CN111579449A - 一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法和装置，预警方法通过在某一时间以某个角度发射光信号，接收反射回来的反射光信号；根据反射光信号的光强，计算反射光信号的反射点与发射点的实际距离；计算每个像素位置的光强差值百分比，得到光强峰值；根据光强，拟合当前时空的背景基线光强；计算实际光强与基线光强的比值，计算某一位置的颗粒物浓度。本申请的方法，通过以一定频率与角度对大气进行光学扫描，采集大气颗粒物的反向散射光强，从而实现对大气颗粒物的实时准确检测，为大气管控提供可靠依据。本申请的装置用于实现本申请的方法。

Description

一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法和装置

技术领域

本发明涉及大气污染检测技术领域，尤其是涉及一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法和装置。

背景技术

目前，通过在地面上不同地点设定检测点，形成地面检测网点，来检测大气颗粒污染物，而这种检测方法，只能检测网点附近的大气颗粒污染物浓度分布，对于远离检测网点的就不能得到检测；同时这种检测采用计算模型来进行计算，对大气颗粒污染物的分布进行预测，预测结题并不是实时数据，准确性与实时性较差。

如何实时获取大气颗粒污染物空间浓度分布，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时获取大气颗粒污染物空间浓度分布的方法和装置，以一定频率，采用光学扫描快速探测大气颗粒污染物空间浓度分布情况，获得大气颗粒污染物的实时数据，实现了对大气颗粒污染物的准确检测，为大气治理提供实时依据。

本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法，包括以下步骤：

S1、发射光信号，接收反射回来的反射光信号；

S2、根据反射光信号的光强，计算反射光信号的反射点与发射点的实际距离；

S3、计算每个像素位置的光强差值百分比，得到光强峰值；

S4、根据光强，拟合当前时空的背景基线光强；

S5、计算实际光强与基线光强的比值，计算某一位置的颗粒物浓度。

本发明进一步设置为：步骤S1中，在检测点，某一时刻以某个角度发射一束光，接收反射光信号。

本发明进一步设置为：步骤S2中，包括以下步骤：

A1、获取像素点与实际距离之间的关系；

A2、获取像素点处光强与实际距离之间的关系。

本发明进一步设置为：以像素点记录光路上某个位置大气颗粒物的反射光，像素位置p_i与实际距离Z_i之间的关系如下式表示：

式中，Θ表示像面相对于成像透镜的倾角，Φ表示接收望远镜的观测角，L表示接收望远镜与发射望远镜光轴之间的间隔，p_i表示实际距离Z_i上颗粒物后向散射信号形成的像素单元，对应像素单元在成像平面上的位置；

p_i像素点对应的光强为Q_i,即实际距离Z_i上的颗粒物产生的后向散射信号的光强为Q_i，

像素位置集合为P＝[……,p_i-1,p_i,p_i+1,……]，i∈N₊；与之对应的离散的距离值的集合为Z＝[……,Z_i-1,Z_i,Z_i+1,……]，i∈N₊；相应的光强值的集合为Q＝[……,Q_i-1,Q_i,Q_i+1,……]，i∈N₊；

线性拟合光强集Q与实际距离集Z，得到光强与实际距离第一曲线。

本发明进一步设置为：计算光强Q_i的差值百分比d_i：

将像素i处的差值百分比与差值百分比阈值d进行比较，若d_i大于差值百分比阈值d，则判断光强Q_i为一个峰值，记为

所有光强峰值的集合

i∈N₊，(i-k)∈N₊，(i+m)∈N₊。

本发明进一步设置为：从光强集Q中剔除光强峰值集

得到新的基线光强集

且i∈N₊，(i-k)∈N₊，(i+m)∈N₊，

线性拟合光强集

与实际距离集Z，得到光强与实际距离第二曲线，将第二曲线作为当前时空的背景基线。

本发明进一步设置为：计算第i个像素位置实际光强Q_i与背景光强

的比值D_i,并计算该像素位置对应的实际距离Z_i处的颗粒物浓度c_i：

其中，距离位于检测点Z₀处，国家监测站监测到的颗粒物浓度c₀，计算得到对应的比值为D₀。

本发明的上述发明目的还通过以下技术方案得以实现：

一种大气颗粒污染物空间扫描预警装置，包括光发射装置、光接收装置、计算中心，光发射装置用于在某一时刻，以某一角度发射一束光线，光接收装置用于接收所述光线反射到光接收装置上的光，光接收装置包括透镜、光接收板；发射光束的物面经透镜的镜面后投射到光接收板的镜面上，计算中心用于根据光接收板上各像素位置接收到的光信号强度，计算各像素对应的实际距离处的颗粒物浓度。

