CN115219436B - 一种偏振光学散射测量装置及气溶胶分类识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用偏振光学散射测量装置的气溶胶分类识别方法，所述偏振光学散射测量装置激光器、线偏振片、密封避光散射腔体，所述散射腔体上设有入射窗、出射窗和四个角度的偏振探测通道，入射窗用于入射激光光源，四个角度的偏振探测通道用于测量气溶胶颗粒样本在被激光光源照射水平面的散射光信息。
Description
技术领域
本发明属于偏振光学检测领域，具体的涉及一种偏振光学散射测量装置及应用该装置利用全斯托克斯矢量对不同气溶胶分类识别的方法。
背景技术
气溶胶是一种悬浮在气体介质中的固态或液态小颗粒，不同种类气溶胶的密度与粒径悬殊很大，并且根据成分不同还具有不同的表面形貌和光学特性。目前针对不同种类气溶胶的分类识别主要采用采样分析法，包括采样化学分析法、压电晶体法、β射线吸收法和微振荡天平法，取样法测量原理清洗准确度高，但无法在线测量，并且对操作人员的专业素质要求很高。而光学法中基于米氏散射技术，可以在线对单颗粒级测量气溶胶光学特性，具有实时性好，操作简便的优点，但目前主流光散射技术只采集单一光强信息，信息维度较低，解释性不足。
发明内容
本发明的所要解决的问题是提供一种针对气溶胶的高信息纬度分类的偏振光学散射测量装置及应用该装置对不同气溶胶分类识别的方法。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明应用偏振光学散射测量装置的气溶胶分类识别方法，包括以下步骤：
⑴将待识别气溶胶通入偏振光学散射测量装置，所述偏振光学散射测量装置包括激光器、线偏振片、密封避光散射腔体，所述散射腔体上设有入射窗、出射窗和四个角度的偏振探测通道，入射窗用于入射激光光源，四个角度的偏振探测通道用于测量气溶胶颗粒样本在被激光光源照射水平面的散射光信息，所述激光光源为通过线偏振片将532nm激光调制成的45°偏振态的偏振光，四个角度的偏振探测通道分别为30°偏振探测通道、55°偏振探测通道、90°偏振探测通道和120°偏振探测通道，所述四个角度偏振探测通道内均设有同步检偏器，所述同步检偏器包括四个通光孔，每个通光孔都固定有薄膜型偏振片，分别为右旋圆偏振片用以检测散射光中的右旋圆偏振分量R，左旋圆偏振片用以检测散射光中的左旋圆偏振分量L，水平偏振片用以检测散射光中的水平偏振分量H，45°偏振片用以检测散射光中的45°偏振分量P；
⑵利用45°偏振态激光光源照射待测气溶胶；
⑶同步测量计算气溶胶在被激光照射水平平面内30°、55°、90°和120°这4个角度的全斯托克斯偏振矢量；在同步获得这四个偏振态分量后，通过以下公式分别计算斯托克斯矢量的第二三四项S1、S2和S3；
⑷基于四个角度偏振探测通道以及同步检偏器，可以得到共12个偏振参数，分别为 PS130、PS230、PS330、PS155、PS255、PS355、PS190、PS290、PS390、PS1120、PS2120、PS3120；然后按照以下形式组成一个3x4的待识别气溶胶的偏振特征矩阵M0，M0的12个阵元分别为M011、M021、M031、M012、M022、M032、M013、M023、M033、M014、M024、M034，该12个阵元的值分别为MPS130、MPS230、MPS330、MPS155、MPS255、MPS355、MPS190、MPS290、MPS390、MPS1120、MPS2120、MPS3120，公式为：
⑸将标准样本气溶胶通入该偏振光学散射测量装置，重复以上步骤以获取标准样本气溶胶的特征偏振矩阵N0，N0的12个阵元分别为N011、N021、N031、N012、N022、N032、N013、N023、N033、N014、N024、N034，该12个阵元的值分别为基于四个角度偏振探测通道以及同步检偏器所测量到的属于标准样本气溶胶的12个偏振参数：NPS130、NPS230、NPS330、NPS155、NPS255、NPS355、NPS190、NPS290、NPS390、NPS1120、NPS2120、NPS3120，公式为：
分别计算这两种偏振矩阵中每一列的模，分别记为normM1,normM2,normM3,normM4，和normN1, normN2, normN3, normN4,随后依次对应相减取绝对值可得到四个筛选参数α1，α2，α3，α4,计算公式如下：
⑹将上一步中所得到的4个筛选参数α1，α2，α3，α4从大到小排序，记录排在最末位的筛选参数标号，随后同时将待测气溶胶偏振特征矩阵M0和标准气溶胶偏振特征矩阵N0中该标号的列全部去掉，则可重新分别得到对应3x3偏振特征矩阵M和N，假设筛选参数α4为最小，则将偏振特征矩阵M0和N0的第四列去掉后得到的偏振特征矩阵M和N为：
