环境风洞污染气体浓度场测量方法技术

本发明专利技术公开一种环境风洞污染气体浓度场测量方法，涉及环保技术领域；所述测量方法使用的环境风洞污染气体浓度场测量装置包括环境风洞、用于所述环境风洞照射的激光器和片光装置、光谱响应特性与所述激光器激光波长相匹配的用于所述环境风洞中污染气体浓度数据采集的数字摄像机、连接所述数字摄像机的用于所述环境风洞的数字图像采集、显示、处理的计算机；本发明专利技术的浓度场测量方法是用激光片光源照射污染气体扩散场，用数字摄像机采集烟雾粒子的散斑图像，通过数字图像处理技术获得污染气体相对数量浓度场；本发明专利技术的浓度场测量方法能在环境风洞中进行大范围污染气体瞬时浓度场的测量，能得到污染气体瞬时浓度分布及其随时间的变化史。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环保技术，特别是涉及一种环境保护技术中环境风洞污染气体浓度场的测量技术。
技术介绍
随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，能源消耗不断增加，污染排放也相应增加。由于零污染排放很难做到，因此，尽可能地减少污染排放、合理规划和布局以及环境治理成为当务之急。在我国现有的能源、技术和经济条件限制下，仅靠对污染物本身的治理不能完全解决大气污染问题；污染物在大气中的扩散还受气象条件支配，不同的气象条件，同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍。因此，利用气象条件制约污染源活动便成为防治污染的现实、有效途径之一，而污染扩散规律的研究是其中的关键。环境污染扩散的机理研究，需要大范围、非定常污染扩散浓度场的瞬时信息，实验测量获得的瞬时浓度场不但能够直接用于研究非定常、不稳定、急剧分离流动情况下污染扩散的机理，还能为数值计算、环境规划等提供充足的数据。目前，在环境风洞污染气体浓度场测量中，还没有比较理想的测量方法。污染物对流扩散研究，无论采用什么研究方法，都希望得到污染扩散的浓度，特别希望得到瞬时浓度分布及其随时间的变化史。在环境风洞污染气体浓度测量中，现有的方法一般是测量单点(如单点采样测量)、有限点(如多点采样测量)、或小区域(一般只有几个厘米，测量面积为10-4m2量级，采用的是激光诱导荧光、激光分子流场检测技术等新一代流动显示技术)。环境风洞一般是低速(风速小于10m/s)、大尺寸(试验段截面在1m2以上)风洞。由于测量方法本身的限制，浓度的单点或有限点测量只能提供流场中有限的浓度数据；另外，测量探头的存在会对流体流动产生某种程度的干扰，而且，现有的小区域浓度测量方法也无法在环境风洞中进行大范围浓度场的测量。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能进行大范围浓度场测量的，能得到污染气体瞬时浓度分布及其随时间的变化史的。为了解决上述技术问题，本专利技术所提供的一种，其特征在于，所述浓度场测量方法使用的环境风洞污染气体浓度场测量装置包括环境风洞、用于所述环境风洞照射的激光器和片光装置、光谱响应特性与所述激光器激光波长相匹配的用于所述环境风洞中污染气体浓度数据采集的数字摄像机、连接所述数字摄像机的用于所述环境风洞的数字图像采集、显示、处理的计算机；本专利技术的是用光源照射污染气体扩散场，用数字摄像机采集烟雾粒子的散斑图像，通过数字图像处理技术获得数量浓度场，数量浓度是指单位体积内烟雾粒子的数量；浓度场测量方法的测量步骤如下1)首先利用标准粒子(大小均匀、在水中不溶解、不沉降)进行系统标定，确定测量误差；2)在环境风洞中释放模拟污染气体，控制污染气体量；3)利用激光片光照射需要测量的区域；4)调整数字参数(通过软件实时调整)，使得图像达到最佳；5)实时进行图像采集和存储；6)通过数字图像处理软件，得到大范围污染气体的浓度场及其随时间变化，浓度的统计关系等。在浓度场测量方法的步骤6)中，当用连续激光片光照射时，单个烟雾粒子的平均曝光量ϵ‾=λ2Pδt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩπ3(M2dp2+2.442(1+M)2f#2λ2)ΔyΔz]]>式中，i1(θ)、i2(θ)为强度函数，是散射振幅函数S1(θ)、S2(θ)模的平方；d为散射粒子的直径；λ为入射光的波长；Ω为数字镜头的立体角；M为成像系统的放大倍数；f#为成像系统透镜的孔径比，即光圈数；片光厚度为Δz，则在片光区域Δy×Δz；光器的功率为P，曝光时间为δt；对于连续激光器，在曝光时间内，散斑图像的平均曝光量满足⟨ϵ‾⟩=C(x→i)ΔzM21k2∫I0dt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ]]>=C(x→i)M2PδtΔy1k2∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩ>Kϵ0]]>式中， 为片光面上 点处的数量浓度，k＝2π/λ，K为常数，ε0为胶片或光电成像设备的最低感光量；当测量区域、曝光时间、成像参数和烟雾粒子尺寸确定后，无论采用脉冲激光器还是连续激光器，散斑的平均曝光量与烟雾粒子的数量都成线性函数关系，即⟨ϵ‾⟩∝C(x→i)]]>在曝光特性曲线的中间区域，数字图像的灰度与烟雾粒子散斑强度有较好的线性关系，从而数字图像的灰度与烟雾粒子的数量浓度也存在近似线性关系G∝K⟨I‾(X→i,t)⟩=K1C(x→i)]]>式中，G为图像灰度，K、K1为常数， 为烟雾粒子i在像平面上的平均光强， 为像平面上烟雾粒子i的坐标矢量，t为时间。