CN108956403A - 基于纹影测量技术的雾霾检测装置及雾霾检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于纹影测量技术的雾霾检测装置及雾霾检测方法，涉及空气检测领域，包括光源、准直透镜、聚焦透镜、刀片、光电探测器以及图象识别模块；准直透镜、聚焦透镜、刀片以及光电探测器沿光信号的路径依次设置；准直透镜与聚焦透镜之间构建为空气测试区域；图象识别模块与光电探测器电信号连接，光电探测器用于接收来自聚焦透镜汇聚后的光信号，并将该光信号转化成电信号后传递至图象识别模块；图象识别模块用于重构图像并计算出空气雾霾检测区域中空气的平均密度。本装置将纹影测量技术与空气雾霾检测装置相结合，创造性地设计了一种利用光学影像检测雾霾的装置，该方法较之以往的雾霾检测仪，具有快速便捷、结果精确、节能等优点。

Description

基于纹影测量技术的雾霾检测装置及雾霾检测方法

技术领域

本发明主要涉及空气质量检测领域，具体而言，涉及一种基于纹影测量技术的雾霾检测装置及雾霾检测方法。

背景技术

雾霾是雾和霾的混合物，雾是自然天气现象，空气中水汽氤氲。而霾的核心物质时悬浮在空气中烟、尘等物质。气体能直接进入并粘附在人体下呼吸道和肺叶中，对人体健康有害。传统的雾霾检测装置有一定的不足之处，如耗费电能，装置在工作运行时，不便对整体进行散热。

现有技术中，中国专利：一种雾霾检测器系统(CN205449743U)，包括雾霾检测装置以及与所述雾霾检测装置无线通信连接的监控终端，所述监控终端连接监控显示屏，所述雾霾检测装置安装在无人飞行器的检测装置放置盒中，所述雾霾检测装置包括供电模块、雾霾检测器、GPS定位模块，所述雾霾检测器、GPS定位模块连接检测控制器，所述检测控制器连接无线数据传输模块，所述供电模块为所述雾霾检测器、GPS定位模块、检测控制器、无线数据传输模块提供工作用电。该装置由无人飞行器携带雾霾检测装置进行相应的区域的雾霾检测，并将检测的数据传送到监控终端，在监控显示屏上进行显示，从而实现在多个区域的雾霾情况进行检测。但是该装置由无人飞行器进行搭载，需要有专业技术的操作者进行操作，并且对设备的稳定性要求很高，也就使得雾霾检测的成本大幅增加，并且，使用该装置对雾霾进行检测需要耗费大量的能源。

另外，现有技术中的设备对雾霾的检测都是检测空气中颗粒物和有害物质的含量，只能对其进行定量的检测，这样的检测方式比较单一，检测结果往往会出现一定的偏差。

发明内容

发明人在研究中发现，纹影成像技术可以很好的运用于空气质量检测领域，纹影成像技术是利用气流对光波的扰动，将气流变化转换成图像，进而实现对测试区域中气体成分、浓度以及固体颗粒成分等进行定性或定量测量。

本发明的目的在于提供一种基于纹影测量技术的雾霾检测装置及雾霾检测方法，能够实现测试区域中气体成分、浓度以及固体颗粒成分等进行定性或定量测量，并且得到的数据还包括图象数据，使得检测结果非常的直观。

本发明是这样实现的：

基于上述目的，本发明的实施例提供了一种基于纹影测量技术的雾霾检测装置，包括光源、准直透镜、聚焦透镜、刀片、光电探测器以及图象识别模块；

所述光源用于产生光信号，所述准直透镜、所述聚焦透镜、所述刀片以及所述光电探测器沿所述光信号的路径依次设置；

所述准直透镜与所述聚焦透镜之间构建为空气测试区域；

所述准直透镜用于使点光源射出的光线形成通过所述空气测试区域的平行光线；

所述聚焦透镜用于将通过所述空气测试区域的光信号进行汇聚后，传送至所述光电探测器；

所述刀片用于阻挡一部分在所述空气测试区域产生弯曲或折射的光线；

所述图象识别模块与所述光电探测器电信号连接，所述光电探测器用于接收来自所述聚焦透镜汇聚后的光信号，并将该光信号转化成电信号后传递至所述图象识别模块；

所述图象识别模块用于接收来自所述光电探测器的光信号，并重构图像并计算出空气雾霾检测区域中空气的平均密度。

在本发明的可选实施例中，雾霾检测装置还包括狭缝光阑，所述聚焦透镜包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述准直透镜包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一聚焦透镜、所述狭缝光阑、所述第一准直透镜、所述第二聚焦透镜、所述刀片、所述第二准直透镜以及所述光电探测器沿所述光信号的路径依次设置，所述狭缝光阑用于限制光线传播的视场。