⑦按照如下计算公式计算两个偏振特征矩阵M和N的特征识别矩阵σ：
其中，特征识别矩阵σ的每个阵元依照下面计算公式得到：
其中，M011，M012…M033和N011，N012…N033分别为待测气溶胶偏振特征矩阵M和标准气溶胶偏振特征矩阵N的9个阵元，n为特征矩阵阵元个数，
和 
为矩阵M和N所有阵元的平均值，其计算公式如下：
⑻针对所计算得到的特征识别矩阵σ，依据以下计算公式得到识别参数θ：
当识别参数θ结果落在[0,0.2]范围内时，判定被测气溶胶与标准气溶胶为同一类型气溶胶，当识别参数θ结果落在[0.2,1]范围内时，判定被测气溶胶与标准气溶胶为完全不同类型的气溶胶。
本发明的有益效果是：本装置和方法可解决气溶胶分类解析方法中信息维度低，可解释参量不足、分类困难的问题，通过测量单一气溶胶颗粒的散射光全斯托克斯矢量，实时分析偏振光学特异性信息，细化特异性信息提升分辨能力，可增强对气溶胶的深入认知，用于快速分类与识别。该方法可广泛应用于大气环境气溶胶监测、生物气溶胶检测等领域，具有重要意义。
附图说明
图1为本发明为偏振光学散射测量装置示意图；
图2为本发明为同步检偏器结构示意图；
图3为本发明全斯托克斯矢量气溶胶分类方法步骤。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案及优点更清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所用光学散射测量装置如图1所示，偏振光学散射测量装置包括激光器1、线偏振片2、密封避光散射腔体4，散射腔体4上设有入射窗3、出射窗5和四个角度的偏振探测通道：30°偏振探测通道6、55°偏振探测通道7、90°偏振探测通道8和120°偏振探测通道9，当单颗待测气溶胶10由进入光学散射腔的测量区域时，由线偏振片2调制的532纳米波长45度偏振激光光源照射气溶胶10，然后分别由4个通道同步检测散射光偏振态。
如图2所示，每个角度的探测通道均设置了同步检偏器以保证全斯托克斯矢量可单次测量计算，其中31为右旋圆偏振片，用以检测右旋圆偏振分量，所检测到的光强值记为R，32为左旋圆偏振片，用以检测左旋圆偏振分量，所检测到的光强值记为L，33为水平偏振片，用以检测水平偏振分量，所检测到的光强值记为H，34为45度偏振片，用以检测45度偏振分量，所检测到的光强值记为P。
如图3所示为应用上述偏振光学散射测量装置的气溶胶分类识别方法步骤图。
⑴将待识别气溶胶通入偏振光学散射测量装置；
⑵利用45度振态激光光源照射待测气溶胶；
⑶同步测量计算气溶胶在被激光照射水平平面内30°、55°、90°和120°这4个角度的全斯托克斯偏振矢量；在同步获得这四个偏振态分量后，可通过以下公式分别计算斯托克斯矢量的第二三四项S1、S2和S3：
⑷在得到4个通道的全斯托克斯矢量S1、S2和S3后，分别计算出12个偏振参数，并将该12个偏振参数组成一个3X4被测气溶胶的偏振特征矩阵M0，第1列为PS030、PS130、PS230，第2列为PS055、PS155、PS255，第3列为PS090、PS190、PS290，第4列为 PS0120、PS1120、PS2120，以某气溶胶A为例可得到：
⑸由于需要与标准气溶胶对比特征信息，故需要针对标准气溶胶样本重复上述步骤，直至得到标准气溶胶样本的偏振特征矩阵N0，N0的12个阵元分别为N011、N021、N031、N012、N022、N032、N013、N023、N033、N014、N024、N034，该12个阵元的值分别为基于四个角度偏振探测通道以及同步检偏器所测量到的属于标准样本气溶胶的12个偏振参数：NPS130、NPS230、NPS330、NPS155、NPS255、NPS355、NPS190、NPS290、NPS390、NPS1120、NPS2120、NPS3120，以某标准气溶胶B为例可得到：
然后分别计算这两种偏振矩阵中每一列的模，分别记为normM1,normM2,normM3,normM4，和normN1, normN2, normN3, normN4,随后依次对应相减取绝对值可得到四个筛选参数α1，α2，α3，α4,计算公式如下：
经计算可得α1=0.0422,α2=0.4351,α3=0.1701,α4=0.5173；
⑹由于气溶胶在不同角度的偏振散射光信息各不相同，需要筛选出区分度大，特异性信息多的通道参与分类识别，故根据4个筛选参数来确定最终参与分类识别的特征矩阵列，将上一步中所得到的4个筛选参数α1，α2，α3，α4从大到小排序，那么经过排序比较α1最小，因此将待测气溶胶偏振特征矩阵M0和标准气溶胶偏振特征矩阵S0的第一列都去掉，重新分别得到对应3x3偏振特征矩阵M和S：