本发明进一步设置为：包括层析仪，层析仪包括所述光发射装置、光接收装置、数据采集和控制模块，数据采集和控制模块分别与光发射装置、光接收装置连接，控制光发射装置的发射时间与发射光角度，采集光接收装置传输的光接收信息，并根据光接收信息计算大气颗粒污染物空间分布情况。

本发明进一步设置为：所述计算中心包括存储器、计算器，所述存储器中存储有能够被计算器加载并执行的如权利要求1-8任意一项所述方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

1.本申请的方法，通过以一定频率与角度对大气进行光学扫描，采集大气颗粒物的反向散射光强，从而实现对大气颗粒物的实时准确检测，为大气管控提供可靠依据；

2.进一步地，本申请的方法，通过沙氏原理，检测大气颗粒物的反向散射光强，每个像素点的光强对应空间中某一位置的颗粒物浓度分布，从而实现对空间大气颗粒物的实时检测；

3.进一步地，本申请的方法，通过滤除峰值的方法，计算背景基线光强，排除了离散度大的数据，提高了计算的准确度；

4.进一步地，本申请的方法，通过采用线性拟合，实现了数据的均匀性，为准确计算提供保证；

5.进一步地，本申请的方法，以国家公布数据为依据，按比例计算空间各位置的大气颗粒污染物数据，提高了检测精度；

6.本申请的装置，通过光发射装置发射激光束，光接收装置接收反射散射回来的光强信息，计算中心通过对光强信息的计算，获得大气颗粒污染物的空间浓度分布实时数据，实现了对大气颗粒污染物的实时精确检测，为大气治理提供依据。

附图说明

图1是沙氏成像原理图；

图2是本发明的一个具体实施例的预测方法流程示意图；

图3是本发明的一个具体实施例的预测装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

对于一个成像系统，当成像系统的物面与透镜不平行的时候，只要像面、物面以及透镜所在平面三者相交于一条直线，则依然可以对物面成清晰的像，并且成像系统将具备无穷远景深。这就是沙氏成像原理，其原理示意图如图1所示，光发射装置发射一束光，光束形成成像的物面，在光路上的每一点形成反射散射，经过透镜后，投影到图像接受器上，图像接受器上每一个像素点的光强对应物面上每一个点的光反射强度，像素点与距离成一一对应的关系，每个像素点的强度与反射点的光反射强度有关。

基于沙氏成像原理，本申请通过检测像素点的光强，对应计算出相应位置处的颗粒物浓度。

具体实施例一

本发明的一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、发射光信号，接收反射回来的反射光信号；

S2、根据反射光信号的光强，计算反射光信号的反射点与发射点的实际距离；

S3、计算每个像素位置的光强差值百分比，得到光强峰值；

S4、根据光强，拟合当前时空的背景基线光强；

S5、计算实际光强与基线光强的比值，计算某一位置的颗粒物浓度。

在检测点，某一时刻以某个角度发射一束光，接收反射光信号，如图3所示。

发射出的激光束经过光处理后沿物面发射，在光路上遇到大气颗粒物后，会被大气颗粒污染物散射，散射光线经过透镜后投射到光接收装置的表面，在光接收装置上形成像素点，每个像素点与光路上不同位置的颗粒物位置一一对应，每个像素点的光强对应颗粒物的浓度。

光路运行过程中，在某一处遭遇颗粒物，光强发生改变，此时光路运行的路径即为颗粒物距离观测原点的距离，称之为实际距离Z_i，该点通过沙氏成像后在镜面上投射到距离像素原点O为p_i的像素上，换言之，像素索引为i的像素p_i是由实际距离Z_i上的颗粒后向散射信号形成的，因此可把p_i像素上检测到的光强大小设为Q_i，即实际距离Z_i上的后向散射信号的光强为Q_i。

