CN108037047A - 一种基于激光散射原理的大气监测装置及方法 - Google Patents

一种基于激光散射原理的大气监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光散射原理的大气监测装置及方法，包括相机、激光器、嵌入式单元、显示屏和电池，所述的嵌入式单元包括微处理器、驱动电路和控制开关；所述的微处理器分别与驱动电路和控制开关耦接，所述的驱动电路分别与显示屏和激光器驱动连接；所述的相机、控制开关与微处理器线路连接，所述的电池用于为装置供电。虽然大气能见度、PM2.5、PM10等参数都能反映大气浑浊状态，但是他们是不同物理含义的表征，相互之间并没有直接的转换关系，本发明根据激光散射原理可以同时现大气能见度、和气溶胶粒径分布测量。

Description

一种基于激光散射原理的大气监测装置及方法
技术领域
本发明属于环境监测领域，尤其是涉及一种基于激光散射原理的大气监测装置及方法。
背景技术
大气环境质量测量，其表征的参数有很多，常用的有大气能见度、PM10、PM2.5浓度等。其中大气能见度是指视力正常的人能从背景(天空或地面)中识别出具有一定大小的目标物的最大距离，也称气象视程。大气能见度是表征大气光学性质的常用要素，与航空、航海、陆上交通、高空摄影、天文观测以及军事行动等都有直接关系。PM10又称为可吸入颗粒物，通常是指粒径在10微米以下的颗粒物，在空气中持续时间长，是大气能见度重要影响因素，且威胁着人类健康。PM2.5又称为细颗粒物，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，空气中PM2.5浓度越高，空气污染越严重。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，覆盖面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，能够进入人体的支气管和肺部，引发哮喘、支气管炎等方面的疾病，而且细颗粒物浓度上升，导致能见度下降，维护和改善大气环境质量需要了解污染物的粒度大小及浓度等。目前，对于这些不同的参数的测量均有不同的探测仪器，多种设备配合使用不仅成本高昂、而且使用繁琐，不适合大规模推广。传统的测量方法、测量仪器只能测量能见度、或PM2.5、PM10浓度，不能实现他们的同时测量；大气能见度、PM2.5、PM10等参数虽然都能反映大气浑浊状态，但是他们是不同物理含义的表征，相互之间并没有直接的转换关系，既不能根据能见度推测PM2.5、PM10浓度、也不能根据PM2.5、PM10浓度去推测大气能见度。因此急需研制一种低成本、便携兼具能见度、颗粒物监测能力的设备
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种够同时测量大气能见度及PM10、PM2.5
等气溶胶粒径分布的基于激光散射原理的大气监测装置及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于激光散射原理的大气监测装置，包括相机、激光器、嵌入式单元、显示屏和电池，所述的嵌入式单元包括微处理器、驱动电路和控制开关；所述的微处理器分别与驱动电路和控制开关耦接，所述的驱动电路分别与显示屏和激光器驱动连接；所述的相机、控制开关与微处理器线路连接，所述的电池用于为装置供电；所述的相机用于采集激光器发射的激光光束的散射光。
进一步的，所述的激光器发出的激光光束为绿色激光。
进一步的，所述的相机为CCD相机或COMS相机。
进一步的，所述的相机的镜头上安装有滤光片，所述的滤光片用于滤除背景光。
一种基于激光散射原理的大气监测方法，包括如下步骤：
(1)所述的相机采集到激光器发出的绿色激光散射图像信号；
(2)所述的相机将信号收集成信号图像发送到微处理器的输入模块，统一转换为可识别图像格式数据；
(3)然后微处理器的图像处理模块提取图像数据中散射激光的灰度值；
(4)微处理器的数据处理模块利用灰度值分别进行反演模型分析；
(5)将分析结果在校准模块中根据标定参数进行校准；
(6)将最后结果输出到显示屏上进行显示。
进一步的，所述的反演模型分析包括能见度反演模型分析和PM2.5、PM10反演模型分析。
