CN103185706A - 无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无组织排放颗粒物不透光度的激光测量方法与装置，该发明所述的装置同时测量光源光强和通过烟羽后的信号光强，环境和背景光干扰小，所述的装置光发射端和接收端合为一体；该发明所述的装置中由激光器发射的激光先经反射镜反射，再由分束镜分成透射光和反射光两束，透射光由光源信号探测器检测，反射光经离轴抛物镜扩束后穿过待测颗粒物烟羽，再经在烟羽另一侧的角反射器反射回离轴抛物镜，反射光被离轴抛物镜汇聚后由另一探测器接收，两个探测器接收到的信号由模数转换器转换后输出至计算机。本发明的目的是提供一种结构紧凑、便携性强的开路式不透光度测量装置，适用于野外颗粒物烟羽不透光度快速连续检测。

Description

无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法和装置
技术领域
本发明涉及大气环境监测领域，尤其涉及一种城市无组织排放颗粒物不透光度的激光测量方法和装置。
背景技术
城市无组织排放颗粒物烟羽主要包括建筑施工扬尘和机动车扬尘，不透光度是指光传输被衰减程度，是衡量无组织烟羽排放强度的重要参数。
对于城市无组织排放颗粒物烟羽不透光度的观测，目前主要方法是人眼观测和数字摄像技术两种。(1) 人眼观测：受过简单培训的测量者站在特定的位置，用肉眼观测颗粒物烟羽或扬尘，根据烟羽颜色和烟羽持续时间来判断烟羽不透光度，这种方法已有多次使用，并被美国环保局列为标准方法1,2，但无组织排放因为污染过程复杂，并且随机性大，这种方法缺点显而易见，肉眼观测主观误差不可避免。(2) 数字摄像方法：McFarland等人采用数码摄像机对某一对比度明显的固定目标物拍照，摄像图片的灰度值反应了目标物反射的太阳光强。烟羽穿过相机与目标物之间的区域时，摄像机接收到的来自目标物的光强会被削弱，通过比较烟羽穿过前后的摄像图片的光强变化来判断不透光度2,3。但这种方法对实际光辐射传输过程，尤其是颗粒物散射消光过程作了过多简化，影响了结果可靠性，并且测量受环境、气候影响很大，观测方位也受到限制。Du Ke和Rood等人提出采用普通数码相机拍照方法来测量烟羽不透光度4，降低了测量成本，但这种方法实际上与McFarland方法相同，它除了有与数码摄像方法一样的缺点外，还降低了观测时间分辨率。
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发明内容
本发明的目的是解决现有方法测量客观性差、可靠性不足和精度不高等问题，提供一种可靠性强、操作简便、结构紧凑、效率高并且适应性强的，基于开路式激光透射的大气无组织排放颗粒物不透光度观测方法和装置。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现。
一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法，其步骤如下。
1、 首先关闭激光器光源，得到两个探测器各自的背景和噪声：INa、INb。
2、 打开激光光源，当测量区域内无颗粒物烟羽时，监测光源光强波动的探测器输出信号为I0a，另一探测器得到穿过测量区域又被反射回的光的光强I0b。I0a和I0b的关系为：
(I0b- INb)/( I0a - INa )=K                                             (1)
K代表了因分束镜分光、器件反射或扩束等因素造成的光强衰减因子，在整个测量中为常数。
3、当测量区域内有扬尘通过时，监测光源光强波动的探测器输出信号为I1a，另一探测器得到穿过测量区域又被反射回的光的光强I1b。此时：
(I1b- INb)/( I1a - INa )=K×T2                                       (2)
T为颗粒物烟羽的透过率。
根据烟羽不透光度定义：
Opactiy=(1-T)×100                                                (3)
将(1)式和(2)式带入(3)式，可以得到：
Figure 913540DEST_PATH_IMAGE001
             (4)
 Opacity就是测量得到的颗粒物烟羽的不透光度。
