城市室外能见度监测专用高清摄像系统关键技术研究

摘要

近些年来,一种特殊的天气“雾霾”在我国很多地区频频发生,且其频率与严重性有增加的趋势。雾霾天气下可吸入颗粒物及有害气体的含量超标,同时大气能见度很低。不仅会影响人们的身体健康和情绪,而且有可能引发交通事故等灾害,因此雾霾天气受到了全社会的广泛关注。
　　为实现城市大气能见度的全天候网络化监测,完善天津市的空气质量监测体系,课题针对基于数字图像法的城市大气能见度监测系统的关键技术展开研究,具体完成以下工作:
　　1.设计基于FPGA的高清数字图像采集系统的方案,完成了图像传感器选型、FPGA器件的选型、USB接口芯片的选型,电路设计、PCB制板、焊接及调试。
　　2.基于图像法计算能见度的原理,并使用Verilog自顶向下的设计方法在FPGA(EP4CE15F17C8N)上实现了所需的图像算法,并与Vaisala透射法能见度测量仪进行了参比,完成算法的有效性验证。
　　3.设计并实现了PC机客户端软件,在天津市10个国控大气监测点进行了能见度的图像采集和2个监测点的能见度参比测量,验证了高清摄像系统原理样机的基本性能,可实现24小时的大气能见度的拍照监测、能见度测量以及图像数据稳定完整的网络传输。
　　总之,本论文详细阐述了基于高清图像采集的城市大气能见度监测系统的设计方案,研究了基于图像法计算能见度算法,实现了用于能见度监测的高清摄像系统硬件样机,研发了基于PC的配套软件。并完成能见度网络定时拍照功能的测试和能见度参比测量。测试结果表明样机能够满足天津市环境监测中心针对室外能见度监测拍照系统提出的性能指标要求,可以通过网络完成云台系统操控和远程数据查阅与硬件参数设定。PC机客户端软件已经获得国家软件著作权。随着系统的改进及后续的产业化,将为我国城市空气质量监测体系建设做出实质性贡献。

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2城市室外能见度监测系统

1.3目标系统的技术方案

1.4目标系统的主要器件

1.5方案可行性分析

1.6论文组织结构

第二章 能见度测量的理论基础与测量技术

2.1大气能见度定义

2.2影响因素

2.3理论基础

2.4测量方法的优缺点分析

第三章 能见度监测室外高清拍照硬件系统设计

3.1系统功能设计

3.2核心模块设计

第四章 能见度监测系统的软件设计

4.1USB固件程序设计

4.2基于FPGA的Verilog设计

4.3上位机软件的展示

第五章 现场测试数据与分析

5.1现场测试

5.2天津市空气质量监测系统

5.3样机的现场测试数据

第六章 总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