CN103940745B - 空气质量检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气质量检测装置，包括：设置于待检测区域的摄像元件，摄像元件包括：至少一个可变焦摄像头和固定所述摄像头的固定装置；激光元件，激光元件包括：向摄像元件发射光线的激光器，检测摄像元件的反射光线强度的回波检测模块，以及根据反射光线的强度以及激光元件与摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度的计算模块，从而在对待检测区域的空气质量进行检测时，将摄像元件放置在待检测区域内，利用激光器向摄像元件发射激光，利用回波检测模块检测摄像元件反射回光线的强度，输出给计算模块，并向计算模块输入摄像元件与激光元件之间的距离，即可计算出待检测区域的大气污染程度，测量稳定性好，结构简单，成本较低。

Description

空气质量检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及空气质量检测技术领域，尤其涉及一种空气质量检测装置及其检测方法。

背景技术

随着生活水平的不断提高，人们对环境的关注越来越多，而空气质量是影响环境的一个重要指标，主要包括：室外空气质量、生活区空气质量、厂区空气质量以及室内和某些特定区域的空气质量(如汽车内)。据统计，目前全国62.3％的城市大气中SO2的年平均浓度超过空气质量二级标准，日平均浓度超过三级标准，已经成为我国城市经济发展和社会进步的巨大障碍。

具体的，空气污染对人体的危害主要表现为呼吸道疾病，对植物的危害主要表现在抑制其生理机制，使其生长不良，抗病抗虫能力减弱，甚至死亡。此外，空气污染还能对气候产生不良影响，如降低能见度，减少太阳的辐射，导致城市佝偻发病率的增加。而且，大气污染物还会腐蚀物品，影响产品质量。近十几年来，不少国家发现酸雨，雨雪中酸度增大，使得河湖、土壤酸化，鱼类减少甚至灭绝，森林发育受到影响，这均与大气污染有着密切关系。

因此，为了保证经济发展和社会进步，必须加强空气质量的监测工作，以为改善环境提供良好的参考标准。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种空气质量装置及其检测方法，以加强空气质量的监测工作，为改善环境提供良好的参考标准。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种空气质量检测装置，包括：

设置于待检测区域的摄像元件，所述摄像元件包括：至少一个可变焦摄像头和固定所述摄像头的固定装置；

激光元件，所述激光元件包括：向所述摄像元件发射光线的激光器，检测所述摄像元件的反射光线强度的回波检测模块，以及根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度的计算模块。

优选的，所述激光元件还包括：测量所述摄像元件与所述激光元件之间距离的激光测距模块。

优选的，所述计算模块内预先存储有大气衰减系数与平均污染水平之间的对应关系。

优选的，所述固定装置包括：

与所述摄像头固定连接的第一固定件；

与所述第一固定件固定连接的电机，所述第一固定件在电机的带动下，带动所述摄像头做俯仰运动。

优选的，所述固定装置还包括：

一端与所述第一固定件固定连接，另一端与所述电机固定连接的第二固定件，所述第二固定件在所述电机的带动下，带动所述摄像头和第一固定件在水平面内转动。

优选的，还包括：

全球定位模块，测量所述摄像元件与所述激光元件在水平面内的相对位置，即X坐标差和Y坐标差；

高度测量模块，测量所述摄像元件与所述激光元件之间的高度差，即Z坐标差。

优选的，所述高度测量模块为高度计。

优选的，所述全球定位模块与所述高度测量模块设置于所述激光元件内。

优选的，还包括：显示元件，对所述计算模块的计算结果进行显示。

一种空气质量检测方法，应用于上述任一项所述的空气质量检测装置，包括：

将摄像元件放置在待检测区域内，固定所述摄像元件与所述激光元件的位置；

利用激光元件向所述摄像元件发射激光，并利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置；

利用所述激光元件内的回波检测模块检测所述摄像元件反射光线的强度，输出给计算模块；

利用所述计算模块，根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度。

优选的，还包括：对所述计算模块的计算结果进行显示。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的空气质量检测装置，包括：摄像元件和激光元件，所述激光元件中包括：向所述摄像元件发射光线的激光器，检测所述摄像元件的反射光线强度的回波检测模块，以及根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域大气污染程度的计算模块，从而在利用该检测装置对待检测区域的空气质量进行检测时，只需将摄像元件放置在待检测区域内，然后利用所述激光器向所述摄像元件发射激光，并利用所述回波检测模块检测所述摄像元件反射回光线的强度，输出给计算模块，并向所述计算模块输入摄像元件与激光元件之间的距离，即可利用所述计算模块计算出待检测区域的大气污染程度，为改善环境提供良好的参考标准，测量稳定性好，结构简单，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1和图2为“猫眼效应”现象的示意图；

