CN103926273A - 高温浓缩废水排放的热成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温浓缩废水排放的热成像检测方法，即根据红外辐射测温原理，采用热红外扫描成像的方法，对海水淡化后排放的高温高盐度废水进行非接触式测量，并根据其与自然水体存在的差异，可以连续监测高温高盐度浓缩海水的排放过程。本发明操作简单、效率高，同时能够实时连续观测，并可通过图像的形式直观展现。

Description

高温浓缩废水排放的热成像检测方法

技术领域

本发明涉及废水排放检测技术领域，尤其涉及一种高温浓缩废水排放的热成像检测方法。

背景技术

随着工业化与城镇化的快速发展，以及人口的快速增加，人类可利用的水资源越来越匮乏。海水淡化逐渐成为人类缓解水资源需求的出路。可是，海水淡化后排放的废水，由于其温度和盐度较高，可能会对脆弱的海洋生态环境带来严重影响。因而，需要实时监测海水淡化后高温高盐度废水排放的过程。

常规的废水监测主要是通过现场采样、室内分析化验等手段来进行，但在面对废水的扩散规律、分布范围、水面污染界线和程度等问题时，只能通过大量采样的办法进行，耗费大、效果还不理想。而且，废水排放到自然水体后从表面上无法辨别，且在到达水质监测点时可能已被稀释，所以在固定的水质监测点也很难准确测出排放污染影响情况。因此，为了更有效地对废水排放过程进行实时动态监测，需要选用一种监测范围大、操作简便且灵敏度更高的监测手段。

目前，国内外已有一些学者采用航空遥感的方法开展了水污染的实验监测研究。但大尺度范围内的航空遥感，只适合对大面积水域进行监测，对于小型的、隐蔽的以及水下的排污口却难以直接应用。因此，现有技术中的废水排放检测方法还有待改善。

发明内容

本发明提供一种高温浓缩废水排放的热成像检测方法，本发明涉及一种监测海水淡化后高温高盐度浓缩海水排放的技术，即根据红外辐射测温原理，采用热红外扫描成像的方法，对海水淡化后排放的高温高盐度浓缩海水进行非接触式测量，并根据其与自然水体存在的差异，可以连续监测废水的排放过程，从而可探讨海水淡化后高温高盐度废水的扩散规律、分布范围以及对自然水体的污染界线和程度等问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的热成像检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的热成像检测方法中废水尚未开始排放时的图像；

图3为本发明实施例提供的热成像检测方法中废水刚刚被观测到排放时的图像；

图4为本发明实施例提供的热成像检测方法中废水被观测到排放扩散一定时间后的图像，表明废水中心区域的温度仍然最高，扩散面积沿废水排放的方向进一步扩大；

图5为本发明实施例提供的热成像检测方法中废水被观测到继续进一步排放扩散后的图像，但随着废水与周围自然水体的热交换，废水扩散区的边界变得模糊；

图6为本发明实施例提供的热成像检测方法中刚停止排放废水时刻的图像；

图7为本发明实施例提供的热成像检测方法中停止废水排放较长时间以后的图像。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合以下的实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

热红外图像是利用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，获得的目标物体的温度分布图像。由于排放废水与自然水体温度的差异，可以在热红外图像中通过温度将两者区分开来。

本发明实施例中的红外测温技术是根据辐射测温原理对温度进行非接触式测量，其物理基础是红外辐射理论的三大定律，即Planck辐射定律、Wein位移定律和Stefen-Boltzmann定律。

自然界所有物体的分子热扰动随物体温度的升高或降低而加剧或减弱。当它的温度高于绝对零度(-273.15℃)时，就会向周围空间发出红外辐射，辐射能力的大小与物体的温及其辐射系数有关。

根据Planck定律和Stefen-Boltzmann定律，绝对黑体和实际物体的辐射能量分别为：

E₀(T)=σT⁴(1)

E(T)=ε(λ)σT⁴(2)

式中，σ为Stefen-Boltzmann常数；T为热力学温度；ε(λ)为物体的辐射系数；E₀(T)和E(T)分别为在温度T下单位时间内从绝对黑体和实际物体的单位面积上发射出的各种波长的总辐射能量。

事实上，如果实际物体的热辐射在红外波长范围内,它们可以被近似地看成灰体辐射，此时ε(λ)为不随波长λ变化的常数，即ε(λ)=ε。于是，式(2)修正为:

E(T)=εσT⁴(3)

由此可见，物体的温度越高，其辐射能力就越强。只要知道了物体的温度及辐射系数，就可以计算出物体所发出的辐射能量。反之，只要测量出全波长下的辐射能量，就可以确定被测物体的温度，即:

$T={\left[\frac{E\left(T\right)}{\mathrm{\ϵ\σ}}\right]}^{\frac{1}{4}}---\left(4\right)$

物体的辐射系数，即光谱发射率，在数值上等于该物体的辐射能量与具有同一温度的黑体辐射能量的比值。即:

不同物体的发射率不同，具体材料的ε值可通过查表或实验得到。通过查表可知水的光谱发射率为0.98，在观测时，我们按照此数值对仪器的光谱发射率做了设定。

本发明实施例提供的检测方法中使用的IR SnapShotTM红外热像仪，是一种无需制冷的热像检测技术。此类热红外探测器是基于热敏材料吸收红外辐射产生的热效应而成像的，其原理是利用测量目标物体的红外线辐射以生成目标的热像图，仪器内的软件再将这样的热像图转换成可以定量分析的热像图，其中包括目标物体的实际温度和温度分布。热红外成像不受白天和夜间的影响。图像的色调和色差是温度和温差的显示，根据温度的差异来识别物体。IR SnapShotTM红外热像仪拍摄的图像是一幅120×120的点阵栅格图像。主要技术参数如表1。

