CN109596491A - 气溶胶检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气溶胶的检测方法及装置，涉及雾霾检测技术领域，所述方法包括，基于成像法，利用散射屏对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像，利用探测器获取MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像，对目标光强分布图像进行反演处理，确定气溶胶的参数信息，从而能够简单、快速的完成对气溶胶的检测，使得能够适用范围更加地广泛。
Description
技术领域
本发明涉及雾霾检测技术领域，具体涉及一种气溶胶的检测方法及装置。
背景技术
气溶胶是形成雾霾的重要原因，它是指均匀分散于气体介质中的固态或液态微粒所构成的稳定胶体分散体系，气溶胶会对大气辐射吸收或散射从而减少大气辐射到达地表之辐射量，另外气溶胶也会成为凝结核而影响云的性质，进而影响气候。
但是，目前存在的基于现场的采样法、扫描电镜分析的光学测量法等气溶胶检测装置采样时间长，不能快速、便捷的完成对气溶胶的检测，导致其应用范围受到了限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气溶胶的检测方法及装置，以解决现有技术检测时间长，操作复杂的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种气溶胶的检测方法，所述方法包括：
基于成像法，利用散射屏对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成 MIE散射光强分布图像；
利用探测器获取所述MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像；
对所述目标光强分布图像进行反演处理，确定所述气溶胶的参数信息。
可选的，上述所述散射屏设置有直射光孔；所述方法还包括：
基于所述直射光孔对所述散射光中的直射光进行过滤。
可选的，上述所述对所述目标光强分布图像进行反演，确定所述气溶胶的参数信息，包括：
根据所述目标光强分布图像得到散射强度函数；
根据所述散射强度函数和粒子的散射相函数，得到所述目标光强分布图像对应的散射系数和角分布函数；
基于所述散射系数和所述角分布函数，确定所述气溶胶的参数信息。
可选的，上述所述方法还包括：
基于反射镜对光源发出的光束进行反射，使得所述光束直射到所述气溶胶上。
可选的，上述所述获取所述MIE散射光强分布图像包括；
根据预设的探测范围，获取所述MIE散热光强分布图像。
一种气溶胶的检测装置，所述装置包括：
散射屏，用于基于成像法对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成 MIE散射光强分布图像；
探测器，用于获取所述MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像；
反演设备，用于对所述目标光强分布图像进行反演处理，确定所述气溶胶的参数信息。
可选的，上述所述散射屏设置有直射光孔；
所述直射光孔用于对所述散射光中的直射光进行过滤。
可选的，上述所述反演设备具体用于：
根据所述目标光强分布图像得到散射强度函数；
根据所述散射强度函数和粒子的散射相函数，得到所述目标光强分布图像对应的散射系数和角分布函数；
基于所述散射系数和所述角分布函数，确定所述气溶胶的参数信息。
可选的，上述所述检测装置还包括反射镜：
所述反射镜用于对光源发出的光束进行反射，使得所述光束直射到所述气溶胶上。
可选的，上述所述探测器具体用于：
根据预设的探测范围，获取所述MIE散热光强分布图像。
本发明采用的一种气溶胶的检测方法，包括：基于成像法，利用散射屏对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像，直接通过光源穿过气溶胶形成分布图像的方式简单、快速，利用探测器获取MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像，直接通过探测器获取目标光强的分布图像也更加的便捷，计算机通过存储的数据公式等直接对目标光强分布图像进行反演处理，进而确定出气溶胶的参数信息，整个计算对比的过程去除了人工的操作，使得大大缩短了计算流程，能够更快速地完成对气溶胶参数的计算与获取，使得其应用范围更加地广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种气溶胶的检测方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的一种气溶胶检测装置的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种气溶胶检测装置的具体结构示意图。