在本发明的可选实施例中，雾霾检测装置还包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜设置于所述第一准直透镜和所述第二聚焦透镜之间，所述第一反射镜所在的平面与所述第二反射镜之间的平面之间的夹角为90°，从所述第一准直透镜传递至所述第一反射镜的光线为第一光线，从所述第二反射镜传递至第二聚焦透镜的光线为第二光线，所述第一光线与所述第二光线平行，空气测试区域位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间。

在本发明的可选实施例中，所述第二聚焦透镜、所述狭缝光阑和所述第一准直透镜的中心线重合，所述刀片的一端为刀口，所述刀口位于所述第二聚焦透镜和所述第二准直透镜的中心线上。

在本发明的可选实施例中，所述光源为波长在400nm-800nm之间的脉冲激光光源或连续激光光源。

本发明的实施例还提供了一种基于所述的雾霾检测装置进行雾霾检测方法，包括以下步骤：

步骤1：光源发出光信号并依次透过第一聚焦透镜、狭缝光阑和第一准直透镜，经过第一反射镜和第二反射镜的反射作用后，再依次穿过第二聚焦透镜、刀口和第二准直透镜，最后到达光电探测器；

步骤1：光电探测器接收到来自第二准直透镜的光信号并将光信号转化为电信号，然后将该电信号传递至图象识别模块；

步骤3：图象识别模块将来自光电探测器的电信号进行解析并实现图象重构。

在本发明的可选实施例中，在所述步骤3完成的同时，通过测量仪器测量光刀的刀口的位移量，然后计算出垂直于光刀刀口移动方向上的密度变化值，该密度变化值的计算公式为：

其中：a值，可由光线经过空气测试区得到的图像中其黑白的反差进行跟踪并记录,K是格拉斯通-戴尔常数,L是光线通过空气测试区域时颗粒物存在区或扰动区的长度，f₂为聚焦透镜的焦距。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的实施例提供的基于纹影测量技术的雾霾检测装置及雾霾检测方法，提出了一种全新的检测雾霾的装置和方法，将纹影测量技术与空气雾霾检测装置相结合，创造性地设计了一种利用光学影像检测雾霾的装置，该方法较之以往的雾霾检测仪，具有快速便捷、结果精确、节能等优点。同时通过对空气雾霾检测区域中物理特征的获取，可以对环境空气进行更为深入的研究，为环境及空气净化提供了丰富且专业的素材。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的雾霾检测装置的系统模型图；

图2是图象识别模块生成的密度变化的成像对比图；

图3是图象识别模块生成的密度均匀的成像对比图；

图4是本发明实施例1提供的雾霾检测装置的结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的光线发生偏折时的几何示意图。

图标：10-光源；20-准直透镜；21-第一准直透镜；22-第二准直透镜；30-聚焦透镜；31-第一聚焦透镜；32-第二聚焦透镜；40-刀片；50-光电探测器；60-图象识别模块；70-狭缝光阑；80-第一反射镜；81-第二反射镜；82-第一光线；83-第二光线；90-空气测试区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

请参照图1所示，本发明的实施例1提供了一种基于纹影测量技术的雾霾检测装置，包括光源10、准直透镜20、聚焦透镜30、刀片40、光电探测器50以及图象识别模块。

光源10用于产生光信号，准直透镜20、聚焦透镜30、刀片40以及光电探测器50沿光信号的路径依次设置；刀片40的一端为刀口，准直透镜20与聚焦透镜30之间构建为空气测试区域90；准直透镜20用于使点光源10射出的光线形成通过空气测试区域90的平行光线；聚焦透镜30用于将通过空气测试区域90的光信号进行汇聚后，传送至光电探测器50；刀片40用于阻挡一部分在空气测试区域90产生弯曲或折射的光线；图象识别模块与光电探测器50电信号连接，光电探测器50用于接收来自聚焦透镜30汇聚后的光信号，并将该光信号转化成电信号后传递至图象识别模块；图象识别模块用于接收来自光电探测器50的光信号，并重构图像并计算出空气雾霾检测区域中空气的平均密度。

需要说明的是，雾霾检测装置可以看做一个纹影系统，在该纹影系统中，上述光源10为点光源10，光源10为波长在400nm-800nm之间的脉冲激光光源10或连续激光光源10。较佳的，所述激光光源的波长为405nm、445nm、473nm、640nm、660nm。

该准直透镜20的设置，使得点光源10通过准直透镜20射出的光线形成通过空气检测区域的平行光线。在纹影系统的另一边，平行光被聚焦透镜30进行聚焦，并最终集中在刀片40端部的一个点上，然后光线汇聚至光电探测器50的屏幕上。