表1IR SnapShotTM红外热像仪主要技术参数

参见图1，图1是本发明实施例提供的热成像检测方法的流程图。

其中，高温浓缩废水排放的热成像检测方法包括以下步骤：

S01、获取海水淡化过程中高温浓缩废水排放口的连续热红外图像；

其中，本发明实施例在排放口架设热红外成像仪，以固定时间间隔，连续记录高温浓缩废水排放口的热红外影像。

S02、对所述连续热红外图像进行分析，探索高温浓缩废水引起的热红外影像的变化数据；

本发明实施例采用统计分析、三维技术等对热红外图像进行分析，直观形象地探索高温浓缩废水引起的热红外影像的变化。

具体的，上述步骤S02中的探索高温浓缩废水引起的热红外影像的变化数据的过程具体包括，从连续拍摄的热红外图像中抽取出每张图像中温度最高值、最低值及平均值（计算出的整个图像的平均值）做折线图，观察废水排放前的水面温度分布的稳定性。

利用三维技术对高温浓缩废水刚刚排入时的热红外图像，以像元的温度作为高程制成三维图形，直观观测高温废水的扩散形态。

对比分析排放前和排放过程中热红外图像的温度分布频率图，观察两者的区别，进而获得所述热红外影像的变化数据。

S03、根据所述热红外影像变化数据获取排放口附近水面温度的变化情况，进而实现对所述高温浓缩废水排放的检测。

本发明实施例根据连续拍摄的热红外影像及其变化，探究高温浓缩废水排放过程中，排水口附近水面温度的变化过程，进而实现对其的检测。

具体的，上述步骤S03中根据所述热红外影像变化数据获取排放口附近水面温度的变化情况，具体包括：

根据从高温浓缩废水排放前到排放后预设时间（很长一段时间）内，连续热红外影像的温度分布的不同，通过直观观测或者采用相邻两张热红外影像后者减去前者的代数图像运算，来获取排放口附近水面温度的变化情况。

为更详细的理解本发明实施例，本发明对一处海水淡化工程高温高盐度废水排放过程进行了实时监测，动态观测了排放废水随时间推移的扩散全过程（图2-7）。废水从水下的排污管中排出，排出的方向在图中是从左向右的。

图2为废水尚未开始排放时的图像，温度分布特征与自然水体是相同的；图3为废水刚刚被观测到排放时的图像，废水区域基本上以椭圆形的中心辐射状出现；图4为本发明实施例提供的热成像检测方法中废水被观测到排放扩散一定时间后的图像，表明废水中心区域的温度仍然最高，扩散面积沿废水排放的方向进一步扩大；图5为本发明实施例提供的热成像检测方法中废水被观测到继续进一步排放扩散后的图像，但随着废水与周围自然水体的热交换，废水扩散区的边界变得模糊；图6为本发明实施例提供的热成像检测方法中刚停止排放废水时刻的图像，此时废水区域温度与周围的净水相比仍然较高；图7为本发明实施例提供的热成像检测方法中停止废水排放较长时间以后的图像，与排放前的图2对比发现，其温度分布已基本恢复到开始排放前的状态。

综上所述，本发明实施例提供的监测海水淡化后高温高盐度浓缩海水排放的技术，即根据红外辐射测温原理，采用热红外扫描成像的方法，对海水淡化后排放的高温高盐度废水进行非接触式测量，并根据其与自然水体存在的差异，可以连续监测高温高盐度浓缩海水的排放过程。本发明操作简单、效率高，同时能够实时连续观测，并可通过图像的形式直观展现。

应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效机构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种高温浓缩废水排放的热成像检测方法，其特征在于，包括：

获取海水淡化过程中高温浓缩废水排放口的连续热红外图像；

对所述连续热红外图像进行分析，探索高温浓缩废水引起的热红外影像的变化数据；

根据所述热红外影像变化数据获取排放口附近水面温度的变化情况，进而实现对所述高温浓缩废水排放的检测。

2.根据权利要求1所述的高温浓缩废水排放的热成像检测方法，其特征在于，所述探索高温浓缩废水引起的热红外影像的变化数据，具体包括：

从所述连续热红外图像中抽取出每张图像中温度最高值、最低值，计算出整个图像的平均值，获取废水排放前的水面温度分布情况；

对高温浓缩废水排入时的热红外图像以像元的温度作为高程制成三维图形，获得高温浓缩废水的扩散形态；

对比上述废水排放前的水面温度分布情况和排放过程中高温浓缩废水的扩散形态，获得所述热红外影像的变化数据。

3.根据权利要求2所述的高温浓缩废水排放的热成像检测方法，其特征在于，所述根据所述热红外影像变化数据获取排放口附近水面温度的变化情况，具体包括：

根据从高温浓缩废水排放前到排放后预设时间内，连续热红外影像的温度分布的不同，通过直观观测或者采用相邻两张热红外影像后者减去前者的代数图像运算，来获取排放口附近水面温度的变化情况。