一种基于ccd后向散射的pm 2.5浓度监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于CCD后向散射的PM2.5浓度监测方法。本发明主要是根据米氏散射原理和CCD激光雷达成像原理，将发射的激光束通过大气颗粒物的散射在CCD成像，然后经数据线输入到计算机中，通过画面捕捉软件获得相应的数据。根据捕捉软件采集到的回波散射图，通过matlab函数拟合得到相应的模型，通过该模型可以从测得的回波散射图的数据来反演PM2.5的浓度。本发明能对特定区域的PM2.5浓度进行实时的监测。它采用了统计推理的方式巧妙地避开了繁杂的数据计算，根据望远镜成像原理和米氏散射原理对回波散射图进行统计分析，并且选择一定范围内的图像亮度总和与PM2.5质量浓度的关系，简化了计算。
【专利说明】-种基于CCD后向散射的PM 2. 5浓度监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电【技术领域】，涉及一种基于C⑶后向散射的PM 2. 5浓度监测装置。
【背景技术】
[0002] 近二十年来，我国能源、工业、交通等行业的快速发展带来了不可忽视的环境污 染。其中，大气颗粒物的污染问题尤为突出。不同粒径的颗粒物伴随着人体呼吸在不同的 呼吸道部位沉积。其中粒径在10-100 μ m的颗粒物被阻挡在鼻腔外，2. 5-10 μ m颗粒物大 部分在鼻咽区截留，0.01-2. 5 μ m颗粒物沉积在支气管和肺部，0. Iym左右颗粒物主要沉 积在肺部，对人体危害最大。其中粒径小于2. 5 μ m的颗粒物被称为PM 2. 5。目前，PM 2. 5 污染是我国最主要的空气污染来源之一，PM 2. 5的监测及有效治理是我国环境保护部门 及国家政府的目标，对人们的健康生活具有重要的现实意义。
[0003] 现阶段，大气颗粒物污染的监测内容主要分为质量浓度测量和化学成分测量两大 部分，在我国目前用于监测大气颗粒物的方法主要是重量法。重量法的优点是测量精度较 高，但设备昂贵、操作复杂。此外重量法的工作对象局限为固定区域的一段时间（一般为1 小时）内颗粒物的质量积分，无法实现实时监测和任意区域扫描。采用CCD激光雷达对大 气环境监测，具有设备简单，反映实时等优点，目前在国内外已经被广泛应用。比如中国发 明专利CN10334461IA于2013年10月9日公布的基于C⑶成像技术的侧向激光雷达测量 气溶胶参数的方法。该发明专利申请的文献公开的方法为先选定水平方向上参考点的气溶 胶和大气分子的比相函数值，测得并认定参考点上的气溶胶后向散射系数值与各散射角处 的相等，再将其与C⑶相机各像素的偏角、角宽度、CXD相机和激光雷达发射光束的垂直距 离一起代入侧向激光雷达方程式中，数值解出相邻点上的气溶胶比相函数后，将相邻点作 为新的参考点，逐次求解，直至得到气溶胶比相函数的廓线，很好地探索出了侧向激光雷 达反演气溶胶参数的方法。该方法基于侧向散射的基本原理，在实际操作上缺乏移动性和 便利性。
【发明内容】
[0004] 本发明为克服侧向散射探测技术上的不足，设计了一种基于CCD后向散射的PM 2. 5浓度监测方法，用于在线监测大气PM 2. 5浓度实时变化。该方法设备简单、成本较低、 操作便利等，其最大优点是能对任意区域的PM 2. 5浓度进行实时在线监测。
[0005] 本发明采用的技术方案是：利用CCD在线获取大气后向散射光信号，然后根据统 计推理得到后向散射光强和PM 2. 5浓度的统计规律，进而对PM 2. 5进行实时监测。
[0006] 本发明涉及的基于CXD后向散射的PM 2. 5浓度监测装置主要由光发射单元和光 检测单元组成。光发射单元由一个532nm波长的准连续激光器构成，光检测单元由望远镜 物镜、CCD和计算机构成。激光器的光束传播方向与望远镜光轴平行，采用低照度CCD接收 后向散射信号。在激光雷达系统运行时，激光器向特定目标区域发射532nm波长激光，受大 气中颗粒物质作用，产生各个方向的散射光信号，后向散射光信号被光检测单元收集。为了 便于分析CCD成像，可以将大气平均分为k层，每层大气的厚度为h，每层粒子散射光信号 在CCD中成像，对应为k个成像光斑。根据米氏散射的理论可得到单个粒子米散射的光强 相函数。根据比尔定律和望远镜成像原理，忽略二次散射，及大气分子对回波的吸收作用， 可以得到单位mg/m 3大气颗粒物在第t层处后向散射到望远镜中成像的光斑中心光强公式 为：
【权利要求】
1. 一种基于CCD后向散射的PM2. 5浓度监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 步骤1准备工作； 步骤1.1选择符合实验要求的实验仪器；该方法关键的仪器的参数如下：激光器出射 基模高斯光束，激光功率为500mw，波长为532nm，在激光器端口的束腰半径为Imm;接收光 散射光的天文望远镜焦距为80cm，口径为IOcm;焦平面上C⑶分辨率为768X574,像元尺 寸大小为12. 7μπιΧ9.8μπι;C⑶的感光度为0. 