CN111551474A - 港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法 - Google Patents

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张春意
白景峰
薛永华
李金钊
张斌斌
刘筱萌
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Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering MOT
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/075—

Abstract

本发明公开了一种港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法：在港口堆场无组织排放源上空位置架设多波段组合激光器和CMOS相机，采用后向散射布置或侧向散射布置方式；组合激光器向港口无组织排放源产生的扬尘颗粒物构成的立体空间发射激光扫描光束，CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光或通过扬尘颗粒物的明亮的光束，拍摄得到扬尘颗粒物的灰度值矩阵图片，利用灰度值矩阵得到颗粒物浓度信息；通过散射理论，求得扬尘颗粒物浓度的空间分布。

Description

港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法
技术领域
本发明涉及大气环境监测领域，更具体地说，是涉及一种港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法。
背景技术
目前，我国港口发展已经由规模化发展正逐步转变为高质量发展，强化港口环境保护，实现绿色发展是港口提质增效最重要的一环。2018年1月1日起，《中华人民共和国环境保护税法》正式实施，散货港口煤炭粉尘排放不再征收排污费，但是开始依法征收环境保护税。2019年6月份，生态环境部发布排污许可证申请与核发技术规范。目前，无组织粉尘源排放量现场监测没有成熟的技术和规范要求，因此新的环境保护税法规定煤炭等散货港口的排污收费核算办法暂时仍为排污系数法，即采用煤炭吞吐量、煤粉尘排污系数、污染当量值和收费标准的乘积作为排污收费的依据。依据当前的技术手段，尚不能根据实测的浓度反推源强，得到散货港口煤炭粉尘排放总量。
发明内容
现有的港口区域大气颗粒物浓度实测方法，只能提供点位实时数据，不能更具体的测量出污染扩散的趋势、以及粉尘污染的空间分布，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，从点的监测扩展到面，提出一种港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法，包括以下过程：
第一步：在港口堆场无组织排放源上空位置架设多波段组合激光器和CMOS相机，采用后向散射布置或侧向散射布置方式；
第二步：组合激光器向港口无组织排放源产生的扬尘颗粒物构成的立体空间发射激光扫描光束，CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光或通过扬尘颗粒物的明亮的光束，拍摄得到扬尘颗粒物的灰度值矩阵图片，利用灰度值矩阵得到颗粒物浓度信息；
第三步：通过散射理论，求得扬尘颗粒物浓度的空间分布。
所述后向散射布置是将CMOS相机和组合激光器放置在同一侧，即CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光，同时转动CMOS相机和组合激光器的角度，对不同角度进行拍摄，得到扬尘颗粒物在水平方向上的颗粒物浓度的分布。
所述侧向散射布置是将组合激光器与CMOS相机呈90°布置，所拍摄得到是通过扬尘颗粒物的明亮的光束，由于相机视场的关系，所拍摄的是不同角度下的散射光强，进而得到扬尘颗粒物浓度的水平分布。
所述散射理论是利用Mie散射理论中建立在平面电磁波入射到球形颗粒这种特殊情况下的麦克斯韦方程组的解析解。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明依靠组合激光器和CMOS相机，可以实现全天候连续扫描，解决仪器监测数据可靠性的问题；实时获得现场扬尘颗粒物的空间分布情况，结合港口扬尘颗粒物的属性特点和散射理论，获得颗粒物的浓度空间分布；多波段光散射图像法可以有效降低受环境因素影响，提高数据准确度。
附图说明
图1是本发明港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法流程图；
图2是后向散射布置示意图；
图3是侧向散射布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法，是基于多波段图像法的光散射扫测测量方法，这种测量方法受环境因素影响较小，而且操作简单，具体实现过程如下：
第一步：在港口堆场无组织排放源上空位置架设多波段组合激光器和CMOS相机，依据现场实际情况，组合激光器和CMOS相机按照位置分布，可以采用后向散射布置或侧向散射布置的布置方式。利用组合激光器和CMOS相机对港口无组织排放源产生的扬尘颗粒物浓度进行空间分布成像。其中，所述后向散射布置是将CMOS相机和组合激光器放置在同一侧，如图2所示。所述侧向散射布置是将组合激光器与CMOS相机呈90°左右布置，如图3所示。
