CN113720744B - 一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振检测技术的颗粒物含量实时监测方法，所述方法包括以下步骤：第一步，将标准颗粒物样品通入光学散射腔；第二步，将激光光源照射进入光学探测区的颗粒物；第三步，分别同时连续采集颗粒物散射平面内四个角度散射光的光强；第四步，分别通过公式计算8个分指标；第五步，依次统计8个偏振分指标在（‑1，1）的范围内、步长为0.02的概率分布，并将8个概率分布曲线按顺序拼接以组成标准颗粒物偏振分f(A)。第六步，计算环境颗粒物偏振分布g(B)；第七步，利用标准颗粒物偏振分布f(A)与环境颗粒物偏振分布g(B)通过公式计算环境颗粒物中标准颗粒物的含量。
Description
技术领域
本发明涉及大气颗粒物在线识别技术领域，尤其涉及快速偏振光学检测技术领域的大气颗粒物检测技术及方法。
背景技术
大气颗粒物是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，粒径通常在0.01-10μm之间，但由于来源和形成原因范围很大，例如：花粉等植物气溶胶的粒径为5-100µm、木材及烟草燃烧产生的气溶胶，其粒径为0.01-1000µm等。颗粒的形状多种多样，可以是近乎球形，诸如液态雾珠，也可以是片状、针状及其它不规则形状，天空中的云、雾、尘埃，工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟，采矿过程、采石场采掘与石料加工过程和粮食加工时所形成的固体粉尘等都是大气颗粒物。大气颗粒物会导致城市空气环境严重污染，并且危害着人体健康，短期内大气颗粒物并不会引发疾病，但长期生活在大气颗粒物污染环境中会导致肺部病变，引发疾病，针对大气颗粒物的实时监测及精确识别愈发引起国家的重视，是大气环境监测和治理的重要做工。
目前颗粒物解析识别方法主要有X射线荧光光谱法、质谱法、离子色谱法、电感耦合等。在大气探测中，这些非光学测量法一般需要对大气颗粒物进行滤膜采样处理，不适用于实时分析。光学法中的光散射法基于Mie散射理论，可以实时无损的进行粒子分析，非常适合颗粒物的长期动态观测和回溯。偏振作为光的基本属性，是光除了光强、相位、波长的另一信息维度的延伸，偏振光学检测相比于传统光散射法，属于无标记光学测量，可极大的扩展颗粒物检测信息维度，能够获取仅由传统光强探测无法检测的颗粒物微观结构信，近年来在大气颗粒物微观检测中发展迅速。
然而，大气颗粒物中针对特定颗粒物的含量实时监测尚无解决方案，亟需进一步进行开发。
发明内容
为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，该方法解决大气颗粒物中针对特定颗粒物的含量实时监测的技术问题，依靠偏振光学检测技术，对单颗粒进行偏振光学探测。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，包括以下步骤：
第一步，将标准颗粒物样品以稳定流速通入光学散射腔；
第二步，将激光光源调制成右旋圆偏振态，并照射进入光学探测区的颗粒物；
第三步，分别同时连续采集颗粒物散射平面内β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度散射光的H偏振分量，V偏振分量，P偏振分量和Q偏振分量四种偏振分量的光强，其中H偏振分量为0°偏振分量，V偏振分量为90°偏振分量，P偏振分量为45°偏振分量，Q偏振分量为135°偏振分量，随后得到四个角度下共16组Hβ 1 ，Vβ 1 ，Pβ 1 ，Qβ 1 ，Hβ 2 ，Vβ 2 ，Pβ 2 ，Qβ 2 ，Hβ 3 ，Vβ 3 ，Pβ 3 ，Qβ 3 ，Hβ 4 ，Vβ 4 ，Pβ 4 ，Qβ 4 偏振分量光强，每组设为一个列向量；
第四步，分别通过以下8个公式计算8个偏振分指标：
F1=Hβ 1 -Vβ 1 /Hβ 1 +Vβ 1 ，
F2=Pβ 1 -Qβ 1 /Pβ 1 +Qβ 1 ，
F3=Hβ 2 -Vβ 2 /Hβ 2 +Vβ 2 ，
F4=Pβ 2 -Qβ 2 /Pβ 2 +Qβ 2 ，
F5=Hβ 3 -Vβ 3 /Hβ 3 +Vβ 3 ，
F6=Pβ 3 -Qβ 3 /Pβ 3 +Qβ 3 ，
F7=Hβ 4 -Vβ 4 /Hβ 4 +Vβ 4 ，
F8=Pβ 4 -Qβ 4 /Pβ 4 +Qβ 4 ；
第五步，依次统计8个偏振分指标在（-1，1）的范围内、步长为0.02的概率分布，则每个偏振指标可生成一段横坐标范围为-1到1，坐标间隔0.02，总计100个点的统计曲线，每个步长间隔内的值为落在该步长范围内偏振指标元素数量与该偏振指标总元素数量的比值，将8个概率分布按照F1~F8的顺序拼接以组成总计800个点的统计曲线，记为标准颗粒物偏振分布f(A)；
第六步，重复第二步~第五步，计算环境颗粒物偏振分布g(B)；
第七步，设θ为环境颗粒物中标准颗粒物的数量浓度，θ范围为（-∞，1），n为f(A)和g(B)的横坐标总点数，则θ可通过以下公式来计算：
