我院韩永教授团队研制了首款基于计算机视觉的大气气溶胶物理特性高精度光学成像仪
3月17日，我院韩永教授团队在国际仪器和测量学专业学术期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (IEEE TIM)在线发表了题为“Fast Atmospheric Aerosol Size and Shape Imaging Instrument: Design, Calibration, and Intelligent Interaction”的论文。该研究针对现有气溶胶测量仪器的不足，在国家重大科研仪器研制项目的资助下，经过数年艰苦努力，突破重大仪器关键技术节点，创造性地将计算机视觉技术与气溶胶科学联系在一起，研制了一种基于光学成像与动态图像分析法的高精度大气气溶胶物理特性成像测量仪，简称为FASI: Fast Atmospheric Aerosol Size and Shape Imaging Instrument，论文全面阐述了该仪器的设计方案、测量原理、算法模型、定标实验和智能交互。
大气气溶胶形态特征粒度、粒型、尺度谱以及不同粒径的浓度分布等物理特性影响了气溶胶在大气中的输运、沉降活动，并对云的形成、空气质量、降水形成、辐射气候环境效应产生影响。然而，现有气溶胶物理特性探测仪器在分辨率、精度、操作复杂度及多参数同步测量等方面仍面临艰巨挑战。
有鉴于此，本次FASI成像仪模块，涉及一种独特的气溶胶测量机制，通过光学成像实现气溶胶颗粒图像的精确捕获，建立计算机视觉算法分析粒度、粒型与数浓度。该仪器的硬件系统由光源、光学成像腔、物镜、管镜、伸缩管、摄像机以及计算设备组成，如图1所示。FASI通过图像处理标定背景场、像元尺寸、特征灰度值与光学景深。在智能交互模块，提出了基于气溶胶粒子运动特征的离焦粒子与重复粒子检测算法，从而在拍摄的图像中筛选气溶胶并计算数浓度。气溶胶尺寸和形状参数由CPU/GPU异构计算以实现20-35帧/秒的并行高速高精度实时测量。
图1. FASI 系统设计. (a) 基于无穷远矫正长工作距离物镜与透射光学系统的粒子成像原理. (b) 由气溶胶发生器、干燥管和中和器产生气溶胶粒子. (c) FASI 光学系统的三维示意图以及摄像机和光源的触发方式。
该仪器各项参数已经在测试实验中得到了可行性验证，包括定标和对比实验。首先，FASI提供的0.5µm、1µm、5µm和20µm聚苯乙烯小球的测量结果能够与这些粒子的实际尺寸和标准球形特性交叉验证，在每种尺寸200个粒子的样本条件下，平均相对误差为5.53%（在不考虑聚苯乙烯小球制造工艺的误差时）。FASI还完成了与APS（空气动力学粒径谱仪）的对比实验，进一步佐证粒度测量的准确性，如图2所示。在算法方面，FASI与常用的粒子图像分析软件ImageJ比较，在输入同一张气溶胶粒子局部图像时，粒形的输出结果高度吻合。对于气溶胶发生器而言，测量结果表明油溶液（0.5-3.5µm）的气溶胶粒径分布范围比水溶液（0.5-7.5µm）窄，如图3所示。在所有的测试样品中，92.12%的气溶胶纵横比超过1，且它们之间形态各异。模拟的雾天测量实验表明FASI能够追踪气溶胶粒子的吸湿增长过程。该新型气溶胶物理特性直接测量仪器具有非接触、稳定、快速、准确、同时且自动测量气溶胶各项物理特性的优势，创新性地实现了气溶胶粒子的可视化分析，有助于以计算机视觉技术的新视角解决大气科学中气溶胶影响相关的一些关键科学问题，具有重要的科学意义、工程和产业化价值。
图2. FASI 与 APS 的对比实验. (a) 实验系统搭建及气溶胶的来源. (b) 低浓度Nacl气溶胶粒径测量的对比分析. (c) 低浓度蔗糖气溶胶粒径测量的对比分析. (d) 火柴燃烧气溶胶粒径测量的对比分析. (e) 檀香燃烧气溶胶粒径测量的对比分析.
图3. FASI 测量的气溶胶粒径与粒形. (a)-(h) 中包含气溶胶的浓度、粒径分布和形态分布. (a)-(d) 代表由水溶液产生的气溶胶. (e)-(h) 代表由油溶液产生的气溶胶. (a) 饱和Nacl溶液气溶胶测量结果. (b) 饱和Kcl溶液气溶胶测量结果. (c) 50%蔗糖溶液气溶胶测量结果. (d) 30% 蔗糖溶液气溶胶测量结果. (e) DEHS溶液气溶胶测量结果. (f) PAO-4溶液气溶胶测量结果. (g) DOP溶液气溶胶测量结果. (h) 液体石蜡溶液气溶胶测量结果.
中山大学大气科学学院为该论文第一完成单位，国家重大科研仪器项目首席科学家韩永教授是论文通讯作者，我院博士研究生董理是论文第一作者，南京理工大学胡茂海副教授，我院博士研究生张玉容、周麒丞是论文的合作作者。同时，此项工作已申请了数项国家发明专利和软著，形成专利群保护。该研究工作得到了国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目的资助。此外，团队关于FY-3微波湿度探测器月球效应的论文可在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing期刊上找到。
论文原文
1.L. Dong, Y. Han, M. Hu, Y. Zhang and Q. Zhou, Fast Atmospheric Aerosol Size and Shape Imaging Instrument: Design, Calibration, and Intelligent Interaction, in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2025, vol. 74, pp. 1-17, Art no. 5019617, DOI: 10.1109/TIM.2025.3551849
2.Y. Zhou, X. Xie, Y. Guo, J. He, Y. Han, S. Gu, Effective Lunar Microwave Brightness Temperature Observed by MWHS-II Onboard FY-3C，in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2025, vol. 63, pp. 1-9, Art no. 5300809, DOI: 10.1109/TGRS.2025.3547344