图4是本发明实施例提供的一种气溶胶检测装置测量结果的对比图。
图5是本发明实施例提供的另一种气溶胶检测装置测量结果的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1是本发明实施例提供的一种气溶胶的检测方法的流程图。
如图1所示，本实施例的一种气溶胶的检测方法包括以下步骤：
S11：基于成像法，利用散射屏对穿过气溶胶形成的散射光强进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像。
MIE散射理论是用来分析球体粒子的光散射问题的理论，最早用于解释悬浮于水中的微小金溶胶颗粒对光的散射与吸收呈现各种颜色的散射现象，并且利用此理论得出了散射的电磁场解析解。后来用MIE散射理论研究了宇宙空间的小颗粒辐射问题，这是MIE散射理论在科学研究中的首次运用，从此MIE 散射理论开始用于研究云、雨、雾等现象，并取得了丰富的科研成果。MIE散射原理认为，颗粒物对光波的散射、吸收以及散射光的空间分布都取决于颗粒本身的性质，包括颗粒的材料、形状、大小等等，对于非球体的颗粒，得到电磁场解析解是一个非常复杂的问题，因此MIE散射理论普遍用于分析材料均匀的球形颗粒粒子。MIE散射理论对所有尺度的均匀球形粒子都适用，在不同的尺度条件下，MIE散射可以转化到不同的散射近似。Van de Huslt引入了判断因子
来判断粒子适用与何种散射，式中d为粒子的直径，m为粒子对分散系的相对折射率。当P≤0.3时MIE散射过渡到瑞利散射，利用瑞利散射理论分析；当 P≥30时MIE散射过渡到衍射散射，可以用夫朗和费衍射理论分析。这也与实际我们的认知相符合，瑞利散射只对粒子粒径远远小于入射光波长的散射成立，而当散射体的粒径比入射光波长的波长大很多时，衍射对前向小角度的散射其主要作用。
例如，以较易获得的聚苯乙烯微球分散液来代替气溶胶粒子，采用粒径2 μm、4μm、6μm、8μm、10μm的聚苯乙烯微球来表示不同粒径大小的雾霾颗粒进行实验，将不同粒径大小的聚苯乙烯分散液分别装入样品池，将光束穿过样品池，穿过样品池的光束在散射屏上形成MIE散射光强分布图像。
进一步地，散射屏上设置有直射光孔，基于此直射光孔对穿过样品池的散射光中的直射光部分进行过滤处理，通过将其中的直射光的部分进行滤除，能够防止直射光对检测的结果造成干扰，这样使得虽然损失了一小部分小角度的前向散射光，但是排除了直射光带来的干扰，能够产生较好的实验效果，形成高质量的MIE散射光强分布图像。
S12：利用探测器获取MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像。
利用探测器获取光强分布图像，例如采用一个彩色工业相机电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)去拍摄散射屏上的MIE散射分布图样，即可获得较大散射角范围的MIE散射光强分布，进而用一个较小幅面的光电探测器去获得大角度的散射光强分布，得到目标光强分布图像。由于CCD仅有一个(或少数几个)输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好，CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量相对较高，因此本实施例中选用CCD相机来获取目标光强分布图像，CCD只是其中的一种举例方式，其他获取目标光强的方式均属于本发明的保护范围。
进一步地，获取MIE散射光强分布图像包括；根据预设的探测范围，获取 MIE散热光强分布图像。为了尽量充分利用CCD的幅面，在本实施例中主要对散射光强分布的上半部分成像，所能探测的光照强度约为3度～30度，预设探测范围可以自己选定，在此不做具体限定，设置预设探测范围的目的是为了保证测量结果的稳定性与准确性，因此无论是对散射光强分布的任何位置成像均属于本发明的保护范围。
S13：对目标光强分布图像进行反演处理，确定气溶胶的参数信息。
通过上述步骤得到了目标光强分布图像，根据得到的目标光强分布图像得到散射强度函数，为了保证结果的准确性，对得到的多组目标光强分布图像进行分析、比对，得到准确的散射强度函数，通常选择用振幅函数来表示为：
式中i1,i2称为散射强度函数，它们分别表示垂直和平行于散射面的散射强度，S1,S2为振幅函数。
式中an,bn称为Mie散射系数，πn,τn称为散射角分布函数。上述公式可知，散射强度是MIE散射系数an,bn以及散射角函数πn,τn组成的无穷级数和。在实际的数值模拟计算中，受计算机的计算能力限制，n的取值不可能无限大，为满足计算的精度要求，通常给出了n合适的取值，人为的决定n的取值的大小。
根据散射强度函数和粒子的散射相函数，得到目标光强分布图像对应的散射系数和角分布函数。散射相函数是粒子散射特性的一个重要参数，用字母P 表示，相函数的定义为：粒子在各个方向上的实际散射能与粒子散射为各向同性时该方向的散射能之比，对于单粒子分散系有：