其中，第二步，将532nm激光光源通过右旋圆偏振片调制成右旋圆偏振光用于照射进入光学探测区的颗粒物，所述右旋圆偏振片是由线偏振片和1/4波片组合而成。
为了结果的准确性，标准颗粒物粒径范围0.5um~10um。
而且，颗粒物的流速要保证其在管道内流动过程的雷诺数在层流范围内，雷诺数≤2300，以确保颗粒物逐个顺序通过光学散射区。
第三步中，对于上述的角度测量通过偏振检偏器实现，偏振检偏器共有四组，以入射光为0°，则四组偏振检偏器分别布置在以待检测颗粒物为圆心的β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度，同时，偏振检偏器中，每个用于偏振分量检测的偏振片均需要事先测定其透光率进行测量。
所述β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度分别为30°、60°、85°和115°。
第三步中，每组偏振分量连续采集至少颗粒数至少1万个，以保证能够较为全面的描述特征。
本发明通过调制的右旋圆偏振态激光光源，能够准确采集颗粒物的数据，并结合对水平偏振分量、竖直偏振分量、45°偏振分量和135°偏振分量的光强测量，来实现数据运算，通过公式计算对比概率分布来实现环境颗粒物中标准颗粒物含量的计算，由此解决大气颗粒物中针对特定颗粒物的含量实时监测的技术问题，依靠偏振光学检测技术，对单颗粒进行偏振光学探测。
附图说明
图1是本发明所用颗粒物检测装置；
图2是本发明所实现的四偏振分量检偏器结构示意图；
图3是本发明所实现的秸秆燃烧颗粒和环境颗粒物的偏振分布曲线实例；
图4为本发明基于偏振检测技术的颗粒物含量实时监测方法的实施步骤流程图。
图中，1为532nm激光器，2为线偏振片加1/4波片组成的偏振态调制模组，3为光学散射腔，4为光阱，5为偏振分量检偏器，6为光纤，7为硅光电倍增管，8为工控机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明基于偏振检测技术的颗粒物含量实时监测方法的检测设备原理示意图，其中1为532nm激光器，2为线偏振片加1/4波片组成的偏振态调制模组，3为光学散射腔，4为光阱，5为偏振分量检偏器，6为光纤，7为硅光电倍增管阵列，8为工控机。
结合图4所示，本发明的实施的具体步骤是：
第一步，首先针对需求对待测气溶胶颗粒的标准样本利用该设备进行特征采样，将标准样本颗粒物以稳定流速通入光学散射腔，光学散射腔除入口和出口外，其余位置均保持严格的气密性以避免气流受到干扰，颗粒物通道直径可选为1mm，则流量可控制在0.5L/min~1L/min的范围以确保颗粒物气流以稳定层流流动。
第二步，然后将532nm激光光源通过右旋圆偏振片调制成右旋圆偏振光用于照射进入光学探测区的颗粒物，所述右旋圆偏振片是由线偏振片和1/4波片组合而成。
第三步，偏振检偏器共有四组，以入射光为0°，则四组偏振检偏器分别布置在以待检测颗粒物为圆心的β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度，本发明中设定β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度分别为30°、60°、85°和115°。每组偏振检偏器内均设置有如图2所示四偏振分量检偏器，四偏振分量检测器在四个象限内分别由四个偏振片用于筛选不同偏振分量光强，从第一象限到第四象限分别检测H偏振分量，V偏振分量，P偏振分量和Q偏振分量四种偏振分量的光强，其中H偏振分量为0°偏振分量，V偏振分量为90°偏振分量，P偏振分量为45°偏振分量，Q偏振分量为135°偏振分量，每个用于偏振分量检测的偏振片均需要事先测定其透光率进行测量，以避免透光率不同导致的测量误差。随后每个偏振分量偏振片后方都接一根光纤传导至硅光电倍增管用于探测光强，此处光纤也需要提前测定增益以避免不同光纤传导率导致的测量误差。由于颗粒物形态不均匀，同一种颗粒物飞行过程在光学散射区域的姿态也会有变化，故每组偏振分量的测量至少需要连续测量10000个颗粒物，以保证能够较为全面的描述特征。通过上述测量过程，可实时测量到颗粒物的四个角度下四个偏振分量的光强，总共16组数据，分别记为H30，V30，P30，Q30，H60，V60，P60，Q60，H85，V85，P85，Q85，H135，V135，P135，Q135。
第四步，然后根据16组数据分别用下列8个公式计算8个偏振分指标：
F1=H30-V30/H30+V30，
F2=P30-Q30/P30+Q30，
F3=H60-V60/H60+V60，
F4=P60-Q60/P60+Q60，
F5=H85-V85/H85+V85，
F6=P85-Q85/P85+Q85，
F7=H135-V135/H135+V135，
F8=P135-Q135/P135+Q135。
第五步，依次统计8个偏振分指标在（-1，1）的范围内、步长为0.02的概率分布，则每个偏振指标可生成一段横坐标范围为-1到1，坐标间隔0.02，总计100个点的统计曲线，每个步长间隔内的值为落在该步长范围内偏振指标元素数量与该偏振指标总元素数量的比值，将8个概率分布按照F1~F8的顺序拼接以组成总计800个点的统计曲线，记为标准颗粒物偏振分布f(A)。
