CN104316443B - 一种基于ccd后向散射的pm 2.5浓度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CCD后向散射的PM 2.5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PM 2.5的浓度。本发明能对特定区域的PM 2.5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PM 2.5质量浓度的关系，简化了计算。

Description

一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测装置。

背景技术

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10-100μm的颗粒物被阻挡在鼻腔外，2.5-10μm颗粒物大部分在鼻咽区截留，0.01-2.5μm颗粒物沉积在支气管和肺部，0.1μm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2.5μm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。

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CN103344611A于2013年10月9日公布的基于CCD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CCD相机各像素的偏角、角宽度、CCD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

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PM2.5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。

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。

本发明涉及的基于CCD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/m³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：

当激光的波长、束腰半径、初始功率确定时，颗粒物后向散射光强只和大气颗粒浓度相关，且层数越多精度越高。粒子浓度越大，则散射光强越大；当其他变量确定时，散射的光强与大气颗粒物质量浓度是线性相关的关系。由于大气散射光信号比较弱，CCD的感光灵敏度必须要足够小。分析CCD采集到的光散射信号图像，即可获得大气颗粒物的分布特征，进而实现大气颗粒物浓度的实时监测。

实验步骤包括准备阶段，获取大气后向散射信号阶段和数据处理与分析三大部分，其主要的步骤如下：

步骤1准备工作，该步骤主要是为了实验的顺利进行。该步分为两步：第一步，选购符合实验要求的实验仪器。第二步，设计实验装置并完成实物连接。

步骤2获取大气后向散射信号阶段，该步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。

步骤3数据处理与分析，该步骤是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PM 2.5的浓度。

本发明的有益效果是，该方法能对特定区域的PM 2.5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PM 2.5质量浓度的关系，简化了计算，非常有实用性。另一方面，实验分析的数据数目充足，具有足够的说服力和应用性。

附图说明

图1本发明系统框图。

图2a大气浓度为27μg/m³的回波散射图。

图2b大气浓度为111μg/m³的回波散射图。

图3a图像灰度值在0以上范围内的总亮度和PM 2.5浓度的关系图

图3b图像灰度值在20以上范围内的总亮度和PM 2.5浓度的关系图。

图3c图像灰度值在40以上范围内的总亮度和PM 2.5浓度的关系图。

图3d图像灰度值在60以上范围内的总亮度和PM 2.5浓度的关系图。

图3e图像灰度值在80以上范围内的总亮度和PM 2.5浓度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，该种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法的具体方案如下：

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16出射基模高斯光束，激光功率为500mw，波长为532nm，在激光器16端口的束腰半径为1mm；接收光散射光的天文望远镜14焦距为80cm，口径为10cm。焦平面上CCD 12分辨率为768×574，像元尺寸大小为12.7μm×9.8μm。CCD的感光度为0.0002lm照度下输出200mV电压，CCD12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13支撑天文望远镜14，调整三脚架13云台上的平衡杆和平衡锤可以改变天文望远镜14的口径指向。沿天文望远镜14的主镜筒固定一个适合大小的基板15，该长方体基板15用来固定激光器16和激光器电源17。取下天文望远镜14的目镜，将CCD 12安装于天文望远镜14的目镜处。在计算机11上安装Multicard Performance软件作为画面捕捉软件。准备好与计算机11接口，CCD 12接口，激光器16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11，CCD12，激光器16，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11的Multicard Performance软件。激光器16发射激光束，调整天文望远镜14的位置使激光向上射向大气，在天文望远镜14上微调激光器16的位置，确保在计算机11中能观察到CCD 12成像的图像，从而确保激光器16和天文望远镜14的视准轴保持严格的平行，然后牢牢地固定激光器16在天文望远镜14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，实验时间选择在晚上20:00-22:00进行。