图3和图4为本发明实施例所提供的空气质量检测装置的结构示意图；

图5为斜入射时的4f反射模型示意图；

图6为本发明一个实施例所提供的空气质量检测装置中，固定装置的结构示意图；

图7为本发明一个实施例所提供的空气质量检测装置中，多个方向设置摄像头的布局示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，为了保证经济发展和社会进步，必须加强空气质量的监测工作，以为改善环境提供良好的参考标准。

伴随着计算机技术、通信技术、自动控制技术以及网络技术的不断发展，监控系统历经了集中式控制、集散式控制和现场总线监控等阶段，目前广为应用的是分布式监控系统。分布式网络监控系统采用现场智能设备来实现实时控制和网络通信协议，并利用网络技术构成监控系统的操作平台，从而较好的解决了自动控制的两个基本问题：即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信，为构成可靠高效的监控系统奠定了扎实的技术基础。

现有技术中的空气质量检测方法，主要是采用在各城市建立环境空气质量自动检测系统，以加强空气质量的监测工作。而对于大范围空气质量测量，多采用在多个测量点设置传感器，利用多个分布测量点形成空气质量监控网络的方法。

对于每一个测量点，主要是利用激光散射法空气颗粒测量仪进行测量，所述激光散射法空气颗粒测量仪是以Gustav Mie粒子光散射理论为理论基础，结合微光电探测技术而制作的一套完整的空气颗粒分布浓度测量系统。该系统巧妙设计光敏感区作为粒子散射发生的场所，当粒子经过聚焦激光所形成的光敏感区(即焦平面)后，粒子散射的光被探测窗口上的微光电探测器收集。所述微光电探测器把接收的光强度信号转换成等比例幅值的电压信号，而信号的密集度对应于粒子的单位浓度值。通过统计、计算这两个数值，即可反映宏观空气颗粒的粒径大小及空间的分布浓度，以达到空气颗粒浓度测量统计的目的，实现空气质量的检测。

但是，上述方法需要布置多个传感器，成本较高，尤其当传感器采用激光型时，成本更高。而且，上述方法中所述监控网络所获得的检测结果受采样点影响较大，若采样点不典型，将显著降低检测结果的精确性。

发明人研究发现，在猫眼的视网膜后面，有多达15层的特殊细胞，可像高效能镜子般收集四周光线，构成一个能保存光线的反射层。如图1和图2所示，当黑夜中猫的瞳孔张的很开时，光线能从反射层按原路反射回来，发出特有的绿光或金光，从而产生典型的“猫眼效应”现象。

发明人进一步研究发现，如同猫的眼睛一样，所有的光电设备都是通过一定口径的光学系统将目标的辐射、散射信号汇聚到焦平面上，而在大多数光电设备的光学系统中，其焦平面上安装有反射元件(如瞄准插丝、光电传感器光敏面、阴极射线管的光电阴极板等)，当激光束照射目标的光学窗口并进入光学系统的视场时，根据光路的可逆性，光学系统内的反射元件会将一部分激光信号沿原光路反射。这种反射光被光学系统准直后，就如同猫眼底反射的光线一样明亮，其光线返回率与漫反射回波相比，反射光的强度要高出2-4个量级。而且，不论入射光以何种角度进入光学系统，只要其能够到达焦平面的反射元件上，其反射光就会原路返回，记为光学目标的猫眼效应原路。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种空气质量检测装置，包括：

设置于待检测区域的摄像元件，所述摄像元件包括：至少一个可变焦摄像头和固定所述摄像头的固定装置；

激光元件，所述激光元件包括：向所述摄像元件发射光线的激光器，检测所述摄像元件的反射光线强度的回波检测模块，以及根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度的计算模块。

