(shù)量都成線性函數(shù)關(guān)系，即⟨ϵ‾⟩∝C(x→i)---(3)]]>在曝光特性曲線的中間區(qū)域，數(shù)字圖像的灰度與煙霧粒子散斑強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系，從而數(shù)字圖像的灰度與煙霧粒子的數(shù)量濃度也存在近似線性關(guān)系G∝K⟨I‾(X→i,t)⟩=K1C(x→i)---(4)]]>式中，G為圖像灰度，K、K1為常數(shù)， 為煙霧粒子i在像平面上的平均光強(qiáng)， 為像平面上煙霧粒子i的坐標(biāo)矢量，t為時間。
這樣就建立了測量區(qū)域、粒子大小、激光功率、粒子散射特性以及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)特性相互影響之間的關(guān)系。
環(huán)境風(fēng)洞中污染氣體濃度場測量時t用光源照射污染氣體擴(kuò)散場，用攝像機(jī)采集煙霧粒子的散斑圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得數(shù)量濃度場。數(shù)量濃度是指單位體積內(nèi)煙霧粒子的數(shù)量。
濃度場測量時，用激光片光照射某一截面，所測量的是二維濃度場。這里所指的二維濃度場實(shí)際上還是三維空間中的濃度場，只是在測量的三維空間中，厚度維的尺度(激光片光的厚度約為1mm左右)相對另外長寬兩維的尺度(長度和寬度達(dá)到零點(diǎn)幾米)而言很小。
測量主要參數(shù)選擇選擇模擬污染氣體(即煙霧粒子)環(huán)境風(fēng)洞中用碳煙(如蚊香、香燭、香煙等燃燒后的小顆粒)來模擬污染氣體。碳煙的顆粒直徑比油煙顆粒小，跟隨性好，沒有沉降而且不會污染環(huán)境風(fēng)洞觀察窗及墻壁。
測量精度及誤差根據(jù)需要、成本和測量原理選擇。測量區(qū)域、粒子大小、激光功率、粒子散射特性以及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)特性相互影響。
測量區(qū)域的選擇首先滿足環(huán)境風(fēng)洞測量和成本要求，根據(jù)測量精度和測量原理，選擇測量區(qū)域和測量時的物距。隨著測量區(qū)域和物距的變化，同一視場內(nèi)煙霧粒子的散射角、散射粒子到數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中心的距離和方位角變化較大。式(1)和式(2)隱含測量區(qū)域的影響，隨著測量區(qū)域的變化，粒子的散射角度煙霧粒子的散射特性發(fā)生變化。因此，測量區(qū)域的選擇要看需要的測量精度。
如圖3所示，假設(shè)X為片光傳播方向，Y為電場矢量方向。攝像機(jī)到拍攝片光平面的距離(物距)為d，拍攝片光平面(即物面)上任意一點(diǎn)的位置為(x，y)，坐標(biāo)中心為拍攝中心，則任意位置(x，y)處的觀察距離(即散射粒子到數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中心的距離)的平方r2＝f(x，y)＝x2+y2+d2(5)物面上(x，y)點(diǎn)處的煙霧粒子相對攝像機(jī)的中心散射角θ=cos-1xx2+y2+r2---(6)]]>片光平面上任意位置(x，y)處的方位角 由式(5)-(7)可知，隨著測量區(qū)域和測量物距的變化，在同樣測量區(qū)域內(nèi)，不同位置的煙霧粒子的散射角度、方位角以及煙霧粒子到數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中心的距離都會發(fā)生變化。
若物距為2m，測量區(qū)域?yàn)?.2m2時，測量區(qū)域內(nèi)散射角變化范圍為6.7°；測量區(qū)域?yàn)?.5m2時，散射角變化在9°左右。隨著測量物距的增加，同樣測量范圍散射角的變化減小，對于0.2m2的測量區(qū)域，物距為2.5m時，散射角變化為4.5°。
當(dāng)測量物距較大時(如2m)，隨著測量范圍的增加，散射粒子至拍攝點(diǎn)距離的變化不大，當(dāng)測量區(qū)域達(dá)到0.5m2時，散射粒子至拍攝點(diǎn)距離變化還在3％以內(nèi)。如果物距為2.5m，散射粒子至拍攝點(diǎn)距離變化在2％以內(nèi)。濃度場測量時拍攝物距一般為2.5m左右，此時可以忽略散射粒子至拍攝點(diǎn)距離變化的影響。
隨著測量區(qū)域和測量物距的變化，煙霧粒子的方位角變化也很大。但由散射理論可知，當(dāng)入射光為自然光時，散射粒子的方位角對散射特性無影響。
模擬煙霧粒子的大小選擇大范圍測量時，為了提高測量精度，要求散射光強(qiáng)在散射角變化范圍內(nèi)較小，不出現(xiàn)散射光強(qiáng)脈動。煙霧粒子的影響在式(1)-(2)中。由于本方法給出了測量范圍、激光功率、攝像機(jī)以及成像參數(shù)等和煙霧粒子直徑相互關(guān)系，因此，在設(shè)計濃度場測量硬件系統(tǒng)時，通過計算可以選擇它們之間的最佳組合。煙霧粒子的散射光強(qiáng)的計算表明，在大范圍濃度場測量時，對煙霧粒子直徑、測量區(qū)域有較高的要求，散射角變化一定時，煙霧粒子直徑太大會造成測量誤差，太小會使測量裝置硬件代價過高。因此，對于一定的測量區(qū)域(散射角變化一定)，煙霧粒子直徑有一最佳值。