第二步：组合激光器向港口无组织排放源产生的扬尘颗粒物构成的立体空间发射激光扫描光束，CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光或通过扬尘颗粒物的明亮的光束，拍摄得到扬尘颗粒物的灰度值矩阵图片，利用灰度值矩阵得到颗粒物浓度信息。
其中，所述组合激光器和CMOS相机采用后向散射布置时，CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光，这种布置方式的优点是结构较为简单，操作也比较简单，同时转动CMOS相机和组合激光器的角度，对不同角度进行拍摄，可以得到扬尘颗粒物在水平方向上的颗粒物浓度的分布。所述组合激光器和CMOS相机采用侧向散射布置时，CMOS相机所拍摄得到的是若干条通过扬尘颗粒物的明亮的光束。由于相机视场的关系，所拍摄的是多个不同角度下的散射光强，进而也可以得到扬尘颗粒物浓度的水平分布，颗粒物因激光照射而散射的光强，在照片上形成灰度值矩阵。
CMOS相机接收到的散射光强与颗粒物质量浓度具有一定的代数关系，多波段散射图像采集，每个波段均可以得到一个颗粒物浓度值，将各波段的瞬时浓度值进行平均化，即可得到最终的瞬时浓度值。
根据麦克斯韦电磁场理论，原始入射光线通过某一介质时，在光的作用下组成物质的分子和原子会发生极化现象，并朝各个方向发出与入射光相同的频率次波。当介质中存在不均匀区，例如介质中有颗粒时，破坏了介质均匀性，同时也破坏了次波干涉的均匀性，这种由于颗粒物质而引起的入射光的散射，称为亨达尔散射，其散射光的强度分布与散射颗粒的大小、相对折射率及颗粒物浓度有关。
CCD(CMOS)内部结构排列许多光电二极管，能够感应光线，并且将光信号转变成电信号，再转换为数字图像信号，利用CMOS相机作为散射光强的接收装置，通过调节相机曝光时间使得图像不趋于饱和，那么图片上的灰度值矩阵即代表所接收到的散射光强，利用灰度值矩阵即可得到所需要的浓度信息。
第三步：通过散射理论，求得扬尘颗粒物浓度的空间分布。
所述散射理论是利用Mie散射理论中建立在平面电磁波入射到球形颗粒这种特殊情况下的麦克斯韦方程组的解析解。
在扬尘排放中，颗粒物粒径比较小，属于微米级，颗粒的散射光属于不相关单散射，即颗粒物总散射光强是每个颗粒散射光强的叠加。当颗粒物的数目浓度为N，有
Figure BDA0002517473350000041
式中，Is为颗粒的总散射光强，I0为入射光强，θ为散射角，λ为波长，r为散射光观察点与散射颗粒的距离，i1(θ)和i2(θ)为光散射强度函数，分别与振幅函数S1和S2的关系，球形颗粒物的数目浓度N与质量浓度C有如下关系
Figure BDA0002517473350000042
式中，ρ为颗粒的密度，d为颗粒直径，则有
Figure BDA0002517473350000043
在实际测量中，对于某一散射角θ，入射光波长λ、入射光强度I0、颗粒相对周围介质的折射率m、散射光观察点与散射颗粒的距离为r、颗粒直径d均为固定值。可以定义
Figure BDA0002517473350000044
G∝IS＝K·C (5)
上式中，K为比例系数。易得CMOS相机的响应G与颗粒质量浓度C成正比。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，还可以提出很多形式，根据此方法设计和研发的测量系统及应用产品，均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法，其特征在于，包括以下过程：
第一步：在港口堆场无组织排放源上空位置架设多波段组合激光器和CMOS相机，采用后向散射布置或侧向散射布置方式；
第二步：组合激光器向港口无组织排放源产生的扬尘颗粒物构成的立体空间发射激光扫描光束，CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光或通过扬尘颗粒物的明亮的光束，拍摄得到扬尘颗粒物的灰度值矩阵图片，利用灰度值矩阵得到颗粒物浓度信息；
第三步：通过散射理论，求得扬尘颗粒物浓度的空间分布。
2.根据权利要求1所述的港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法，其特征在于，所述后向散射布置是将CMOS相机和组合激光器放置在同一侧，即CMOS相机接收到的是扬尘颗粒物的后向散射光，同时转动CMOS相机和组合激光器的角度，对不同角度进行拍摄，得到扬尘颗粒物在水平方向上的颗粒物浓度的分布。
3.根据权利要求1所述的港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法，其特征在于，所述侧向散射布置是将组合激光器与CMOS相机呈90°布置，所拍摄得到是通过扬尘颗粒物的明亮的光束，由于相机视场的关系，所拍摄的是不同角度下的散射光强，进而得到扬尘颗粒物浓度的水平分布。
4.根据权利要求1所述的港口扬尘颗粒物浓度空间分布实测方法，其特征在于，所述散射理论是利用Mie散射理论中建立在平面电磁波入射到球形颗粒这种特殊情况下的麦克斯韦方程组的解析解。
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