相应的，本发明实施例还提供了一种应用于上述空气质量检测装置的空气质量检测方法，包括：

将摄像元件放置在待检测区域内，固定所述摄像元件与所述激光元件的位置；

利用激光元件向所述摄像元件发射激光，并利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置；

利用所述激光元件内的回波检测模块检测所述摄像元件反射光线的强度，输出给计算模块；

利用所述计算模块，根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度。

利用本发明实施例所提供的空气质量检测装置及其检测方法，对空气质量进行检测时，只需将摄像元件放置在待检测区域内，然后利用所述激光器向所述摄像元件发射激光，并利用所述回波检测模块检测所述摄像元件反射回光线的强度，输出给计算模块，并向所述计算模块输入摄像元件与激光元件之间的距离，即可利用所述计算模块计算出待检测区域的污染程度，为改善环境提供良好的参考标准，测量稳定性好，结构简单，成本较低且成本较低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图3所示，本发明实施例所提供的空气质量检测装置，包括：

设置于待检测区域的摄像元件1，如图4所示，所述摄像元件1包括：至少一个可变焦摄像头11和固定所述摄像头11的固定装置12；

激光元件2，所述激光元件2包括：向所述摄像元件1发射光线的激光器，检测所述摄像元件1的反射光线强度的回波检测模块，以及根据所述反射光线的强度以及所述激光元件2与所述摄像元件1之间的距离，计算待检测区域污染程度的计算模块。

当欲测量检测区域的空气质量时，首先固定所述摄像元件1与所述激光元件2的位置，将所述摄像元件1固定在待检测区域内，并测量出所述摄像元件1与所述激光元件2之间的距离；然后，利用所述激光器向所述摄像元件1的摄像头11发出激光，并利用所述摄像元件1捕捉激光位置，并对其聚焦，以消除由于离焦量存在而对反射回波光线强度的影响。当所述激光器发出的激光进入所述摄像头11的视场内，所述摄像头11焦平面上的反射元件会反射回一部分光线，反射光纤到达所述激光元件2后，被所述激光元件2内的回波检测模块检测其回波的强度，输出给计算模块。

由于猫眼效应的物理模型一般可以等效简化为一个单透镜和一个反射面组合的光学系统，将其反射光束与入射光束展开，可以得到一个4f模型，如图5所示，图5为斜入射时的4f反射模型。其中，f为焦距，d为焦平面上检测器的直径，D为入射孔径，D’为有效入射孔径，θ为入射角，为反射光束的出射角。

需要说明的是，猫眼效应反射光束的特性主要包括光学特性和能量特性，其中，光学特性包括反射激光束发散角和出射角，能量特性主要包括能量分布情况和能量通过率(即反射模型的反射光束与入射光束的能量比)。

因此，可以利用所述计算模块计算出所述摄像元件1反射回光线(即回波)在无大气衰减情况下的强度，并结合所述回波检测模块检测到的在有大气衰减情况下的强度(即实际回波强度)以及所述反射光线的强度与所述激光元件2与所述摄像元件1之间的距离，得到所述待检测区域的大气衰减系数。

发明人更进一步研究发现，激光大气传输衰减与大气结构、传输距离、激光波长与强度等因素有关。对于特定激光系统来说，传输距离、激光波长和强度都基本确定，因此，激光大气传输衰减量的大小主要由大气结构决定。而大气结构对激光传输衰减的影响可以从微观和宏观两个角度进行分析，其中，微观因素包括：大气分子吸收、大气分子散射、大气气溶胶吸收和大气气溶胶散射，宏观因素包括：大气压强、温湿度、能见度和各种气象条件。

因此，在获得所述待检测区域的大气衰减系数后，即可获得所述待检测区域的大气污染程度。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述计算模块内预先存储有空气大气衰减系数与平均污染水平之间的对应关系，从而可以在利用所述计算模块得出所述待检测区域的大气衰减系数后，对应到所述预先存储的大气衰减系数与平均污染水平之间的对应关系中，直接得到所述待检测区域的大气污染程度。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图6所示，所述固定装置12包括：与所述摄像头11固定连接的第一固定件121，以及与所述第一固定件121固定连接的电机(图中未示出)，其中，所述第一固定件121在所述电机的带动下，带动所述摄像头11做俯仰运动，在竖直方向上捕捉所述激光元件2发出的激光位置。