測量數(shù)據(jù)的修正如果實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，則基本上沒有背景噪音；否則，背景噪音可以通過背景圖像來消除，背景圖像是沒有煙霧粒子時的圖像，測量圖像減去背景圖像可得到背景噪聲校正。其次，片光的不均勻分布(一般為高斯分布)，會導(dǎo)致邊緣處強(qiáng)度較低，為了得到準(zhǔn)確的相對濃度場，可以通過參考圖像來校正。參考圖像是測量區(qū)域充滿均勻的煙霧粒子時的圖像。測量的圖像除以參考圖像即可得到校正后的圖像，這個方法不僅可以消除光強(qiáng)不均勻分布的影響，還可以消除攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)缺陷的影響。
本發(fā)明的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法的測量精度和測量誤差分析測量精度分析1)空間精度設(shè)測量區(qū)域，亦即成像視場為W×H，攝像機(jī)分辨率為M×N，則成像系統(tǒng)圖像物面分辨率為Rx=WM,Ry=HN---(8)]]>式中，Rx為圖像x方向分辨率，Ry為圖像y方向分辨率。
圖像物面分辨率是決定光學(xué)測量精度的最重要因素，如果每一像素代表物面的幾個平方毫米，則測量精度為毫米量級。因此設(shè)計具體測量任務(wù)，首先要確定此圖像物面分辨率，進(jìn)而確定攝像機(jī)分辨率和視場大小。
2)時間精度環(huán)境風(fēng)洞濃度場測量的時間精度是單位時間采集的圖像幀數(shù)，設(shè)攝像機(jī)每秒輸出N幀，則時間分辨率tmax為
tmax=1N---(9)]]>tmax也是最大的允許曝光時間。
時間精度是指攝像機(jī)每秒所輸出的圖像幀數(shù)，它并不是圖像的實(shí)際曝光時間。實(shí)際上每幅圖像的曝光時間很短，一般在毫秒、甚至微秒級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采樣時間，相對于采樣測量，可以認(rèn)為數(shù)字圖像測量的是瞬時濃度場。
攝像機(jī)輸出的每幅圖像中只有很小的一部分時間是有效曝光時間，其它的時間對成像不產(chǎn)生任何影響，被攝像機(jī)放掉。因此，嚴(yán)格地說，攝像機(jī)拍攝得到的并不是時間連續(xù)圖像，而是每隔一小段時間拍攝一幅圖像。
濃度場測量時為了避免數(shù)據(jù)重疊，曝光時間內(nèi)煙霧粒子運(yùn)動的距離不能太大，否則會出現(xiàn)圖像重疊，造成測量誤差。
3)相對濃度精度濃度場測量時，即使不考慮散射角、方位角和拍攝距離變化的影響，數(shù)字圖像的灰度也不能完全反映煙霧粒子的數(shù)量濃度。而且數(shù)字圖像灰度有一定的取值范圍，取值也必為整數(shù)。對于8位灰度圖像，在一幀圖像上，只能分辨出256種不同的灰度，相對測量精度為1/256。隨著數(shù)字圖像灰度位數(shù)的增加，相對精度隨之提高，但圖像所占的儲存空間會越來越大，攝像機(jī)成本也相應(yīng)增加。
測量誤差分析，1)測量方法誤差，受到光電記錄最低靈敏度的限制，并不是所有的散斑像都能被記錄，只有像的強(qiáng)度超過光電記錄設(shè)備的最低靈敏度時才能成像。在最小分辨單元內(nèi)，如果粒子數(shù)量小于最低源密度，則不能成像，這就是測量方法誤差。最低源密度越大測量方法誤差越大，它是絕對數(shù)量濃度場測量受限制的主要原因之一。
不同的入射光強(qiáng)、粒子直徑和記錄介質(zhì)的最低靈敏度，最低源密度不同，測量方法誤差也不同。提高入射光強(qiáng)、增大粒子直徑或光電成像設(shè)備的最低靈敏度都能提高測量精度。
2)煙霧粒子的影響濃度場測量理論分析建立在煙霧粒子完全相同、完全為球形的假設(shè)上，實(shí)際試驗(yàn)中這樣的標(biāo)準(zhǔn)粒子不可能得到。因此，測量的數(shù)量濃度只是等效為某一粒子直徑的相對數(shù)量濃度。
3)其它光源不穩(wěn)定性、成像系統(tǒng)的幾何畸變誤差、成像系統(tǒng)的噪聲、散射噪音、A/D轉(zhuǎn)換的精度。