这样就建立了测量区域、粒子大小、激光功率、粒子散射特性以及数字摄像机特性相互影响之间的关系。利用本专利技术提供的，由于采用利用粒子散射、散斑统计特性和数字图像处理技术，创新性地提出了粒子散斑成像和数字图像处理技术相结合的瞬时浓度场测量方法。在满足近似不相关单散射假设的基础上，从统计意义上建立污染气体粒子的相对数量浓度与散斑强度之间的线性关系；建立数字图像灰度与污染气体粒子的相对数量浓度之间的近似线性关系，从而克服了现有方法中单点、有限点或小区域的测量方法本身限制所带来的缺点，并能进行大范围污染气体浓度场的测量，能得到污染气体瞬时浓度分布及其随时间的变化史。附图说明图1是本专利技术实施例的浓度场测量系统的面向计算机内存的图像测量结构的原理框图；图2是本专利技术实施例的浓度场测量系统的硬件组成示意框图；图3是本专利技术的的基本原理成像示意图。具体实施例方式以下结合附图说明对本专利技术的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本专利技术，凡是采用本专利技术的相似结构、相似方法及其相似变化，均应列入本专利技术的保护范围。本专利技术所提供的一种所使用的测量系统的结构，包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分是实现图像采集和记录，软件部分是实现采集过程中的控制以及测量后的数据处理。浓度场测量系统的面向计算机内存的图像测量结构的原理如图1所示，由摄像机经图像数字化模块、微机接口模块、微机内存模块连接微机显示模块。1)浓度场测量系统的硬件部分光学成像设备，工业数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环境风洞污染气体浓度场测量方法，其特征在于，所述浓度场测量方法使用的环境风洞污染气体浓度场测量装置包括环境风洞、用于所述环境风洞污染气体照射的激光器和片光装置、光谱响应特性与所述激光器激光波长相匹配的用于所述环境风洞中污染气体浓度数据采集的数字摄像机、连接所述数字摄像机的用于所述环境风洞的数字图像采集、显示、处理的计算机；环境风洞污染气体浓度场测量方法的测量步骤如下：１）首先利用标准粒子进行测量系统的标定，确定测量误差；２）在环境风洞中释放特定的模 拟污染气体，并控制污染气体量；３）利用激光片光照射需要测量的污染气体扩散场区域；４）调整数字摄像机参数，使得图像达到最佳；５）用数字摄像机实时进行烟雾粒子的散斑图像的采集和存储；６）通过数字图像处理软件，得到 大范围污染气体的浓度场及其随时间变化，浓度的统计关系。

【技术特征摘要】
1.一种环境风洞污染气体浓度场测量方法，其特征在于，所述浓度场测量方法使用的环境风洞污染气体浓度场测量装置包括环境风洞、用于所述环境风洞污染气体照射的激光器和片光装置、光谱响应特性与所述激光器激光波长相匹配的用于所述环境风洞中污染气体浓度数据采集的数字摄像机、连接所述数字摄像机的用于所述环境风洞的数字图像采集、显示、处理的计算机；环境风洞污染气体浓度场测量方法的测量步骤如下1)首先利用标准粒子进行测量系统的标定，确定测量误差；2)在环境风洞中释放特定的模拟污染气体，并控制污染气体量；3)利用激光片光照射需要测量的污染气体扩散场区域；4)调整数字摄像机参数，使得图像达到最佳；5)用数字摄像机实时进行烟雾粒子的散斑图像的采集和存储；6)通过数字图像处理软件，得到大范围污染气体的浓度场及其随时间变化，浓度的统计关系。2.根据权利要求1所述的环境风洞污染气体浓度场测量方法，其特征是，在所述步骤6)中，当连续激光照时，单个烟雾粒子的平均曝光量ϵ‾=λ2Pδt∫Ω(i1(θ)+i2(θ))dΩπ3(M2dp2+2.442(1+M)2f#2λ2)ΔyΔz]]>式中，i1(θ)、i2(θ)为强度函数，是散射振幅函数S1(θ)、S2(θ)模的平方；d为散射粒子的直径；λ为入射光的波长；Ω为CCD镜头的立体角；M为成像系统的放大倍数；f#为成像系统透镜的孔径比，即光圈数；片光厚度为Δz，则在片光区域Δy×Δz；光器的功率为P，曝光时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢曦，李宋，吴文权，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]