如果空气测试区域90中存在包括雾霾在内的空气中的杂质及颗粒物，此时，平行光线在经过空气检测区域时遇到密度梯度，区域中的光线便会发生弯曲或折射。在雾霾检测区域中，因雾霾中含有较多的颗粒物，因此颗粒物附近便是密度高梯度的薄区域。光线在穿过检测区域遇到空气中的颗粒物时便会出现如图1中虚线所示的弯曲，这条光线便不会通过焦点，而是被刀片40的刀口挡住。进而导致由光电探测器50屏幕接收的图像在存在密度梯度的地方出现变暗的线条。因为刀片40的刀口阻挡了部分发生弯曲或者折射的光线通过，因此可在屏幕上看到黑色图像，进而实现了密度可视化的目的。

如图2和图3所示，两个对比图可以看出，空气测试区中存在密度变化与密度均匀时的成像是不同的，图2中由于在空气测试区域90存在有雾霾颗粒，所以图上看到黑色图像；而图3为未存在雾霾颗粒的密度均匀的空气，则显示的图象不存在黑色图象，而是比较清晰的图象。

在本实施例中，雾霾检测装置还包括狭缝光阑70，聚焦透镜30包括第一聚焦透镜31和第二聚焦透镜32，准直透镜20包括第一准直透镜21和第二准直透镜22，第一聚焦透镜31、狭缝光阑70、第一准直透镜21、第二聚焦透镜32、刀片40、第二准直透镜22以及光电探测器50沿光信号的路径依次设置，狭缝光阑70用于限制光线传播的视场，狭缝光阑70包括狭缝和针孔光阑，光阑是通过手动或电动调节或更换的光阑部件或者固定尺寸的标准型光阑。

在本实施例中，雾霾检测装置还包括第一反射镜80和第二反射镜81，第一反射镜80和第二反射镜81设置于第一准直透镜21和第二聚焦透镜32之间，第一反射镜80所在的平面与第二反射镜81之间的平面之间的夹角为90°，从第一准直透镜21传递至第一反射镜80的光线为第一光线82，从第二反射镜81传递至第二聚焦透镜32的光线为第二光线83，第一光线82与第二光线83平行，其中第一反射镜80设置于第一准直透镜21和空气雾霾检测区域之间，并用于将出射光反射到空气雾霾检测区域。而第二反射镜81则用于将空气雾霾检测区域的出射光反射至第二聚焦透镜32。

在本实施例中，第二聚焦透镜32、狭缝光阑70和第一准直透镜21的中心线重合，也即是刀片40置于第二聚焦透镜32的焦点处，刀片40的刀口位于第二聚焦透镜32和第二准直透镜22的中心线上。

刀片40的刀口用于切割光源10像，把光线受空气雾霾检测区域中颗粒物的扰动转变为平面上的光强分布，由于光线在通过气流密度不均的区域会发生偏转，进而可判断出光线的偏转角。光电探测器50接收汇聚后的光信号，然后输入到图像识别模块60，对光信号进行解析并实现图像重构，从而确定出折射率的分布，再利用格拉斯通-戴尔常数公式计算出所测区域空气的平均密度，将所测密度与纯净度较高的空气密度进行比较，达到检测雾霾的目的。

本装置通过数据处理，由光场分布图像计算出纹影图的对比度，获得激光偏转角度，进而计算出检测区域中流场的折射率分布；通过测量仪器光刀刀口的位移量，然后再计算出空气中因颗粒的存在而导致的垂直于光刀刀口移动方向上的密度变化和密度值，进而达到雾霾检测的作用。

实施例2

本发明的实施例2提供了一种基于的雾霾检测装置进行雾霾检测方法，包括以下步骤：

步骤1：光源发出光信号并依次透过第一聚焦透镜、狭缝光阑和第一准直透镜，经过第一反射镜和第二反射镜的反射作用后，再依次穿过第二聚焦透镜、刀口和第二准直透镜，最后到达光电探测器；

步骤1：光电探测器接收到来自第二准直透镜的光信号并将光信号转化为电信号，然后将该电信号传递至图象识别模块；

步骤3：图象识别模块将来自光电探测器的电信号进行解析并实现图象重构。

请参照图5所示，在本实施例中，纹影系统的计算分析如下：

将纹影系统应用到空气中的雾霾检测时，其主要原理为测试区域中的空气因存在颗粒物，进而导致穿过测试区域的平行光线在经过这些颗粒物时发生偏折，经过聚焦透镜后，光线在刀片刀口的位置发生了位移，通过测量仪器光刀刀口的位移量，进而计算出测试区域在垂直于光刀刀口移动方向上的密度变化(gradρ)值。取图1中的光线聚焦段进行分析，如图5所示，如果光线在穿过测试区时遇到空气中的颗粒物，即通过空气测试区域中的扰动区(变密度区)，在聚焦透镜M₂的焦点刀口位置K处的位移量为a，则：

a＝f₂tanε (1)

