CN110108604A - 基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置及方法，其中，装置为：包括激光照射单元、显微单元和信号采集单元；显微单元具体为：在微粒腔一侧设置有物镜，物镜、棱镜、镜筒、目镜和图像传感模块依次相连；棱镜左右两端都具有三棱镜；激光照射具体为：激光二极管产生的激光经透镜照射于微粒腔，设置有光吸收构件，光吸收构件用于吸收激光经微粒作用后的杂散光；激光照射微粒产生的散射光在显微单元放大后进一步分析获得微粒的形态特征。信号采集单元将微粒图像信息通过Lora通信模块发送至云数据管理中心。本发明中装置便体积小、易携带、用于高空微粒探测，且观测结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及高空微粒探测技术领域，特别是一种基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置及方法。
背景技术
当前，不管是国内还是国外，微粒探测的精度和准度随着设备体积增大和价格增高而不断地增强。在地面或低空微粒测量的原理和方法都十分地成熟，但在小体积、低功耗、低成本的家用净化器市场上微粒测量的方法就比较简单，其准度和精度就大大地下降。由于成本和体积要求，其测量结果只是统计结果，而不是计量结果。
同时，雾霾大大影响着城市人的健康、生活和出行，在高空雾霾成因缺乏定性的研究，现在没有可以准确测量高空微粒的性质和大小的计量装置。再加上高空的微粒大小都是在PM2.5以下，现有的微粒采集装置对PM2.5以下的微粒都不能用于高空大气微粒探测，为此，需要研究一种基于显微和视频图像的微粒采集装置，进而可以对高空大气微粒进行定性定量探测，控制城市高空PM2.5微粒的运动规律，以及研究城市大气雾霾的形成机理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置及方法，整个装置便体积小、易携带、用于高空微粒探测，且观测结果准确。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置，包括激光照射单元、显微单元和信号采集单元，其中：
所述激光照射单元具体为：激光二极管产生的激光经透镜照射于微粒腔；设置有光吸收构件，所述光吸收构件用于吸收激光经微粒作用后的杂散光；激光照射微粒产生的散射光在显微单元放大后进一步分析获得微粒的形态特征；
所述显微单元具体为：在微粒腔一侧设置有物镜，物镜、棱镜、镜筒、目镜和图像传感模块依次相连；所述棱镜左右两端都具有三棱镜，进而使得光信号从物镜接收后通过一个三棱镜反射至另一个三棱镜，最终棱镜输出的光信号传输至目镜；
所述信号采集单元具体为：包括微粒检测模块、图像传感模块及树莓派，所述微粒检测模块由依次相连的光电检测电路和放大电路组成；所述图像传感模块由依次相连的CCD新型采集电路、滤波电路和AD转换电路组成，所述图像传感模块的输出信号传输至树莓派；所述树莓派还连接有Lora通信模块，所述Lora通信模块用于将采集的信息向云数据管理中心发送，同时接收云数据管理中心的控制命令。
进一步的，所述树莓派还连接有存储模块，存储模块将采集到的图片信息进行存储。
进一步的，所述树莓派包含与图像传感模块相连接的USB接口和以太网控制器，所述以太网控制器的型号为LAN9512。
进一步的，所述树莓派中的树莓派芯片型号为BCM2835。
一种基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置的辨识方法，包括以下步骤：
初始化基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置的各设备以及各种基本参数；
检测高空设备是否正常运行，检测地面设备是否正常运行；
通过激光照射单元产生激光，通过显微单元接收由激光照射单元作用微粒后产生的散射光，通过图像传感模块将显微单元的输出光信号转换为电信号；
将载有微粒图像信息的电信号传输至树莓派；
所述树莓派通过Lora通信模块将数据发送到云数据管理中心，同时所述Lora通信模块也接收云数据管理中心的控制命令。
进一步的，还包括步骤：访问云数据管理中心，检测在终端是否正常获取微粒图像信息，根据获取到的微粒图像信息直接得出微粒的形态特征，包括拖影长度、宽度和光滑度。