 一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量装置，其构成为：沿光束前进方向依次为激光器、反射镜、分束镜、离轴抛物镜、角反射器、光强信号采集系统和计算机。
一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光观测装置，所述的光强信号采集系统由两个相同型号的探测器和一个模数转换器组成。其中一个探测器用于监测光源强度变动，称为光源信号探测器；另一个探测器用于监测穿过颗粒物烟羽后的光强，称为不透光度信号探测器，两个探测器各有一光接收面，用于接收光强信号，两探测器输出端均与模数转换器相连，探测器将光强信号转换为电压信号后输出至模数转换器，其中光源信号探测器前端装有中性滤光片，以避免光源探测信号饱和。模数转换器通过USB口连接至计算机。
  一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光观测装置，所述的反射镜带有可调支架，可以微调反射光方位。
 一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光观测装置，所述的光源(半导体激光器、红外激光器)、反射镜、分束镜、离轴抛物镜、和光强信号采集系统固定在带瞄准镜的发射接收端的壳体内
一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光观测装置，所述的角反射器为6个小角反射器组成的阵列，固定在反射端的金属板上。
 一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光观测装置，所述的计算机内包含数据采集模块和显示模块。
本发明的工作原理和工作过程：
参阅附图1中所示，由激光器1出射的激光经反射镜2反射后，由分束镜3分光，透射光进入光源信号探测器4b，反射光经离轴抛物镜5扩束成平行光后射向待测颗粒物烟羽，然后经角反射器7发射回至离轴抛物镜5，离轴抛物镜5将反射回来的平行光进行汇聚，穿过分束镜3后聚焦于探测器4a的光接收面上。两个探测器将各自接收到信号经模数转换器6输出到计算机8内。
本发明无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法和装置利用激光光源，可以对无组织排放颗粒物烟羽的不透光度进行实时原位测量。本发明同现有技术相比，其显著优点是：(1)相比于肉眼观测，大大增强了测量客观性和可靠性；(2)作为一种主动探测技术，提高了探测信噪比，克服了背景和环境变化影响；(3)光发射端和接收端合为一体，简化了操作和调试，并且能够实时监测仪器光源信号波动，减小了光源信号变化对测量的影响；(4) 装置结构紧凑，体积和能耗较小，便于操作者调节和安装仪器；角反射器阵列构成的反射端允许的入射光角度最大达到15度，降低了操作者对准调试难度；(4) 装置为开路式测量，并且装置反射端与收发端距离可调，从而为测量区域选择提供了更多的灵活性。
附图说明
图1为本发明测量装置结构框图。
其中1-激光器2-反射镜2a-反射镜支架3-分束镜4a-探测器4b-探测器5-离轴抛物镜6-模数转换器7-角反射器8-计算机 A收发端壳体 B-反射端C-待测颗粒物烟羽。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面通过具体实施来作进一步说明。
实施例一：建筑工地扬尘不透光度测量，以及与数码摄像机拍照方法的比较
测量地点选择在厦门某正在施工的建筑工地中。如附图1中所示，本测量方法和装置的具体实施过程如下：
(1) 分别将装有光源等部件的壳体收发端A和装有反射镜的反射端B，放置在工地中某运输道路两测，距离3m到100m之间均可，通过壳体A上的瞄准镜，调节壳体A的光出射口对准反射端B。
(2) 光源选择为输出波长为532nm，最大输出功率为5毫瓦半导体激光器。先关闭激光器光源，得到两个探测器各自的背景和噪声：INa、INb。
(3) 打开激光光源，当测量区域内无颗粒物烟羽时，监测光源光强波动的探测器输出信号为I0a，另一探测器得到穿过测量区域又被反射回的光的光强I0b。
(4) 当测量区域内有扬尘通过时，监测光源光强波动的探测器输出信号为I1a，另一探测器得到穿过测量区域又被反射回的光的光强I1b。根据公式(4)由计算机程序计算和记录不透光度值。
为比较测量结果，在装置旁边同一高度处同时使用了数码摄像拍照方法测量不透光度。表一是本方法与拍照法对多个扬尘事件的测量结果比较，二者平均绝对误差为4.18.