进一步的，所述的标定参数为测定的标准大气状况。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于激光散射原理的大气监测装置及方法具有以下优势：
虽然大气能见度、PM2.5及PM10等参数都能反映大气浑浊状态，但是他们是不同物理含义的表征，相互之间并没有直接的转换关系，本发明根据激光散射原理可以同时现大气能见度、和气溶胶粒径分布测量。
本发明结构紧凑、安装简单、易于维护、测量范围广，在采用高度集成的绿光激光模组和CCD或COMS传感器的基础上，使结构更为简单、安装、使用更为方便；本发明系统结构紧凑，采用电池供电，便携易用；此外，本发明准确度较高、成本低廉。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例(一)所述的结构示意图；
图2为本发明实施例(二)所述的结构示意图；
图3为本发明实施例(三)所述的结构示意图；
图4为本发明实施例(一)所述的方法运行图。
附图标记说明：1-电池；2-嵌入式单元；3-微处理器；4-相机；5-激光器；6-驱动电路；7-显示屏；8-滤光片；9-激光光束。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于激光散射原理的大气监测装置，包括相机4、激光器5、嵌入式单元2、显示屏7和电池1，所述的嵌入式单元2包括微处理器3、驱动电路6和控制开关；所述的微处理器3分别与驱动电路6和控制开关耦接，所述的驱动电路6分别与显示屏7和激光器5驱动连接；所述的相机4、控制开关与微处理器3线路连接，所述的电池1用于为装置供电。
所述的相机4用于采集激光器5发射的激光光束9的散射光。
所述的激光器5发出的激光光束9为绿色激光。
所述的相机4为CCD相机4或COMS相机4。
所述的相机4的镜头上安装有滤光片8，所述的滤光片8用于滤除背景光。
如图4所示，一种基于激光散射原理的大气监测方法，包括如下步骤：
(1)所述的相机4采集到激光器5发出的绿色激光散射图像信号；
(2)所述的相机4将信号收集成信号图像发送到微处理器3的输入模块，统一转换为可识别图像格式数据；
(3)然后微处理器3的图像处理模块提取图像数据中散射激光的灰度值；
(4)微处理器3的数据处理模块利用灰度值分别进行反演模型分析；
(5)将分析结果在校准模块中根据标定参数进行校准；
(6)将最后结果输出到显示屏7上进行显示。
所述的反演模型分析包括能见度反演模型分析和PM2.5、PM10反演模型分析。
所述的标定参数为测定的标准大气状况(包括压强、速度、密度、温度、比热比、焓值等参数)。
其中，反演模型中的所述能见度反演模型包括：
前提当激光光束通过大气时，大气会对激光光束产生散射，其中大气对光线的吸收作用，在550nm波长中忽略不计；
设大气水平均匀，CCD相机接收到的距离R处的大气后向散射回波功率P(R)由下面的方程决定：
P(R)＝P0CR-2βexp(-2αHR) (1)
上式中，P0为激光发射功率(W)；C是CCD激光雷达的系统常数(Wkm3Sr1)；β是大气水平后向散射系数(km-1Sr-1)；αH是大气水平消光系数(km-1)
对(1)式取对数并对距离R求导得：
由于已假定大气水平均匀，所以推导如：
因此对ln(P(R)R2和R线性拟合，即可得到大气水平消光系数αH；
则，大气水平能见度V与550nm波长的大气水平消光系数αH之间的关系如下：
此外，本实施例中假设激光波长为550nm，也可选用其他波长的激光，但在使用其他波长时，需对相关系数进行修定。
PM2.5\PM10颗粒物测量：
激光器向特定目标区域发射激光(绿光)，受大气颗粒物作用，产生各个方向的散射光信号，后向散射光信号被CCD相机光检测单元收集。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质量浓度的实时监测。
根据粒子米散射理论，单个粒子米散射的光强相函数为：
(5)式中λ为激光波长，α为粒子的半径，θ为散射光与原激光传输方向的夹角，S1(θ)与S2(θ)是关于θ的散射强度函数，φ为偏振角。
因此，本发明设单位质量大气颗粒物中不同粒径的颗粒数密度分布函数为N1(α)，忽略二次散射及大气分子对回波的吸收作用。