第六步，随后在待检测环境范围重复上述测量过程，可获得环境颗粒物偏振指标分布g(B)，如图3所示为秸秆燃烧颗粒物和环境颗粒物的两个偏振指标分布示例。
第七步，设θ为环境颗粒物中标准颗粒物的数量浓度，θ范围为（-∞，1），n为f(A)和g(B)的横坐标总点数，则θ可通过以下公式来计算：
总之，本发明通过右旋圆偏振态的激光光源，能够准确采集颗粒物的数据，并结合对H（0°）偏振分量，V（90°）偏振分量，P（45°）偏振分量和Q（135°）偏振分量的光强测量，来实现数据运算，从而解决了概率分布曲线的问题，通过给定公式计算对比概率分布来实现环境颗粒物中标准颗粒物含量的计算，由此解决大气颗粒物中针对特定颗粒物的含量实时监测的技术问题，依靠偏振光学检测技术，对单颗粒进行偏振光学探测。
以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，包括以下步骤：
第一步，将标准颗粒物样品以稳定流速通入光学散射腔；
第二步，将激光光源调制成右旋圆偏振态，并照射进入光学探测区的颗粒物；
第三步，分别同时连续采集颗粒物散射平面内β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度散射光的H偏振分量，V偏振分量，P偏振分量和Q偏振分量四种偏振分量的光强，其中H偏振分量为0°偏振分量，V偏振分量为90°偏振分量，P偏振分量为45°偏振分量，Q偏振分量为135°偏振分量，随后得到四个角度下共16组偏振分量光强： Hβ 1 ，Vβ 1 ，Pβ 1 ，Qβ 1 ，Hβ 2 ，Vβ 2 ，Pβ 2 ，Qβ 2 ，Hβ 3 ，Vβ 3 ，Pβ 3 ，Qβ 3 ，Hβ 4 ，Vβ 4 ，Pβ 4 ，Qβ 4 ，每组设为一个列向量；
第四步，分别通过以下8个公式计算8个偏振分指标：
F1=Hβ 1 -Vβ 1 /Hβ 1 +Vβ 1 ，
F2=Pβ 1 -Qβ 1 /Pβ 1 +Qβ 1 ，
F3=Hβ 2 -Vβ 2 /Hβ 2 +Vβ 2 ，
F4=Pβ 2 -Qβ 2 /Pβ 2 +Qβ 2 ，
F5=Hβ 3 -Vβ 3 /Hβ 3 +Vβ 3 ，
F6=Pβ 3 -Qβ 3 /Pβ 3 +Qβ 3 ，
F7=Hβ 4 -Vβ 4 /Hβ 4 +Vβ 4 ，
F8=Pβ 4 -Qβ 4 /Pβ 4 +Qβ 4 ；
第五步，依次统计8个偏振分指标在（-1，1）的范围内、步长为0.02的概率分布，则每个偏振指标可生成一段横坐标范围为-1到1，坐标间隔0.02，总计100个点的统计曲线，每个步长间隔内的值为落在该步长范围内偏振指标元素数量与该偏振指标总元素数量的比值，将8个概率分布按照F1~F8的顺序拼接以组成总计800个点的统计曲线，记为标准颗粒物偏振分布f(A)；
第六步，重复第二步~第五步，计算环境颗粒物偏振分布g(B)；
第七步，设θ为环境颗粒物中标准颗粒物的数量浓度，θ范围为（-∞，1），n为f(A)和g(B)的横坐标总点数，则θ可通过以下公式来计算：
2.如权利要求1所述的一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，第二步中，将532nm激光光源通过右旋圆偏振片调制成右旋圆偏振光用于照射进入光学探测区的颗粒物，所述右旋圆偏振片是由线偏振片和1/4波片组合而成。
3.如权利要求1所述的一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，第一步中，标准颗粒物粒径范围0.5um~10um。
4.如权利要求3所述的一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，颗粒物的流速应保证其在管道内流动过程的雷诺数在层流范围内，雷诺数≤2300，以确保颗粒物逐个顺序通过光学散射区。
5.如权利要求1所述的一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，第三步中，上述的角度测量通过偏振检偏器实现，偏振检偏器共有四组，以入射光为0°，则四组偏振检偏器分别布置在以待检测颗粒物为圆心的β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度，同时，偏振检偏器中，每个用于偏振分量检测的偏振片均需事先测定其透光率进行测量。
6.如权利要求5所述的一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，所述β 1 、β 2 、β 3 和β 4 四个角度分别为30°、60°、85°和115°。
7.如权利要求1所述的一种基于偏振检测技术的大气颗粒物含量实时监测方法，第三步中，每组偏振分量连续采集的颗粒数至少1万个。
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