步骤2.2接通电源，打开计算机11的Multicard Performance软件。激光器16出射波长为532nm的高斯激光束，调整天文望远镜14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，同时记录该实验地点的由赛默飞世尔科技公司研制的PM 2.5监测仪提供的一小时内PM 2.5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PM 2.5浓度下的CCD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对如图2a和图2b所示的PM 2.5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u₀，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ū₀，ū₁，...ū₂₅₅；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L₀，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：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PM 2.5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PM 2.5浓度与总光强值的关系，对不同PM 2.5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，得到的结果如下图3所示。图3a，图3b，图3c，图3d，图3e分别为灰度值在0，20,40,60,80以上范围的总光强与PM 2.5浓度N的线性拟合曲线图，拟合得到的线性关系式分别为：

S(0)＝103248.87N-3.93×10⁶，拟合度分别为0.957；

S(20)＝105332.66N-2.01×10⁶，拟合度分别为0.979；

S(40)＝77319.23N-2.05×10⁶，拟合度分别为0.981；

S(60)＝50641.81N-1.50×10⁶，拟合度分别为0.970；

S(80)＝33882.71N-1.10×10⁶，拟合度分别为0.956。

由于当PM 2.5浓度较低时，与PM 2.5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PM 2.5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(0)的拟合度较其它等级的拟合度较低，不宜用来作为计算PM 2.5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PM 2.5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PM 2.5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2式计算出的浓度值的平均值，则为PM 2.5浓度值。对于PM 2.5浓度值30-70时，则使用S(20)，S(40)，S(60)，S(80)这4个等级的拟合式所得结果都较为相近，取4个计算值的均值为PM 2.5浓度值。对于PM 2.5浓度在70以上时，则应采用S(60)，S(80)这2个等级的拟合式的计算结果取均值。对各浓度值采用不同的拟合式进行计算PM 2.5浓度，获得了较良好的结果，并且误差在10以内，故CCD激光后向散射雷达对PM 2.5的检测具有较好的效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型之内。

Claims (1)

1.一种基于CCD后向散射的PM 2.5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1mm；接收光散射光的天文望远镜焦距为80cm，口径为10cm；焦平面上CCD分辨率为768×574，像元尺寸大小为12.7μm×9.8μm；CCD的感光度为0.0002lm照度下输出200mV电压，CCD12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CCD安装于天文望远镜的目镜处；在计算机上安装Multicard Performance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Multicard Performance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CCD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Multicard Performance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MulticardPerformance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，同时记录由赛默飞世尔科技公司研制的PM 2.5监测仪提供的一小时内PM 2.5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PM 2.5浓度下的CCD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PM 2.5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u₀，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ū₀，ū₁，...ū₂₅₅；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L₀，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：把灰度值i分为5个等级，i＝0，20，40，60，80；得到了对应PM 2.5浓度下的总散射光强S(0)，S(20)，S(40)，S(60)，S(80)；

步骤3.2对其他不同PM 2.5浓度的图片重复步骤3.1，得到不同PM 2.5浓度下5个等级的总光强值S(i)；

步骤3.3为得到PM 2.5浓度与总光强值的关系，对不同PM 2.5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以上范围、20以上范围、40以上范围、60以上范围、80以上范围的总光强与PM 2.5浓度N的线性拟合曲线，拟合得到的线性关系式分别为：

S(0)＝103248.87N-3.93×10⁶，拟合度分别为0.957；

S(20)＝105332.66N-2.01×10⁶，拟合度分别为0.979；

S(40)＝77319.23N-2.05×10⁶，拟合度分别为0.981；

S(60)＝50641.81N-1.50×10⁶，拟合度分别为0.970；

S(80)＝33882.71N-1.10×10⁶，拟合度分别为0.956；

由于当PM 2.5浓度较低时，与PM 2.5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PM 2.5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(0)的拟合度较其它等级的拟合度较低，不用来作为计算PM 2.5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PM 2.5浓度值进行验证，得出对于不同的PM 2.5浓度值，应采用不同的拟合式进行计算，对于PM 2.5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PM 2.5浓度值；对于PM 2.5浓度值30-70时，则使用S(20)，S(40)，S(60)，S(80)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PM 2.5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。