对于多分散系而言，上式改写为：
式中α是粒子的尺度参数，i1、i2分别是垂直和平行于散射面的光强函数。
因此便可以根据上述的散射强度函数和散射相函数得到散射系数和角分布函数，过程如下：
Mie散射系数an,bn由Bessel函数决定，其定义式为：
其中，α称为粒子的尺度参数，定义为α＝2πλ/r，r是微球的半径。Ms 是微球颗粒相对介质的相对折射率，m＝m1/m0，m0和m1分别是周围介质和微球材料的折射率。和ξn(x)的定义为：
其中，Jn+1/2(z)为半整数阶第一类Bessel函数，H(1)n+1/2和H(2)n+1/2分别为第一类和第二类Hankel函数。其中，和分别对应复折射率虚部取正值和复折射率虚部取负值的情况，但是通常情况下材料的吸收表现为复折射率虚部取负值的情况，本实施例也以这种情况为例进行说明，因此在本实施例中一律用ξn(z)和计算。
通过递推方法解决了Bessel函数的求解问题，进而得出了Mie散射系数的解。根据此的方法，ξn(z)和ξ′n(z)满足以下各式列出的的递推关系：
递推关系的边界条件为：
ξ-1(z)＝cosz-isinz (16)
ξ0(z)＝sinz+icosz (17)
根据以上递推关系，便可以利用逆递推法计算出散射系数an,bn的值。
角分布函数πn,τn仅与散射角θ有关，它们的定义式为：
式中是关于cosθ的一阶缔合Legendre函数，同样的，为了求解 Legendre函数，我们将式上式(18)(19)改写为如下形式：
为了使计算结果简介，我们用μ代替cosθ，下文中，未经特殊说明μ都将表示cosθ，这也是散射光强分布分析中的一种常用的表达方式。式中Pn(μ)是 Legendre函数，则根据Legendre函数递推公式，我们有：
(n+1)Pn+1(μ)＝(2n+1)μPn(μ)-nPn-1(μ) (22)
πn+1(μ)-πn-1(μ)＝(2n+1)Pn(μ) (23)
联立上述(20)(21)(22)(23)计算角分布函数的式子，我们可以得到角分布函数的递推公式：
nπn+1(μ)＝(2n+1)μπn(μ)-(n+1)πn-1(μ) (24)
τn(μ)＝nμπn(μ)-(n+1)πn-1(μ) (25)
递推关系的边界条件为π0＝0和π1＝1。根据上述得到的角分布函数的(24) (25)递推公式和边界条件，便可以利用递推法得到不同阶数的角分布函数值。
因此便得到了散射强度函数中两个重要的参数，即散射系数和角分布函数。基于得到的散射系数和角分布函数，将散射系数和角分布函数带入散射强度函数便可以确定气溶胶的参数信息。
进一步地，为了更好地使目标光束穿过样品池，还可以基于反射镜对光源发出的光束进行反射，使得所述光束直射到所述气溶胶上。
本发明采用的一种气溶胶的检测方法，包括：基于成像法，利用散射屏对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像，直接通过光源穿过气溶胶形成分布图像的方式简单、快速，利用探测器获取MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像，直接通过探测器获取目标光强的分布图像也更加的便捷，计算机通过存储的数据公式等直接对目标光强分布图像进行反演处理，进而确定出气溶胶的参数信息，整个计算对比的过程去除了人工的操作，使得大大缩短了计算流程，能够更快速地完成对气溶胶参数的计算与获取，使得其应用范围更加地广泛。
图2是本发明实施例提供的一种气溶胶检测装置的结构示意图。
如图2所示，本实施例的地一种气溶胶的检测装置，包括：散射屏21，探测器22和反演设备23：
散射屏21，用于基于成像法对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像；
探测器22，用于获取MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像；
反演设备23，用于对目标光强分布图像进行反演处理，确定气溶胶的参数信息。
进一步地，散射屏设置有直射光孔211，直射光孔211用于对散射光中的直射光进行过滤。
进一步地，反演设备具体用于：
根据目标光强分布图像得到散射强度函数；
根据散射强度函数和粒子的散射相函数，得到目标光强分布图像对应的散射系数和角分布函数；
基于散射系数和角分布函数，确定气溶胶的参数信息。
进一步地，本实施例还包括反射镜：
反射镜用于对光源发出的光束进行反射，使得光束直射到气溶胶上。
进一步地，探测器22具体用于：
根据预设的探测范围，获取MIE散热光强分布图像。
图3是本发明实施例提供的一种气溶胶检测装置的具体结构示意图。
如图3所示，本实施例中的气溶胶检测装置包括发光源31、样品池32、散射屏21、直射光孔211和探测器22。