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法，其特征在于，所述濃度場測量方法使用的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量裝置包括環(huán)境風(fēng)洞、用于所述環(huán)境風(fēng)洞污染氣體照射的激光器和片光裝置、光譜響應(yīng)特性與所述激光器激光波長相匹配的用于所述環(huán)境風(fēng)洞中污染氣體濃度數(shù)據(jù)采集的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、連接所述數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的用于所述環(huán)境風(fēng)洞的數(shù)字圖像采集、顯示、處理的計算機(jī)；環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法的測量步驟如下1)首先利用標(biāo)準(zhǔn)粒子進(jìn)行測量系統(tǒng)的標(biāo)定，確定測量誤差；2)在環(huán)境風(fēng)洞中釋放特定的模擬污染氣體，并控制污染氣體量；3)利用激光片光照射需要測量的污染氣體擴(kuò)散場區(qū)域；4)調(diào)整數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)，使得圖像達(dá)到最佳；5)用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)實(shí)時進(jìn)行煙霧粒子的散斑圖像的采集和存儲；6)通過數(shù)字圖像處理軟件，得到大范圍污染氣體的濃度場及其隨時間變化，濃度的統(tǒng)計關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法，其特征是，在所述步驟6)中，當(dāng)連續(xù)激光照時，單個煙霧粒子的平均曝光量ϵ‾=λ2Pδt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩπ3(M2dp2+2.442(1+M)2f#2λ2)ΔyΔz]]>式中，i1(θ)、i2(θ)為強(qiáng)度函數(shù)，是散射振幅函數(shù)S1(θ)、S2(θ)模的平方；d為散射粒子的直徑；λ為入射光的波長；Ω為CCD鏡頭的立體角；M為成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)；f#為成像系統(tǒng)透鏡的孔徑比，即光圈數(shù)；片光厚度為Δz，則在片光區(qū)域Δy×Δz；光器的功率為P，曝光時間為δt；對于連續(xù)激光器，煙霧粒子清晰成像，在曝光時間內(nèi)，散斑圖像的平均曝光量要滿足⟨ϵ‾⟩=C(x→i)ΔzM21k2∫I0dt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ]]>=C(x→i)M2PδtΔy1k2∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ>Kϵ0]]>式中， 為片光面上 點(diǎn)處的數(shù)量濃度，k＝2π/λ，K為常數(shù)，ε0為膠片或光電成像設(shè)備的最低感光量；當(dāng)測量區(qū)域、曝光時間、成像參數(shù)和煙霧粒子尺寸確定后，散斑的平均曝光量與煙霧粒子的數(shù)量都成線性函數(shù)關(guān)系，即⟨ϵ‾⟩∝C(x→i)]]>在曝光特性曲線的中間區(qū)域，數(shù)字圖像的灰度與煙霧粒子的數(shù)量濃度存在近似線性關(guān)系G∝K⟨I‾(X→i,t)⟩=K1C(x→i)]]>式中，G為圖像灰度，K、K1為常數(shù)， 為煙霧粒子i在像平面上的平均光強(qiáng)， 為像平面上煙霧粒子i的坐標(biāo)矢量，t為時間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量方法，涉及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域；所述測量方法使用的環(huán)境風(fēng)洞污染氣體濃度場測量裝置包括環(huán)境風(fēng)洞、用于所述環(huán)境風(fēng)洞照射的激光器和片光裝置、光譜響應(yīng)特性與所述激光器激光波長相匹配的用于所述環(huán)境風(fēng)洞中污染氣體濃度數(shù)據(jù)采集的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、連接所述數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的用于所述環(huán)境風(fēng)洞的數(shù)字圖像采集、顯示、處理的計算機(jī)；本發(fā)明的濃度場測量方法是用激光片光源照射污染氣體擴(kuò)散場，用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集煙霧粒子的散斑圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得污染氣體相對數(shù)量濃度場；本發(fā)明的濃度場測量方法能在環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行大范圍污染氣體瞬時濃度場的測量，能得到污染氣體瞬時濃度分布及其隨時間的變化史。
文檔編號G01N21/84GK1800820SQ20051011168
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者盧曦, 李宋, 吳文權(quán) 申請人:上海理工大學(xué)