CN105044110A - 一种二氧化硫气体成像遥测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化硫气体成像遥测方法与装置，包含紫外-可见多光谱相机、紫外光谱仪、显示器和计算机。通过紫外-可见多光谱相机对目标区域成像，紫外光谱仪对视场中心区域进行连续光谱采集，通过计算机对采集的图像和光谱数据进行处理，并将处理结果在显示屏上实时显示。该装置将紫外-可见多光谱成像与紫外差分吸收光谱探测相结合，实现了可视化动态二氧化硫气体排放遥测，可准确定位固定污染源排放二氧化硫烟羽的位置和浓度分布，采用紫外探测方法，不受水汽干扰，成本较低。

Description

一种二氧化硫气体成像遥测方法与装置

技术领域

本发明涉及气体监测技术领域，特别是涉及一种二氧化硫气体成像遥测方法与装置。

背景技术

二氧化硫是大气主要污染物之一，以煤和石油为燃料的火力发电厂、工业锅炉、垃圾焚烧、生火取暖、柴油发动机、金属冶炼厂、造纸厂等固定污染源都会排放大量的二氧化硫，对环境造成极大危害,因此二氧化硫被环保部列为重点监测的大气污染物。基于光学遥测的方法是非常重要的一类固定污染源二氧化硫排放监测方法，如傅里叶变换方法、差分吸收激光雷达方法、紫外差分吸收光谱方法等。上述方法都是非成像的方法，测量的是设备光轴方向上的二氧化硫浓度，难以准确空间定位。成像型傅里叶变换光谱成像仪虽然可以成像，但是每次测量需要进行时间扫描，无法实现动态测量。傅里叶变换红外探测方法还会因受到空气中水汽的干扰而测量准确度下降。另外，傅里叶变换光谱仪成本很高，难以广泛推广使用。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有的二氧化硫气体遥测方法无法同时实现准确定位和动态测量的问题，开发出一种可视化动态二氧化硫气体排放遥测方法，可准确定位固定污染源排放二氧化硫烟羽的位置和浓度分布。

本发明的第二个目的是解决现有的二氧化硫气体遥测装置容易受到空气中水汽的干扰导致测量准确度低的问题，同时仪器成本较低，可以广泛推广使用。

本发明的实现方法如下：

为实现上述的目的，本发明提供的一种二氧化硫成像遥测装置，包含可见光相机、第一紫外相机、第二紫外相机、紫外光谱仪、显示器和计算机，其中可见光相机、第一紫外相机和第二紫外相机组成的紫外-可见多光谱相机。紫外-可见多光谱相机对目标区域成像，紫外光谱仪对视场中心区域进行连续光谱采集，计算机对紫外-可见多光谱相机和紫外光谱仪进行控制，对采集数据进行梳理并将结果显示在显示屏上。

本发明所采用的技术方案是：一种二氧化硫气体成像遥测方法，将紫外-可见多光谱成像与紫外差分吸收光谱探测相结合，可见光成像准确定位污染源污染物排放区域，紫外成像与可见光成像视场相同，采用差分成像方法确定含有二氧化硫气体的区域，紫外差分吸收光谱测量图像中确定区域的二氧化硫含量，并结合紫外差分成像结果反演出整个成像范围的二氧化硫含量。

本发明所采用的测试方法是：首先通过由可见光相机、第一紫外相机和第二紫外相机组成的紫外-可见多光谱相机对目标区域成像，紫外光谱仪对视场中心区域进行连续光谱采集；然后根据紫外-可见多光谱相机采集的图像计算出的差分图像中心区域的亮度值，并根据紫外光谱仪采集的光谱结合差分吸收光谱算法计算出该位置的二氧化硫浓度；将上述的亮度值与二氧化硫浓度值进行比对，通过线性插值法反演出整个图像区域的二氧化硫浓度值分布；最后将计算得出的二氧化硫浓度赋予不同的颜色，并将处理后的伪彩色图融合进可见光图像中，融合后的图像在显示器上显示。

所述的可见光相机为可见光谱段的彩色相机或全色相机。

所述的紫外相机至少为两个，两个紫外相机的响应光谱谱段相邻，一个谱段内具有较强的二氧化硫吸收，另一个谱段内吸收尽量少，两个谱段尽量接近，两个谱段范围内尽量没有其他气体吸收。优选的，第一个紫外相机的响应中心波长为300nm，半高全宽为10nm，第二个紫外相机的响应中心波长为320nm，半高全宽为10nm。