式中ε为光线在测试区域中的偏转角，f₂为聚焦透镜M₂的焦距。

由Fermat原理，在任意介质中，光线要从最短时间内从一点传播到另一点。因此在光源和成像屏之间有如下关系式：

式中C₀和C分别是光线在真空中和在介质中的传播速度，n是折射率。

如果考虑二维扰动条件，(2)式可简化为：

式中L是光线通过空气测试区域时颗粒物存在区或扰动区的长度。

根据格拉斯通-戴尔定律，可得到如下表达式：

式中K是格拉斯通-戴尔常数。即在一定温度下，不同光波的波长对应了不同的K值。

利用(1)、(2)、(3)、(4)和(5)式可以计算出空气密度在垂直于光刀刀口y方向上的变化，其值为：

在上述波长范围内，Kρ＝n-1＝0，故有：

式中的a值，可由光线经过空气测试区得到的图像中其黑白的反差进行跟踪并记录，进而可以确定空气在y方向上的密度变化值。而Ev即为该雾霾检测装置的量化指标，该值越大则可以证明在空气测试区域中颗粒物越多，即环境的雾霾程度越严重。

Claims (7)

1.一种基于纹影测量技术的雾霾检测装置，其特征在于，包括光源、准直透镜、聚焦透镜、刀片、光电探测器以及图象识别模块；

所述光源用于产生光信号，所述准直透镜、所述聚焦透镜、所述刀片以及所述光电探测器沿所述光信号的路径依次设置；

所述准直透镜与所述聚焦透镜之间构建为空气测试区域；

所述准直透镜用于使点光源射出的光线形成通过所述空气测试区域的平行光线；

所述聚焦透镜用于将通过所述空气测试区域的光信号进行汇聚后，传送至所述光电探测器；

所述刀片用于阻挡一部分在所述空气测试区域产生弯曲或折射的光线；

所述图象识别模块与所述光电探测器电信号连接，所述光电探测器用于接收来自所述聚焦透镜汇聚后的光信号，并将该光信号转化成电信号后传递至所述图象识别模块；

所述图象识别模块用于接收来自所述光电探测器的光信号，并重构图像并计算出空气雾霾检测区域中空气的平均密度。

2.根据权利要求1所述的基于纹影测量技术的雾霾检测装置，其特征在于，还包括狭缝光阑，所述聚焦透镜包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述准直透镜包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一聚焦透镜、所述狭缝光阑、所述第一准直透镜、所述第二聚焦透镜、所述刀片、所述第二准直透镜以及所述光电探测器沿所述光信号的路径依次设置，所述狭缝光阑用于限制光线传播的视场。

3.根据权利要求2所述的基于纹影测量技术的雾霾检测装置，其特征在于，还包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜设置于所述第一准直透镜和所述第二聚焦透镜之间，所述第一反射镜所在的平面与所述第二反射镜之间的平面之间的夹角为90°，从所述第一准直透镜传递至所述第一反射镜的光线为第一光线，从所述第二反射镜传递至第二聚焦透镜的光线为第二光线，所述第一光线与所述第二光线平行，空气测试区域位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间。

4.根据权利要求2所述的基于纹影测量技术的雾霾检测装置，其特征在于，所述第二聚焦透镜、所述狭缝光阑和所述第一准直透镜的中心线重合，所述刀片的一端为刀口，所述刀口位于所述第二聚焦透镜和所述第二准直透镜的中心线上。

5.根据权利要求1所述的基于纹影测量技术的雾霾检测装置，其特征在于，所述光源为波长在400nm-800nm之间的脉冲激光光源或连续激光光源。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的雾霾检测装置进行雾霾检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：光源发出光信号并依次透过第一聚焦透镜、狭缝光阑和第一准直透镜，经过第一反射镜和第二反射镜的反射作用后，再依次穿过第二聚焦透镜、刀口和第二准直透镜，最后到达光电探测器；

步骤1：光电探测器接收到来自第二准直透镜的光信号并将光信号转化为电信号，然后将该电信号传递至图象识别模块；

步骤3：图象识别模块将来自光电探测器的电信号进行解析并实现图象重构。

7.根据权利要求6所述的雾霾检测方法，其特征在于，在所述步骤3完成的同时，通过测量仪器测量光刀的刀口的位移量，然后计算出垂直于光刀刀口移动方向上的密度变化值，该密度变化值的计算公式为：

其中：a值，可由光线经过空气测试区得到的图像中其黑白的反差进行跟踪并记录,K是格拉斯通-戴尔常数,L是光线通过空气测试区域时颗粒物存在区或扰动区的长度，f₂为聚焦透镜的焦距。