在上述实施例的基础上，在本发明的另一个实施例中，所述固定装置12还包括：一端与所述第一固定件121固定连接，另一端与所述电机固定连接的第二固定件122，所述第二固定件122在所述电机的带动下，带动所述摄像头11和第一固定件121在水平面内转动，从而在水平方向上捕捉所述激光元件2发出的激光位置。

在本发明的又一个实施例中，所述空气质量检测装置还包括：全球定位模块和高度测量模块，其中，所述全球定位模块用于测量所述摄像元件1与所述激光元件2在水平面内的相对位置，即X坐标差和Y坐标差；所述高度测量模块，用于测量所述摄像元件1与所述激光元件2之间的高度差，即Z坐标差，从而得到所述摄像元件1与所述激光元件2之间的高度差与入射倾角，输出给计算模块，计算出所述摄像元件1反射回的光线在无衰减情况下的回波强度，与所述回波检测模块检测到的实际回波强度进行比较，并结合所述激光元件2与所述摄像元件1之间的距离，计算所述待检测区域的大气衰减系数。

在本发明的一个具体实施例中，所述全球定位模块与所述高度测量模块优选设置于所述激光元件2内，所述高度测量模块优选为高度计，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在本发明的再一个实施例中，所述空气质量检测装置也可以不包括第一固定件、电机、第二固定件或全球定位模块和高度测量模块等，而是通过在所述固定装置12上多个方向设置摄像头11来捕捉所述激光元件2发射的激光位置，如图7所示。优选的，在该实施例中，所述多个方向的摄像头11完全覆盖所述激光元件2的所有入射角度。

需要说明的是，在本发明的一个实施例中，所述摄像元件1可以设置在所述待检测区域的中心，在本发明的另一个实施例中，所述摄像元件1也可以设置在所述待检测区域的边缘，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述激光元件2与所述摄像元件1之间的距离可以人为测量，在本发明的另一个实施例中，所述激光元件2还包括：激光测距模块，自动测量所述摄像元件1与所述激光元件2之间的距离，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述空气质量检测装置还包括：显示元件，对所述计算模块的计算结果进行显示，从而可以直接在所述空气质量检测装置上显示待检测区域的大气污染程度。

综上所述，本发明实施例所提供的空气质量检测装置，包括：摄像元件和激光元件，所述激光元件中包括：向所述摄像元件发射光线的激光器，检测所述摄像元件的反射光线强度的回波检测模块，以及根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域大气污染程度的计算模块，从而在利用该检测装置对待检测区域的空气质量进行检测时，只需将摄像元件放置在待检测区域内，然后利用所述激光器向所述摄像元件发射激光，并利用所述回波检测模块检测所述摄像元件反射回光线的强度，输出给计算模块，并向所述计算模块输入摄像元件与激光元件之间的距离，即可利用所述计算模块计算出待检测区域的大气污染程度，为改善环境提供良好的参考标准，结构简单，且成本较低。

而且，本发明实施例所提供的空气质量检查装置中，激光行走路线贯穿整个待检测区域，从而使得利用本发明实施例所提供的检测装置测得的结果为待检测区域的整体污染水平，缓解了由于采样点不典型而导致的测量结果精度低的问题。

相应的，本发明实施例还提供了一种空气质量检测方法，应用于上述任一实施例所提供的空气质量检测装置，包括：

将摄像元件放置在待检测区域内，固定所述摄像元件与所述激光元件的位置；

利用激光元件向所述摄像元件发射激光，并利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置；

利用所述激光元件内的回波检测模块检测所述摄像元件反射光线的强度，输出给计算模块；

利用所述计算模块，根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度。

具体的，在本发明的一个实施例中，所述计算模块内预先存储有大气衰减系数与平均污染水平之间的对应关系，在该实施例中，根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度包括：