 表一：激光透射方法与拍照方法测量结果比较
序号 激光透射方法 数码拍照方法 绝对误差
1 13.78 12.36 1.42
2 11.55 13.78 2.23
3 13.35 14.72 1.38
4 21.15 28.05 6.90
5 35.25 28.32 6.92
6 33.24 28.42 4.82
7 25.79 30.95 5.16
8 40.72 32.74 7.98
9 31.81 35.96 4.16
10 39.75 37.13 2.62
11 37.06 38.96 1.90
12 40.05 39.43 0.62
13 39.28 39.88 0.60
14 45.64 40.69 4.96
15 37.30 41.88 4.58
16 51.26 43.68 7.59
17 49.79 44.85 4.94
18 39.75 46.42 6.67
19 40.05 46.86 6.81
20 48.84 46.88 1.97
21 50.85 49.18 1.67
22 56.51 49.34 7.18
23 56.43 50.56 5.87
24 47.70 50.62 2.92
25 54.67 51.62 3.05
26 56.26 52.77 3.50
27 51.04 53.27 2.23
28 48.40 54.35 5.95
29 49.56 55.41 5.85
30 58.61 56.82 1.79
31 68.82 62.02 6.80
32 66.26 62.02 4.24
33 65.37 65.34 0.03
34 60.79 67.50 6.71
  实施例二：军事烟幕不透光度测量
烟幕在军事自我防御和干扰敌方侦查仪器工作等方面均有重要作用。烟幕在红外波段的不透光度，是衡量烟幕遮蔽性能的主要指标。本例中，激光器选择为输出波长为808nm的红外激光器，收发端A和反射端B放置在烟幕墙两侧，其他实施过程均与例一相同。

Claims (6)

1.一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法和装置，其特征在于构成为：沿光束前进方向依次为激光器、反射镜、分束镜、离轴抛物镜、角反射器、光强信号采集系统和计算机。
2.激光器出射的激光经反射镜反射后，由分束镜分光，透射光进入光源信号探测器，反射光经离轴抛物镜扩束成平行光后射向待测颗粒物烟羽，然后经角反射器发射回至离轴抛物镜，离轴抛物镜将反射回来的平行光进行汇聚，穿过分束镜后聚焦于探测器的光接收面上；
两个探测器将各自接收到信号经模数转换器输出到计算机内。
3.根据权利要求1所述的一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法和装置，其特征在于发射端与接收端合二为一，出射光经过离轴抛物镜扩束射出后，穿过测量区域，经发射端发射后又返回来，经同一块离轴抛物镜汇聚后进入探测器。
4.根据权利要求1或2所述的一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法和装置，其特征在于所述一个探测器实时监控光源信号变化。
5.根据权利要求1所述的一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量装置，其特征在于反射镜反射面方位可调节。
6.一种无组织排放颗粒物烟羽不透光度的激光测量方法特征在于：
步骤1、 首先关闭激光器光源，得到两个探测器各自的背景和噪声：INa、INb；
步骤2、 打开激光光源，当测量区域内无颗粒物烟羽时，监测光源光强波动的探测器输出信号为I0a，另一探测器得到穿过测量区域又被反射回的光的光强I0b；
两个光强信号扣除各自噪声后，计算两者比值，得到仪器光强衰减因子K：
K=(I0b- INb)/( I0a - INa )；
步骤3、当测量区域内有扬尘通过时，监测光源光强波动的探测器输出信号为I1a，另一探测器得到穿过测量区域又被反射回的光的光强I1b；
根据如下公式计算不透光度：
Figure 476528DEST_PATH_IMAGE001
             (4)。
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