所述的可见光相机、紫外相机并排放置，焦距和视场角相同，光轴平行，在对远处目标成像时视场范围相同。

其中可见光成像至少覆盖380nm～780nm光谱范围，紫外成像至少覆盖290nm～330nm光谱范围，紫外差分吸收光谱测量至少覆盖280～330nm光谱范围。

其中紫外差分成像至少包含两个光谱通道，一个通道内二氧化硫有强吸收，一个通道内吸收很弱，将两个通道的图像相减得到含有二氧化硫的信号。

其中紫外差分吸收光谱测量利用二氧化硫在280～320nm光谱范围内的特征吸收，采用覆盖该光谱范围、光谱分辨率优于0.5nm的光谱仪采集吸收光谱数据，计算出二氧化硫的浓度。

两个紫外相机获取的图像进行差分计算得到与二氧化硫浓度分布相关的图像。

所述的紫外光谱仪工作光谱范围至少覆盖280nm～320nm，光谱分辨率优于0.5nm。

所述紫外光谱仪前端有前置长焦距望远镜，长焦距望远镜与所述多光谱相机的光轴平行，视场为多光谱相机中心视场的有限区域，通过标定可确定在多光谱相机视场中的具体位置和范围。

所述的紫外光谱仪采集长焦距望远镜视场区域的光谱，利用紫外差分吸收光谱分析方法计算该区域的二氧化硫浓度。

所述的计算机控制界面中分别有可见光相机的成像界面，第一紫外相机的成像界面，第二紫外相机的成像界面，紫外光谱仪测得的光谱曲线窗口，处理后图像窗口。其中处理后图像窗口显示的数据为第一和第二紫外相机采集图像差分处理后的图像进行伪彩色处理后融合进可见光图像的图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是实现可视化动态二氧化硫气体排放遥测，可准确定位固定污染源排放二氧化硫烟羽的位置和浓度分布，解决了现有技术无法同时实现准确定位和动态测量的问题，而且采用紫外探测方法不受水汽干扰，成本更低，可大范围推广。

附图说明

图1为一种二氧化硫气体成像遥测方法原理框图；

图2为紫外相机工作光谱范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种二氧化硫成像遥测装置，包含可见光相机1、第一紫外相机2、第二紫外相机3、紫外光谱仪4、显示器5和计算机6。可见光相机1、第一紫外相机2和第二紫外相机3具有相同的视场，并且光轴平行，对同一目标物成像。

在本实施例中，可见光相机1、第一紫外相机2和第二紫外相机3组成紫外-可见多光谱相机。优选的是可见光相机1为可见光谱段的彩色相机或全色相机，焦距为50mm，对角线视场角为30°；第一紫外相机2和第二紫外相机3的对角线视场角均为30°。

如图2所示，第一紫外相机的透过率中心波长为300nm，半高全宽为10nm，第二紫外相机3的透过率中心波长为320nm，半高全宽为10nm，除透过率不同外，第一紫外相机2和第二紫外相机3的其它参数完全相同，视场均与可见光相机1重合。

在本实施例中，紫外光谱仪4选择高分辨率紫外光纤光谱仪，工作光谱范围在200nm～400nm，光谱分辨率为0.3nm。对采集的光谱利用紫外差分吸收光谱分析方法计算二氧化硫浓度。

紫外光谱仪4前端采用一个焦距为300mm的紫外望远镜，紫外望远镜的光轴可见光相机1的光轴平行，在紫外望远镜的焦面处连接一口径为200μm的紫外光纤，光纤的另一端与紫外光谱仪4连接，用于将紫外望远镜收集的目标的光束导入紫外光谱仪4。紫外望远镜的视场为可见光相机1中心视场的有限区域，通过标定可确定在可见光相机1视场中的具体位置和范围。

在本实施例中，显示屏5和计算机6选用便携式计算机，利用计算机6对可见光相机1、第一紫外相机2、第二紫外相机3和紫外光谱仪4进行同步控制，并对采集图像和光谱数据进行处理，并将处理结果在显示屏5上实时显示。

