一种二氧化硫快速定量成像测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学遥感测量领域，尤其涉及一种二氧化硫快速定量成像测量装置及方法。

背景技术

二氧化硫是一种主要的大气污染气体。目前，二氧化硫的主要人为排放源是燃煤排放、工业生产等，二氧化硫排放导致的环境问题日益严重。因此需要一种高时间空间分辨率的针对二氧化硫的快速定量成像测量装置。这将有助于我们快速定位二氧化硫排放源，并获取二氧化硫实时柱浓度以及排放通量等重要信息，从而更好地治理二氧化硫排放带来的环境污染问题。

目前，对二氧化硫的成像测量方法主要有“成像差分吸收光谱法(I-DOAS)”和“二氧化硫相机”两种方法。

“I-DOAS方法”采用DOAS原理，通过推扫成像同时获取二位的空间信息和光谱信息，再通过DOAS原理反演气体浓度。使用该方法扫描成像，扫描速度较慢，无法实时成像，同时仪器结构复杂，成本较高。

“二氧化硫相机”依据非色散成像原理，采用两个光谱通道差分成像，其中一个通道选用中心波长310nm、半高宽10nm的紫外窄带滤光片测量二氧化硫光谱吸收区域，另个一通道采用中心波长330nm、半高宽10nm的紫外窄带滤光片用于消除气溶胶等干扰。该方法中，由于需要采集两个通道的图像，二氧化硫相机一般采用“切换滤光片方式”或“双相机系统方式”采集两通道图像。其中，采用切换滤光片方式需要设计专门的滤光片切换结构，且滤光片切换过程中会消耗时间，无法保证两通道图像时间一致性。而采用双相机系统的二氧化硫相机成本较高，两相机可以同时采集图像但两相机视场难以统一，需要在图片处理进行图像匹配。并且，两相机的系统误差不同，会影响测量精度。

因此，目前急需研究出一种更高时间空间分辨率的二氧化硫成像测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种二氧化硫快速定量成像测量装置及方法。该装置结合二氧化硫紫外差分成像测量方法和分像素的多光谱成像方法，形成一种针对二氧化硫的分像素差分快速成像方法。该方法有效的解决了现有二氧化硫成像测量方法无法做到多光谱通道同步测量以及双相机系统无法获得统一视场角图像的问题。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种二氧化硫快速定量成像测量装置，包括：

