基于光学成像的大气颗粒物浓度测量方法研究

　　1　引　　言

　　大气颗粒物也称为气溶胶,是直径为10-3μm的分子团到102μm的云滴和尘粒。各种颗粒物的粒径范围参见图1[1]。颗粒物的浓度决定了空气能见度和质量。传统的测量方法采用现场采样后在实验室条件下进行仪器分析测试,不仅速度慢、周期长,而且由于大粒径的颗粒物会有沉降,小粒径的分子团有吸附作用而导致检测结果出现误差。近年来,由SO2、NOx等气态物转化来的颗粒物,主要是非常小的粒子,称为二次源在增加。微小颗粒物难以通过物理方法过滤,能直接进入人体呼吸道,甚至直接穿透人体器官屏障进入血液,形成比传统颗粒物危害更大的因素。

　　2　光学检测大气悬浮物的工作原理

　　绘画的透视理论认为,远方的物体较明亮。物理学中的瑞利散射(Rayleigh scattering)表明,光线通过空气后会产生散射和改变行进方向;远方物体前后空气中的气溶胶在光照下会产生前向干扰,这些均会使远方物体模糊化。例如,在水中滴入微量松香酒精溶液,即在水中形成松香微粒分布。图2给出直接用632·8nm红色He2Ne激光或650 nm的红色半导体激光照射含松香微粒的液体形成瑞利散射实验,除形成中心直射的激光光斑之外,还可见到逐渐变暗、并具有激光散斑特征的照明区域。同样透过微晶玻璃看到的物体总带有模糊感。按惠更斯原理,传播中波前形成新的子波,但在气溶胶中经多次碰撞后这些子波的固定相位遭到破坏[2]。从发射点到接收点成像的子波可能存在多个不确定的光程差。利用大气颗粒物散射造成的图像模糊,可以间接测量大气悬浮物的浓度。

　　3　测量大气悬浮物的实现方法

　　3·1　基本测量方法

　　f=7·5 cm镜头的成像对象超过20 m时,镜头调焦到∞(无穷远)处;f=5 cm,须超过29 m[3]。数码摄像机直接对周围环境成像,采用直接自动曝光,提取数码图片。被摄景物会随距离、照明光线角度和气溶胶浓度产生明暗变化,图像的区域频谱分布会随清晰度变化;图像的边界是高频成份集中区,当清晰度降低,边界的高次谐波消失,只剩下低次谐波,甚至只有基频成份.

　　3·2　主要参照物距离测定

　　测定参照物距离可根据预先测定的物体距离,作为测量气溶胶计算参数。另一较可靠的方法可根据照片上物体的尺寸或高度,通过相似三角形计算出距离来,如图3所示。

　　例如高层商务楼的层高3·3~3·5 m,若选取10层的高度ΔH=33~35 m。根据数码图像对应的像素值Δh和镜头焦距f可求出物体距离d。根据透镜成像公式:

　　当物距d→∞,i→f。根据数码图片上的Δh像素值可获得成像的真实距离———从CCD或CMOS数码相机的像素X·Y(pixels)和器件尺寸(若以线度计,多数器件可按长4,宽3,对角线5的比例计算),求得:Y(pixels)/CCD高度(单位pixels/cm),结果Δh可换算成长度单位。现代数码相机成像后,在其jpg文件头中包含曝光时间、曝光光圈、感光度ISO、镜头焦距f以及拍摄时间(可在Windows XP下查到)。