本发明一种二氧化硫气体成像遥测装置的遥测方法，其测试步骤为:(1)打开计算机6，软件界面中分别有可见光相机1、第一紫外相机2和第二紫外相机3的成像界面，紫外光谱仪测4得的光谱曲线窗口，以及处理后图像窗口。其中处理后图像窗口显示的数据为两个紫外相机采集图像差分处理后，再进行伪彩色处理，最后与可见光图像融合的图像；

(2)调整设备的光轴方向，使被测的污染物排放口及排放污染物烟羽图像显示在可见光图像的中心区域，可见光相机1成像界面的中心有一个用红色圆圈标出的区域，表示紫外光谱仪4采集的是该区域内的光谱数据，微调设备指向，使圆圈在烟羽的大致中心位置；

(3)紫外光谱仪4采集的数据包含了图像中圆圈位置的光谱，利用该光谱结合差分吸收光谱算法计算出该位置的二氧化硫浓度，再根据两个紫外相机采集的图像计算出的差分图像圆圈区域的亮度值与紫外光谱仪4采集光谱计算出的二氧化硫浓度值进行比对，反演出整个图像区域的二氧化硫浓度值分布，反演方法是线性插值法；

(4)将计算的二氧化硫浓度赋予不同的颜色，如低浓度为蓝色，高浓度为红色，将处理后的伪彩色图融合进可见光图像中，融合后的图像在显示屏5上实时显示。

以上所述，仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二氧化硫气体成像遥测装置，其特征在于，该装置由可见光相机(1)、第一紫外相机(2)、第二紫外相机(3)、紫外光谱仪(4)、显示器(5)和计算机(6)组成，其中可见光相机(1)、第一紫外相机(2)和第二紫外相机(3)组成的紫外-可见多光谱相机，计算机(6)对可见光相机(1)、第一紫外相机(2)、第二紫外相机(3)、和紫外光谱仪(4)进行同步控制。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化硫气体成像遥测装置，其特征在于可见光相机(1)为可见光谱段的彩色相机或全色相机，焦距为50mm，对角线视场角为30°。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化硫气体成像遥测装置，其特征在于可见光相机(1)、第一紫外相机(2)和第二紫外相机(3)具有相同的视场，并且光轴平行，对同一目标物成像。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化硫气体成像遥测装置，其特征在于第一紫外相机(2)和第二紫外相机(3)的对角线视场角均为30°；第一紫外相机(2)的响应中心波长为300nm，半高全宽为10nm，第二紫外相机(3)响应中心波长为320nm，半高全宽为10nm，除透过率不同外，第一紫外相机(2)和第二紫外相机(3)的其它参数完全相同。

5.根据权利要求1所述的一种二氧化硫气体成像遥测装置，其特征在于紫外光谱仪(4)为高分辨率紫外光纤光谱仪，工作光谱范围在200nm～400nm，光谱分辨率为0.3nm。

6.根据权利要求1所述的一种二氧化硫气体成像遥测装置，其特征在于紫外光谱仪(4)前端采用一个焦距为300mm的紫外望远镜，紫外望远镜的光轴可见光相机(1)的光轴平行，在紫外望远镜的焦面处连接一口径为200μm的紫外光纤，光纤的另一端与紫外光谱仪(4)连接，用于将紫外望远镜收集到的光束传导到紫外光谱仪(4)。

7.一种二氧化硫气体成像遥测方法，其特征在于测试步骤为:

1)、通过由可见光相机(1)、第一紫外相机(2)和第二紫外相机(3)组成的紫外-可见多光谱相机对目标区域成像，紫外光谱仪(4)对视场中心区域进行连续光谱采集；

2)、第一紫外相机(2)、第二紫外相机(3)采集的图像，计算出的差分图像的亮度值；

3)、利用紫外光谱仪(4)采集的光谱结合差分吸收光谱算法计算出该位置的二氧化硫浓度；

4)、再将第一紫外相机(2)、第二紫外相机(3)采集的图像计算出的差分图像中心区域的亮度值与紫外光谱仪(4)采集光谱计算出的二氧化硫浓度值进行比对，通过线性插值法反演出整个图像区域的二氧化硫浓度值分布；

5)、计算机(6)将计算得出的二氧化硫浓度赋予不同的颜色，并将处理后的伪彩色图融合进可见光图像中，融合后的图像在显示器(5)上显示。