距离R处dR厚度的空气层后向散射光强到CCD镜头总功率为：
(6)式中，ω(R)为R处激光的束腰半径，K为系统接收光效率，A为镜头面积，M为单位体积的颗粒物质量浓度。令dR处的激光功率为：
其中，为光斑的积分界线，单位质量颗粒物中不同粒径颗粒物的后向散射总体相系数为：
(8)式中β(π,α)为α粒径的粒子后向散射的相函数。
由此可知，(6)式可推导为
其中，考虑在同一地区的一段时间内，当大气组分不发生突变的情况下，单位质量大气颗粒物中不同粒径的颗粒数密度分布函数为不会发生改变；同时根据定义可知，单位质量颗粒物中不同粒径颗粒物的后向散射系数总和同样为定值，所以将CCD的GAMMA值设置为1时，CCD接收的光能量与接收到的电压成正比，也与灰度值成正比，所以CCD像元灰度值与颗粒物浓度呈线性相关。
最后，在完成模型反演后，通过在实验室中测定一已知标准大气状况，对该装置参数进行标定，即可实现能见度、PM10、PM2.5的准确测量。
实施例(一)具体的工作过程：如图1所示，首先，微处理器3向驱动电路6发送激光器5启动信号，驱动电路6开始工作输出驱动信号；驱动信号输入到激光器5，激光器5开始工作发射光束，激光光束9在大气中被气溶胶粒子散射，相机4对被大气散射后的激光光束9成像，将图像数据传输到输入模块，将图像数据转换为统一微处理器3可识别的格式，然后图像处理模块对图像进行处理，提取出激光光束9的散射光图像灰度，数据处理模块利用激光后向散射光的光强与大气能见度及颗粒物浓度的关系进行反演，即可得到大气的能见度、PM10、PM2.5浓度参数，在计算出初步结果后与标定的参数比较进行校准，最后将结果输出到显示屏7上显示。
实施例(二)如图2所示，在相机4镜头前增加了滤光片8，可以滤除除激光外的其他背景光，其它部分与实施例(一)相同，此处不再赘述。
实施例(三)如图3所示，相机4镜头前增加了滤光片8，并且激光器5与相机4不再平行放置，有一定夹角，其它部分与实施例(一)相同，此处不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于激光散射原理的大气监测装置，其特征在于：包括相机、激光器、嵌入式单元、显示屏和电池，所述的嵌入式单元包括微处理器、驱动电路和控制开关；所述的微处理器分别与驱动电路和控制开关耦接，所述的驱动电路分别与显示屏和激光器驱动连接；所述的相机、控制开关与微处理器线路连接，所述的电池用于为装置供电；所述的相机用于采集激光器发射的激光光束的散射光。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光散射原理的大气监测装置，其特征在于：所述的激光器发出的激光光束为绿色激光。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光散射原理的大气监测装置，其特征在于：所述的相机为CCD相机或COMS相机。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光散射原理的大气监测装置，其特征在于：所述的相机的镜头上安装有滤光片，所述的滤光片用于滤除背景光。
5.一种应用如权利要求1-4所述的一种基于激光散射原理的大气监测装置的方法，包括如下步骤：
(1)所述的相机采集到激光器发出的绿色激光散射图像信号；
(2)所述的相机将信号收集成信号图像发送到微处理器的输入模块，统一转换为可识别图像格式数据；
(3)然后微处理器的图像处理模块提取图像数据中散射激光的灰度值；
(4)微处理器的数据处理模块利用灰度值分别进行反演模型分析；
(5)将分析结果在校准模块中根据标定参数进行校准；
(6)将最后结果输出到显示屏上进行显示。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光散射原理的大气监测方法，其特征在于：所述的反演模型分析包括能见度反演模型分析和PM2.5、PM10反演模型分析。
7.根据权利要求5所述的一种基于激光散射原理的大气监测方法，其特征在于：所述的标定参数为测定的标准大气状况。
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