进一步的，还包括步骤：对云数据管理中心获取的微粒图像信息进行灰度处理和二值化处理，使微粒的形态特征易于观测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：整个显微单元便拥有体积小、易携带、观测值准确等特性，本发明中显微镜镜筒部分改变，减小体积，利用三棱镜的反射原理，可以完整看清楚物镜传过来的图像；调节焦距，可以得出清晰完整的微粒图像，以便于观察与计数。
附图说明
图1是高空大气微粒探测实现原理；
图2是本发明中显微单元结构图；
图3本发明中激光照射单元结构图；
图4是微粒拖影长度与粒子运动速率的关系变化；
图5是微粒拖影长度与摄像头曝光时间的关系变化；
图6是微粒拖影的宽度和光滑度与微粒形态的关系变化；
图7是本发明中信号采集单元电路图；
图8是本发明中高空采集流程图；
图9是本发明中地面数据分析流程图；
图10是本发明整体流程示意图。
图中：1-激光照射单元；2-微粒腔；3-物镜；4-棱镜；5-镜筒；6-目镜；7-图像传感模块；8-激光二极管；9-透镜；10-激光；11-光吸收构件；12-颗粒物(微粒)；13-显微单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
由于本微粒检测装置主要是在高空(1千米到7千米左右)使用，高空环境相对于地面环境是很恶劣的，高空温度低、湿度高以及风速过快等因素，使用的微粒传感器必须满足成本低，不易回收等特点，造价过高的微粒传感器是无法在此环境下使用。为了保证能够准确获得高空中存在的具体微粒以及粒子浓度，本发明采用显微摄像结合激光技术，加以定时装置，在每一上升高度进行定点检测，将获取到的微粒图像信息存储在树莓派中。通过Lora通信模块将采集的信息存储到云端，管理人员访问云数据管理中心获取图片等信息，并在地面端进行信息的分析和处理，获取到的结果在与天气过程信息和大气环境信息结合起来，得出雾霾的预警预报算法模型，其实现原理如图1所示。
整个装置采用的是树莓派与显微镜相结合的显微摄像技术。当摄像头与显微镜契合后，将采集到的微粒图像信息传送到树莓派，并存储在树莓派中。但传统的显微镜观测装置体积较大、携带不方便，根本不可能将其带上高空进行显微观测。
如图2所示，本发明中的显微单元13，在镜筒5部分做了处理，更改后的镜筒5结构大约只有2cm，整个显微单元13便拥有体积小、易携带、观测值准确等特性。本发明把镜筒5改变，减小体积，可以完全将整个部分放置在小盒子内。利用三棱镜的反射原理，可以完整看清楚物镜传过来的图像，调节焦距，可以得出清晰完整的微粒图像，以便于观察与计数。
如图3所示，激光照射单元1是由激光二极管8、透镜9和光吸收构件11组成。激光二极管8发射出的激光10通过透镜9凝聚，然后穿过微粒腔2，产生的杂散光被周围的光吸收构件11吸收,激光照射微粒产生的散射光在显微设备13放大后进一步分析获得微粒的形态特征。
本装置拍摄出清晰放大的微粒图像，然后经过图像处理获取到更准确的数据，所以采集装置的放大倍数与精度直接影响到实验结果的准确性。采用显微放大设计，对微粒信号进行放大，采用图像分析方法，结合摄像头曝光速率、粒子运动速率、粒子大小等特性在图像上的反映，区分粒子的大小和性质。对于同种粒子而言，不同的风速和曝光时间均会影响微粒拖影的长度；对于不同粒子而言，在风速和曝光时间相同的条件下，微粒粒径的大小会直接影响微粒拖影的宽度以及表面的光滑度。所以微粒拖影的长度(PL)、宽度(PW)及光滑度(PS)与粒子运动速率(VP)、摄像头曝光时间(t)和粒子形态有直接关系。
如图4所示，当同种微粒穿过微粒腔2时，固定摄像头的曝光时间，只改变风速的大小。当风速逐渐增大时，微粒拖影的长度也在增大，那么微粒拖影长度与粒子的运动速率成正比关系，即PL∝VP。
如图5所示，当同种微粒穿过微粒腔2时，固定风速的大小，只改变摄像头的曝光时间。当摄像头的曝光时间逐渐延长时，微粒拖影的长度却在缩短，那么微粒拖影长度与摄像头的曝光时间成反比关系，即PL∝(1/t)。
综上可知，如果拍摄的微粒的运动速度是较快的，那么稍微增加摄像头的曝光速率便可以获取到清晰的图像。如果微粒的运动速度不算快，摄像头的曝光速率也不能过长。即微粒的运动速度越来越快，所对应的摄像头曝光时间也在逐渐加长。
如图6所示，当不同种表面光滑的微粒穿过微粒腔2时，固定风速的大小和摄像头的曝光时间，可以看出第1条和第2条粒子光影的宽度明显不同。当采用表面不光滑的微粒时，便会出现如第3条粒子光影的状态，即微粒拖影的光滑度只取决于粒子本身的平整状态。