像素位置p_i与实际距离Z_i之间的关系如下式表示：

其中，Θ表示像面相对于成像透镜的倾角，Φ表示接收望远镜的观测角，L表示接收望远镜与发射望远镜光轴之间的间隔，p_i表示实际距离Z_i上颗粒物后向散射信号形成的像素单元，对应像素单元在成像平面上的位置。

图3中，f表示接收望远镜的焦距。

式中，p_i表示像素单元在成像平面上的位置，N_p表示总像素个数，n_p表示每个像素元的索引，ω_p表示像素大小。

像素位置集合为P＝[……,p_i-1,p_i,p_i+1,……]，i∈N₊；与之对应的离散的距离值的集合为Z＝[……,Z_i-1,Z_i,Z_i+1,……]，i∈N₊；相应的光强值的集合为Q＝[……,Q_i-1,Q_i,Q_i+1,……]，i∈N₊；

线性拟合光强集Q与实际距离集Z，得到光强与实际距离第一曲线。

计算光强Q_i的差值百分比d_i：

将像素i处的差值百分比与差值百分比阈值d进行比较，若d_i大于差值百分比阈值d，则判断光强Q_i为一个峰值，记为

所有光强峰值的集合

i∈N₊，(i-k)∈N₊，(i+m)∈N₊。

从光强集Q中剔除光强峰值集

得到新的基线光强集

且i∈N₊，(i-k)∈N₊，(i+m)∈N₊，

此集合中的索引i值独立排列，且保持原序不变，即与前述的i对应。

线性再拟合光强集

与实际距离集Z，得到光强与实际距离第二曲线，将第二曲线作为当前时空的背景基线。

计算第i个像素位置实际光强Q_i与背景光强

的比值D_i,

设国家监测点位于检测点的某一角度，与检测点的距离Z₀处，国家监测站监测到其位置的大气颗粒物为浓度c₀。

采用本申请的方法，计算得到Z₀处的比值为D₀。

按照线性比例，则第i个像素位置对应的实际距离Z_i处的颗粒物浓度c_i：

经过以上计算，能够计算出光路上任意一点处的大气颗粒污染物浓度，改变光束发射角度，得到不同角度的大气颗粒污染物浓度，将不同角度的大气颗粒污染物浓度汇总，得到大气颗粒污染物的浓度实时值。

当获得某一位置的大气颗粒污染物的浓度，结合当地环境本底值，以本底值进行阈值设置，对某一位置、在某一时间段内持续超出阈值的情况，则发出报警，对报警区域进行重点管控。

具体实施例二

本申请的一种大气颗粒污染物空间扫描预警装置，如图3所示，包括激光器1、光接收装置3、计算中心(图3中未示出)，激光器1以脉冲方式发射激光束，激光束经过发射望远镜6进行光处理后，以光束2形式发射出来，光束2沿横向方向传播，在光传播路径上，大气中的颗粒污染物会对光束2产生向后散射，散射光线经过透镜4映射到光接收板5上，光接收装置3包括成像透镜4、光接收板5。

光路径上位置Z₀处的反射光经过接收望远镜4后，在光接收板上p₀处产生像素，以此像素点为原点，任意一位置Z_i处的反射光经过透镜4后，在光接收板上p_i处形成像素。

接收望远镜4与发射望远镜6之间的距离为L，Θ表示光接收板像面相对于成像透镜4的倾角，Φ表示接收望远镜的观测角。

本申请的预警装置，每15分钟能够完成一个扫描周期，每个周期生成一张污染图片，结合时空分布，展示大气颗粒污染物的时空分布情况，实现了对大气颗粒污染物的实时准确监测。

计算中心用于根据光接收板上各像素位置接收到的光信号强度，计算各像素对应的实际距离处的颗粒物浓度。计算中心包括存储器、计算器，所述存储器中存储有能够被计算器加载并执行的大气颗粒污染物空间扫描预警方法的计算机程序。