00021m照度下输出200mV电压，(XD12帧数 为50帧每秒，即每秒可以输出50个测量数据； 步骤1.2设计实验装置并完成实物连接； 步骤1.2.1构建实验装置图； 步骤1.2.2根据事先设计的实验装置图，完成实物连接；使用三脚架支撑天文望远镜， 调整三脚架云台上的平衡杆和平衡锤来改变天文望远镜的口径指向；沿天文望远镜的主镜 筒固定一个长方体基板，该长方体基板用来固定激光器和激光器电源；取下天文望远镜的 目镜，将(XD安装于天文望远镜的目镜处；在计算机上安装MulticardPerformance软件作 为画面捕捉软件；准备好与计算机接口，CCD接口，激光器接口相匹配的数据线，采用这些 相对应的数据线分别将外接电源和计算机，CCD，激光器，电源适配器相连接； 步骤1. 2. 3确定连接无误后接通电源，打开计算机的MulticardPerformance软件；激 光器发射激光束，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气，在天文望远镜上微调激光 器的位置，确保在计算机中能观察到C⑶成像的图像，从而确保激光器和天文望远镜的视 准轴保持严格的平行，然后牢牢地固定激光器在天文望远镜主镜筒上的位置； 步骤2,获取大气后向散射信号阶段； 步骤2.1为避免白天日光的影响，时间选择在晚上20:00-22:00进行； 步骤2. 2接通电源，打开计算机的MulticardPerformance软件；激光器出射波长 为532nm的高斯激光束，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气；使用Multicard Performance软件实时地捕捉画面，将图片保存，每隔一分钟保存一次图片，总共记录60 次，用于求一小时内的图像灰度值平均值，同时记录该地点的由赛默飞世尔科技公司研制 的PM2. 5监测仪提供的一小时内PM2. 5浓度的平均值； 步骤2. 3在不同的时间段重复步骤2. 2,观测图像持续一个月，得到不同PM2. 5浓度下 的CXD成像的图像；在这一个月中，试验地区周边无现开设的工厂，环境并无太大变化； 步骤3数据的分析； 步骤3. 1用matlab对PM2. 5浓度分别为27μg/m3和111μg/m3回波散射图进行分析； 考虑在短时间内，同一地区的大气颗粒物组分变化不大，取连续一小时内拍摄到的60张图 片作为一组，提取出每张图片的灰度值矩阵，对256个灰度值进行统计，求得每个灰度值对 应像素点个数Utl, U1, ... U255 ;然后该组的60张图片的每个灰度值对应像素点个数取平均， 得到Qci,Q1,. ..?255 ;进一步将每个灰度值乘以该灰度值对应的像素点个数，得到每个灰度值 的总体相对亮度U，L1, ...L255 ;把灰度值大于i的亮度相加，得到灰度值大于i的总光强 值：S(I) =IJli，把灰度值i分为5个等级，i= 0, 20,40,60,80 ;得到了对应PM2. 5浓度下 k-i 的总散射光强S(0)，S(20)，S(40)，S(60)，S(80); 步骤3. 2对其他不同PM2. 5浓度的图片重复步骤3. 1，得到不同PM2. 5浓度下5个等 级的总光强值S(i); 步骤3. 3为得到PM2. 5浓度与总光强值的关系，对不同PM2. 5浓度下的总光强值S(i)与预先设定的线性模型进行拟合统计，得到灰度值分别在0,20, 40, 60, 80以上范围的 总光强与PM2. 5浓度N的线性拟合曲线，拟合得到的线性关系式分别为： 5(0)= 103248.87^3.93父106，拟合度分别为 0.957; S(20) = 105332. 66N-2. 01X106,拟合度分别为 0· 979 ; 5(40)= 77319.23^2.05父106，拟合度分别为0.981; 5(60)= 50641.8謂-1.50父106，拟合度分别为 0.970; 5(80)= 33882.7謂-1.10父106，拟合度分别为 0.956; 由于当PM2. 5浓度较低时，与PM2. 5浓度较大的像素点数相比，大于80的灰度值点 数较少，因此误差较大，拟合度与其余相比较低；在验证计算较低的PM2. 5浓度时，将该低 浓度下的S(80)带入拟合式中，得到的浓度值也与实际值偏差较大；对于0以上灰度值的总 光强拟合式，由于CCD的感光灵敏度较高，所以会受天空背景光的影响，以及CCD自身温度 热效应带来的误差光亮点，这些误差的灰度值大部分在10以内，但全部叠加起来，仍会造 成较大的误差；因此，S(O)的拟合度较其它等级的拟合度较低，不宜用来作为计算PM2.5 浓度值的计算式； 步骤3. 4对上面的拟合公式分析，以及对大量的CCD激光雷达系统拍摄到的图片计算 出该时刻PM2. 5浓度值进行验证，得出对于不同的PM2. 5浓度值，应采用不同的拟合式进 行计算，对于PM2. 5浓度值为20-30时，应使用S(20)，S(40)这2个等级的拟合式较为准 确，取上面两式计算出的浓度值的平均值，则为PM2. 5浓度值；对于PM2. 5浓度值30-70 时，则使用S(20)，S(40)，S(60)，S(SO)这四个等级的拟合式所得结果都较为相近，取四个 计算值的均值为PM2. 5浓度值；对于PM2. 5浓度在70以上时，则应采用S(60)，S(80)这 两个等级的拟合式的计算结果取均值。
【文档编号】G01N15/06GK104316443SQ201410520308
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】胡淼, 吴端法, 谢家亮, 邓晶, 李齐良, 周雪芳, 魏一振, 卢旸, 钱正丰 申请人:杭州电子科技大学