定义微粒在横向宽度从左至右每一刻度为ai，在竖直高度上从下到上每一刻度为aj。，那么微粒拖影的宽度PW与微粒的宽度W，微粒的高度H的关系如下：
其中W＝max(ai)-min(ai)，H＝max(aj)-min(aj)；即当微粒为细长型时，PW最小，反之最大。
如图7所示，本发明信息采集单元中，其主要由电源单元、微粒检测模块、图像传感模块7、树莓派、存储模块、Lora通信模块组成。电源单元完成12V电源转换、供电功能；微粒检测模块主要是对微粒腔2中快速移动的颗粒物进行检测和分析，图像传感模块7进行图像的拍摄和采集；树莓派是整个信息采集单元的控制中心，信息的采集与传输均由它控制完成；存储模块是将采集到的图片信息进行存储，并通过BCM2815芯片连接Lora通信模块；Lora通信模块将采集的微粒图像信息发送至云数据管理中心，同时接收云数据管理中心的控制命令。
Claims (7)
1.一种基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置，其特征在于，包括激光照射单元(1)、显微单元(13)和信号采集单元，其中：
所述激光照射单元(1)具体为：激光二极管(8)产生的激光(10)经透镜(9)照射于微粒腔(2)；设置有光吸收构件(11)，所述光吸收构件(11)用于吸收激光(10)经微粒作用后的杂散光；激光照射微粒产生的散射光在显微单元(13)放大后进一步分析获得微粒的形态特征；
所述显微单元(13)具体为：在微粒腔(2)一侧设置有物镜(3)，物镜(3)、棱镜(4)、镜筒(5)、目镜(6)和图像传感模块(7)依次相连；所述棱镜(4)左右两端都具有三棱镜，进而使得光信号从物镜(3)接收后通过一个三棱镜反射至另一个三棱镜，最终棱镜(4)输出的光信号传输至目镜(6)；
所述信号采集单元具体为：包括微粒检测模块、图像传感模块(7)及树莓派，所述微粒检测模块由依次相连的光电检测电路和放大电路组成；所述图像传感模块(7)由依次相连的CCD新型采集电路、滤波电路和AD转换电路组成，所述图像传感模块(7)的输出信号传输至树莓派；所述树莓派还连接有Lora通信模块，所述Lora通信模块用于将采集的信息向云数据管理中心发送，同时接收云数据管理中心的控制命令。
2.如权利要求1所述的基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置，其特征在于，所述树莓派还连接有存储模块，存储模块将采集到的图片信息进行存储。
3.如权利要求1所述的基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置，其特征在于，所述树莓派包含与图像传感模块(7)相连接的USB接口和以太网控制器，所述以太网控制器的型号为LAN9512。
4.如权利要求1所述的基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置，其特征在于，所述树莓派中的树莓派芯片型号为BCM2835。
5.一种如权利要求1所述的基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置的辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始化基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置的各设备以及各种基本参数；
检测高空设备是否正常运行，检测地面设备是否正常运行；
通过激光照射单元(1)产生激光，通过显微单元(13)接收由激光照射单元(1)作用微粒后产生的散射光，通过图像传感模块(7)将显微单元(13)的输出光信号转换为电信号；
将载有微粒图像信息的电信号传输至树莓派；
所述树莓派通过Lora通信模块将数据发送到云数据管理中心，同时所述Lora通信模块也接收云数据管理中心的控制命令。
6.如权利要求5所述的辨识方法，其特征在于，还包括步骤：访问云数据管理中心，检测在终端是否正常获取微粒图像信息，根据获取到的微粒图像信息直接得出微粒的形态特征，包括拖影长度、宽度和光滑度。
7.如权利要求6所述的辨识方法，其特征在于，还包括步骤：对云数据管理中心获取的微粒图像信息进行灰度处理和二值化处理，使微粒的形态特征易于观测。
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