具体实施例三

本申请的一种大气颗粒污染物空间扫描预警装置，包括层析仪，层析仪中包括所述光发射装置、光接收装置、数据采集和控制模块、云台，光发射装置、光接收装置、数据采集和控制模块安装在云台上，数据采集和控制模块分别与光发射装置、光接收装置连接，控制光发射装置的发射时间与发射光角度，采集光接收装置传输的光接收信息，并根据光接收信息计算大气颗粒污染物空间分布情况。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、发射光信号，接收反射回来的反射光信号；

S2、根据反射光信号的光强，计算反射光信号的反射点与发射点的实际距离；

S3、计算每个像素位置的光强差值百分比，得到光强峰值；

S4、根据光强，拟合当前时空的背景基线光强；

S5、计算实际光强与基线光强的比值，计算某一位置的颗粒物浓度。

2.根据权利要求1所述大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，步骤S1中，在检测点，某一时刻以某个角度发射一束光，接收反射光信号。

3.根据权利要求1所述大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，步骤S2中，包括以下步骤：

A1、获取像素点与实际距离之间的关系；

A2、获取像素点处光强与实际距离之间的关系。

4.根据权利要求3所述大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，以像素点记录光路上某个位置大气颗粒物的反射光，像素位置p_i与实际距离Z_i之间的关系如下式表示：

式中，Θ表示像面相对于成像透镜的倾角，Φ表示接收望远镜的观测角，L表示接收望远镜与发射望远镜光轴之间的间隔，p_i表示实际距离Z_i上颗粒物后向散射信号形成的像素单元，对应像素单元在成像平面上的位置；

p_i像素点对应的光强为Q_i,即实际距离Z_i上的颗粒物产生的后向散射信号的光强为Q_i，

像素位置集合为P＝[……,p_i-1,p_i,p_i+1,……]，i∈N₊；与之对应的离散的距离值的集合为Z＝[……,Z_i-1,Z_i,Z_i+1,……]，i∈N₊；相应的光强值的集合为Q＝[……,Q_i-1,Q_i,Q_i+1,……]，i∈N₊；

线性拟合光强集Q与实际距离集Z，得到光强与实际距离第一曲线。

5.根据权利要求1所述大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，计算光强Q_i的差值百分比d_i：

将像素i处的差值百分比与差值百分比阈值d进行比较，若d_i大于差值百分比阈值d，则判断光强Q_i为一个峰值，记为

所有光强峰值的集合

6.根据权利要求5所述大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，从光强集Q中剔除光强峰值集

得到新的基线光强集

且i∈N₊，(i-k)∈N₊，(i+m)∈N₊，

线性拟合光强集

与实际距离集Z，得到光强与实际距离第二曲线，将第二曲线作为当前时空的背景基线。

7.根据权利要求6所述大气颗粒污染物空间扫描预警方法，其特征在于，计算第i个像素位置实际光强Q_i与背景光强

的比值D_i,并计算该像素位置对应的实际距离Z_i处的颗粒物浓度c_i：

其中，距离位于检测点Z₀处，国家监测站监测到的颗粒物浓度c₀，计算得到对应的比值为D₀。

8.一种大气颗粒污染物空间扫描预警装置，其特征在于，包括光发射装置、光接收装置、计算中心，光发射装置用于在某一时刻，以某一角度发射一束光线，光接收装置用于接收所述光线反射到光接收装置上的光，光接收装置包括透镜、光接收板；发射光束的物面经透镜的镜面后投射到光接收板的镜面上，计算中心用于根据光接收板上各像素位置接收到的光信号强度，计算各像素对应的实际距离处的颗粒物浓度。

9.根据权利要求8所述大气颗粒污染物空间扫描预警装置，其特征在于，包括层析仪，层析仪包括所述光发射装置、光接收装置、数据采集和控制模块，数据采集和控制模块分别与光发射装置、光接收装置连接，控制光发射装置的发射时间与发射光角度，采集光接收装置传输的光接收信息，并根据光接收信息计算大气颗粒污染物空间分布情况。

10.根据权利要求8所述大气颗粒污染物空间扫描预警装置，其特征在于，所述计算中心包括存储器、计算器，所述存储器中存储有能够被计算器加载并执行的如权利要求1-8任意一项所述方法的计算机程序。

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