成像法的基本原理是将一个较大的散射屏靠近样品池放置，这样在散射屏 21上可以获得较大散射角范围的MIE散射光强分布，然后再利用一个配备镜头的CCD去拍摄散射屏上的MIE散射分布图样，即可获得较大散射角范围的MIE散射光强分布。这样我们就可以用一个较小幅面的光电探测器去获得大角度的散射光强分布，成像法获得散射光强分布的光路结构较为简单，可获得较大的散射角范围。
再通过设备进行实验的过程中，可以将发光源31发出的光经过两个反射镜后直射到样品池21上，散射屏21上接收经过样品散射的光，然后利用一个配备物镜的CCD拍摄散射屏上的MIE散射光强分布。本实施例所用的发光源是氦氖激光器，CCD是型号为MV-DC300的彩色工业相机，像素为2048×1536，为了防止直射光对实验造成的干扰以及防止CCD过饱和，我们在散射屏中央设置直射光孔，使直射光通过光孔射出散射屏。这样虽然损失了一小部分小角度的前向散射光，但是排除了直射光带来的干扰，也能够保护CCD。为了尽量充分利用CCD的幅面，我们主要对散射光强分布的上半部分成像，所能探测的光强角度约为3度～30度，本实验中散射屏距离样品池的距离为105mm，具体距离并没有限定作用，可根据实际需要进行调节。需要说明的是，描述的发光源以及探测器的型号只是其中一种情况，并不能限定本发明，采用其它设备实现同样的目的，均属于本发明的保护范围。
图4是本发明实施例提供的一种气溶胶检测装置测量结果的对比图。
图5是本发明实施例提供的另一种气溶胶检测装置测量结果的对比图。
通过本实施例中的具体装置，得到了如图4和图5所示的最终结果对比图，图中展示了不同粒径的聚苯乙烯微球散射实验的实验结果与模拟结果的对比，可以看出，模拟结果基本可以反映实际的MIE散射光强分布的趋势。粒径越大的微球散射光强越集中到前向小角度散射，这也与我们的实际认知符合。考虑到实验中对像素的标定以及CCD的背底噪声所带来的误差，可以认为数值模拟的计算结果可以反映不同粒径粒子的MIE散射光强的分布。需要说明的是，图 4和图5仅是实施例中的两种测量结果，其他的结果不再进行详细一一描述。
关于上述实施例中的检测装置，其中各个部分执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA) 等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种气溶胶的检测方法，其特征在于，所述方法包括：
基于成像法，利用散射屏对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像；
利用探测器获取所述MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像；
对所述目标光强分布图像进行反演处理，确定所述气溶胶的参数信息。
2.根据权利要求1所述的气溶胶检测方法，其特征在于，所述散射屏设置有直射光孔；所述方法还包括：
基于所述直射光孔对所述散射光中的直射光进行过滤。
3.根据权利要求1所述的气溶胶检测方法，其特征在于，所述对所述目标光强分布图像进行反演，确定所述气溶胶的参数信息，包括：
根据所述目标光强分布图像得到散射强度函数；
根据所述散射强度函数和粒子的散射相函数，得到所述目标光强分布图像对应的散射系数和角分布函数；
基于所述散射系数和所述角分布函数，确定所述气溶胶的参数信息。
4.根据权利要求1所述的气溶胶检测方法，其特征在于，还包括：
基于反射镜对光源发出的光束进行反射，使得所述光束直射到所述气溶胶上。
5.根据权利要求1所述的气溶胶检测方法，其特征在于，所述获取所述MIE散射光强分布图像包括；
根据预设的探测范围，获取所述MIE散热光强分布图像。
6.一种气溶胶的检测装置，其特征在于，所述装置包括：
散射屏，用于基于成像法对穿过气溶胶形成的散射光进行成像处理，形成MIE散射光强分布图像；
探测器，用于获取所述MIE散射光强分布图像，得到目标光强分布图像；
反演设备，用于对所述目标光强分布图像进行反演处理，确定所述气溶胶的参数信息。
7.根据权利要求6所述的气溶胶检测装置，其特征在于，所述散射屏设置有直射光孔；
所述直射光孔用于对所述散射光中的直射光进行过滤。
8.根据权利要求6所述的气溶胶检测装置，其特征在于，所述反演设备具体用于：
根据所述目标光强分布图像得到散射强度函数；
根据所述散射强度函数和粒子的散射相函数，得到所述目标光强分布图像对应的散射系数和角分布函数；
基于所述散射系数和所述角分布函数，确定所述气溶胶的参数信息。
9.根据权利要求6所述的气溶胶检测装置，其特征在于，还包括反射镜：
所述反射镜用于对光源发出的光束进行反射，使得所述光束直射到所述气溶胶上。
10.根据权利要求6所述的气溶胶检测装置，其特征在于，所述探测器具体用于：
根据预设的探测范围，获取所述MIE散热光强分布图像。
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