二氧化硫气室，所述二氧化硫气室用于标定二氧化硫柱浓度；

紫外相机，所述紫外相机位于所述二氧化硫气室的后方，包括相机本体和紫外相机镜头；所述紫外相机镜头安装在相机本体上，且朝向所述二氧化硫气室所在方向；

焦平面滤光片阵列，所述焦平面滤光片阵列设置在所述紫外相机的焦平面处，其上交替排布有第一窄带滤光片与第二窄带滤光片；

计算机，所述计算机与所述紫外相机相连，用于处理图片数据并反演二氧化硫浓度；

显示屏，所述显示屏连接所述计算机，用于实时显示处理后的二氧化硫浓度信息。

作为本发明的优选方式之一，所述二氧化硫气室的两端为熔石英玻璃，可透过300nm以上的紫外光。

作为本发明的优选方式之一，所述二氧化硫气室完全覆盖紫外相机视场角；并且，所述二氧化硫气室中封有已知浓度的标准二氧化硫样气，用于标定二氧化硫柱浓度。

作为本发明的优选方式之一，所述紫外相机中的感光芯片对300-340nm的紫外光有响应，且在此波段量子效率较高。

作为本发明的优选方式之一，所述紫外相机上的紫外相机镜头对300-340nm的紫外光进行成像，且成像质量较好。

作为本发明的优选方式之一，所述焦平面滤光片阵列中，第一窄带滤光片的中心波长310nm、半高宽10nm，第二窄带滤光片的中心波长330nm、半高宽10nm。

作为本发明的优选方式之一，所述焦平面滤光片阵列的具体阵列尺寸根据相机像素大小进行确定。

一种二氧化硫快速定量成像测量方法，包括如下步骤：

(1)使用所述二氧化硫气室对成像系统进行标定，将二氧化硫气室放置于紫外相机镜头前，使二氧化硫气室覆盖相机视场，拍摄获取已知二氧化硫柱浓度所对应的表观吸光度；

(2)使用最小二乘法线性拟合获取图片表观吸光度与二氧化硫柱浓度之间标定曲线；

(3)将所述紫外相机镜头对准二氧化硫烟羽区域，拍摄二氧化硫羽流图片，所述计算机直接获取未处理图像数据；

(4)使用数字图像处理方法间隔读取原始图像像素，将原始图像拆分为两通道图像，分别获取通过所述焦平面滤光片阵列中310nm滤光片区域的图片I

(5)根据二像法原理，使用将图片I

(6)所述计算机根据紫外差分成像算法对图像数据进行处理，并根据以下公式计算二氧化硫表观吸光度AA；

式中，AA为计算所得二氧化硫表观吸光度，τ

(7)结合上述步骤(2)中所得标定曲线，由表观吸光度计算得到二氧化硫空间二维柱浓度数据；

(8)所述的显示屏与所述计算机相连，用于显示处理所得二氧化硫浓度空间分布及处理过程中部分图像；

(9)重复上述步骤(2)-(8)实时获取二氧化硫浓度空间分布信息，每隔一段时间重复步骤(1)对相机系统进行标定，以消除光强变化带来的误差。

本发明相比现有技术的优点在于：本发明采用焦平面滤光片阵列作为分光器件，使用二像法拟合背景图像，实现一次成像测量二氧化硫柱浓度空间分布；本发明仪器结构简单，操作便捷，集成度高，解决了紫外差分成像多光谱通道无法实时采集以及多通道间视场不一致的问题，实现了针对二氧化硫实时快速成像定量测量。

附图说明

图1是实施例1中二氧化硫快速定量成像测量装置的原理图；

图2是实施例1中焦平面滤光片阵列的结构示意图。

图中：1为二氧化硫气室，2为紫外相机，21为相机本体，22为紫外相机镜头，3为焦平面滤光片阵列，31为第一窄带滤光片，32为第二窄带滤光片，4为计算机，5为显示屏，6为二氧化硫烟羽区域。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-2所示，本实施例的一种二氧化硫快速定量成像测量装置，包括二氧化硫气室1、紫外相机2、焦平面滤光片阵列3、计算机4和显示屏5。其中，二氧化硫气室1用于标定二氧化硫柱浓度。紫外相机2位于二氧化硫气室1的后方，包括相机本体21和紫外相机镜头22；紫外相机镜头22安装在相机本体21上，且朝向二氧化硫气室1所在方向。焦平面滤光片阵列3设置在紫外相机2的焦平面处，其上交替排布有第一窄带滤光片31与第二窄带滤光片32，阵列尺寸由相机像素大小决定。计算机4与紫外相机2相连，用于处理图片数据并反演二氧化硫浓度。显示屏5连接计算机4，用于实时显示处理后的二氧化硫浓度信息。

进一步地，在本实施例中，二氧化硫气室1的两端为熔石英玻璃，可透过300nm以上的紫外光。同时，二氧化硫气室1的端面直径大于紫外相机镜头22的直径，且其中封有已知浓度的标准二氧化硫样气，从而用于标定二氧化硫柱浓度。

进一步地，在本实施例中，紫外相机2中的感光芯片对300-340nm的紫外光有响应，且在此波段量子效率较高。相应地，紫外相机2上的紫外相机镜头22对300-340nm的紫外光进行成像，且成像质量较好。

进一步地，在本实施例中，焦平面滤光片阵列3中，第一窄带滤光片31的中心波长310nm、半高宽10nm，第二窄带滤光片32的中心波长330nm、半高宽10nm。

实施例2

本实施例的一种二氧化硫快速定量成像测量方法，使用实施例1中成像装置，且参阅图1和图2，包括如下步骤：

(1)使用二氧化硫气室1对成像系统进行标定，将二氧化硫气室1放置于紫外相机镜头22前，使二氧化硫气室1覆盖相机视场，拍摄获取已知二氧化硫柱浓度所对应的表观吸光度；

(2)使用最小二乘法线性拟合获取图片表观吸光度与二氧化硫柱浓度之间标定曲线；

(3)将紫外相机镜头22对准二氧化硫烟羽区域6，拍摄二氧化硫羽流图片，计算机4直接获取未处理图像数据；

(4)使用数字图像处理方法间隔读取原始图像像素，将原始图像拆分为两通道图像，分别获取通过焦平面滤光片阵列3中第一窄带滤光片31区域(即，310nm滤光片区域)的图片I

(5)根据二像法原理，使用将图片I

(6)计算机4根据紫外差分成像算法对图像数据进行处理，并根据以下公式计算二氧化硫表观吸光度AA；

式中，AA为计算所得二氧化硫表观吸光度，τ

(7)结合上述步骤(2)中所得标定曲线，由表观吸光度计算得到二氧化硫空间二维柱浓度数据；

(8)显示屏5与计算机4相连，用于显示处理所得二氧化硫浓度空间分布及处理过程中部分图像；

(9)重复上述步骤(2)-(8)实时获取二氧化硫浓度空间分布信息，每隔一段时间重复步骤(1)对相机系统进行标定，以消除光强变化带来的误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。