计算所述摄像元件反射回的光线在无衰减情况下的回波强度；

对比所述摄像元件反射回的光线在无衰减情况下的回波强度以及所述回波检测模块检测到的回波强度，获得所述摄像元件反射回光线的衰减情况；

根据所述摄像元件反射回光线的衰减情况以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算所述待检测区域的大气衰减系数；

根据所述待检测区域的大气衰减系数，在所述计算模块内预先存储的大气衰减系数与平均污染水平之间的对应关系中，查询获得待检测区域的平均污染水平。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置可以通过在多个方向设置摄像头，来捕捉所述激光元件发射的激光位置；在本发明的另一个实施例中，利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置也可以通过调整所述摄像头的俯仰角以及所述摄像头的转动角度，来捕捉所述激光元件发射的激光位置，在本发明的又一个实施例中，利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置还可以通过计算所述摄像元件与所述激光元件之间的相对位置(即建立空间坐标系，分别测量所述摄像元件与所述激光元件之间的X坐标差、Y坐标差和Z坐标差)，从而根据所述摄像元件与所述激光元件之间的相对位置，计算出所述摄像元件反射回的光线在无衰减情况下的回波强度，与所述回波检测模块检测到的实际回波强度进行比较，并结合所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算所述待检测区域的大气衰减系数，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述摄像元件与所述激光元件的距离采用人为测量方式获得，在本发明的另一个实施例中，所述摄像元件与所述激光元件的距离采用自动测量方式获得，优选的，在所述激光元件内设置激光测距模块，从而利用所述激光测距模块自动测得所述摄像元件与所述激光元件之间的距离，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的又一个实施例中，该检测方法还包括：对所述计算模块的计算结果进行显示，从而可以直接读取待检测区域的大气污染程度

由上可知，本发明实施例所提供的空气质量检测装置及其检测方法中，激光行走路线贯穿整个待检测区域，从而使得利用本发明实施例所提供的检测装置及其检测方法，无需在多个测量点设置传感器进行测量，即可测得待检测区域的整体污染水平，测量稳定型好，从而不仅缓解了由于设置多个传感器而引进的成本过高的问题，还缓解了由于采样点不典型而导致的测量结果精度低的问题。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种空气质量检测装置，其特征在于，包括：

设置于待检测区域的摄像元件，所述摄像元件包括：至少一个可变焦摄像头和固定所述摄像头的固定装置；

激光元件，所述激光元件包括：向所述摄像元件发射光线的激光器，检测所述摄像元件的反射光线强度的回波检测模块，以及根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度的计算模块；其中，所述计算模块内预先存储有大气衰减系统与平均污染水平之间的对应关系。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述激光元件还包括：测量所述摄像元件与所述激光元件之间距离的激光测距模块。

3.根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，所述固定装置包括：

与所述摄像头固定连接的第一固定件；

与所述第一固定件固定连接的电机，所述第一固定件在电机的带动下，带动所述摄像头做俯仰运动。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述固定装置还包括：

一端与所述第一固定件固定连接，另一端与所述电机固定连接的第二固定件，所述第二固定件在所述电机的带动下，带动所述摄像头和第一固定件在水平面内转动。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，还包括：

全球定位模块，测量所述摄像元件与所述激光元件在水平面内的相对位置，即X坐标差和Y坐标差；

高度测量模块，测量所述摄像元件与所述激光元件之间的高度差，即Z坐标差。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述高度测量模块为高度计。

7.根据权利要求5或6所述的检测装置，其特征在于，所述全球定位模块与所述高度测量模块设置于所述激光元件内。

8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，还包括：显示元件，对所述计算模块的计算结果进行显示。

9.一种空气质量检测方法，应用于权利要求1-8任一项所述的空气质量检测装置，其特征在于，包括：

将摄像元件放置在待检测区域内，固定所述摄像元件与所述激光元件的位置；

利用激光元件向所述摄像元件发射激光，并利用所述摄像头捕捉所述激光元件发射的激光位置；

利用所述激光元件内的回波检测模块检测所述摄像元件反射光线的强度，输出给计算模块；

利用所述计算模块，根据所述反射光线的强度以及所述激光元件与所述摄像元件之间的距离，计算待检测区域污染程度。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，还包括：对所述计算模块的计算结果进行显示。