⑺按照如下计算公式计算两个偏振特征矩阵M和N的特征识别矩阵σ：
其中，特征识别矩阵σ的每个阵元依照下面计算公式得到：
其中，M011，M012…M033和N011，N012…N033分别为待测气溶胶偏振特征矩阵M和标准气溶胶偏振特征矩阵N的9个阵元，n为特征矩阵阵元个数， 
和 
为矩阵M和N所有阵元的平均值，其计算公式如下：
经计算，气溶胶A和气溶胶B的特征识别矩阵为：
⑻针对所计算得到的特征识别矩阵σ，依据以下计算公式得到识别参数θ：
根据计算，气溶胶A和气溶胶B的识别参数θ=0.27，根据识别规则，识别参数θ落入[0.2,1]范围，因此判定气溶胶A和气溶胶B为完全不同类型的气溶胶。
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 (1)
1.一种应用偏振光学散射测量装置的气溶胶分类识别方法，包括以下步骤：
⑴将待识别气溶胶通入偏振光学散射测量装置，所述偏振光学散射测量装置包括激光器、线偏振片、密封避光散射腔体，所述散射腔体上设有入射窗、出射窗和四个角度的偏振探测通道，入射窗用于入射激光光源，四个角度的偏振探测通道用于测量气溶胶颗粒样本在被激光光源照射水平面的散射光信息，四个角度的偏振探测通道分别为30°偏振探测通道、55°偏振探测通道、90°偏振探测通道和120°偏振探测通道，所述四个角度偏振探测通道内均设有同步检偏器，所述同步检偏器包括四个通光孔，每个通光孔都固定有薄膜型偏振片，分别为右旋圆偏振片用以检测散射光中的右旋圆偏振分量R，左旋圆偏振片用以检测散射光中的左旋圆偏振分量L，水平偏振片用以检测散射光中的水平偏振分量H，45°偏振片用以检测散射光中的45°偏振分量P；
⑵利用45°偏振态激光光源照射待测气溶胶；
⑶同步测量计算气溶胶在被激光照射水平平面内30°、55°、90°和120°这4个角度的全斯托克斯偏振矢量；在同步获得这四个偏振态分量后，通过以下3个公式分别计算斯托克斯矢量的第二三四项S1、S2和S3；
⑷基于四个角度偏振探测通道以及同步检偏器，可以得到共12个偏振参数，分别为PS130、PS230、PS330、PS155、PS255、PS355、PS190、PS290、PS390、PS1120、PS2120、PS3120；然后按照以下形式组成一个3x4的待识别气溶胶的偏振特征矩阵M0，M0的12个阵元分别为M011、M021、M031、M012、M022、M032、M013、M023、M033、M014、M024、M034，该12个阵元的值分别为MPS130、MPS230、MPS330、MPS155、MPS255、MPS355、MPS190、MPS290、MPS390、MPS1120、MPS2120、MPS3120，公式为：
⑸将标准样本气溶胶通入该偏振光学散射测量装置，重复以上步骤以获取标准样本气溶胶的特征偏振矩阵N0，N0的12个阵元分别为N011、N021、N031、N012、N022、N032、N013、N023、N033、N014、N024、N034，该12个阵元的值分别为基于四个角度偏振探测通道以及同步检偏器所测量到的属于标准样本气溶胶的12个偏振参数：NPS130、NPS230、NPS330、NPS155、NPS255、NPS355、NPS190、NPS290、NPS390、NPS1120、NPS2120、NPS3120，公式为：
分别计算这两种偏振矩阵中每一列的模，分别记为normM1,normM2,normM3,normM4，和normN1, normN2, normN3, normN4,随后依次对应相减取绝对值可得到四个筛选参数α1，α2，α3，α4,计算公式如下：
⑹将上一步中所得到的4个筛选参数α1，α2，α3，α4从大到小排序，记录排在最末位的筛选参数标号，随后同时将待测气溶胶偏振特征矩阵M0和标准气溶胶偏振特征矩阵N0中该标号的列全部去掉，则可重新分别得到对应3x3偏振特征矩阵M和N，假设筛选参数α4为最小，则将偏振特征矩阵M0和N0的第四列去掉后得到的偏振特征矩阵M和N为：
⑺按照如下计算公式计算两个偏振特征矩阵M和N的特征识别矩阵σ：
其中，特征识别矩阵σ的每个阵元依照下面计算公式得到：
其中，M011，M012…M033和N011，N012…N033分别为待测气溶胶偏振特征矩阵M和标准气溶胶偏振特征矩阵N的9个阵元，n为特征矩阵阵元个数，
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为矩阵M和N所有阵元的平均值，其计算公式如下：
⑻针对所计算得到的特征识别矩阵σ，依据以下计算公式得到识别参数θ：
当识别参数θ结果落在[0,0.2]范围内时，判定被测气溶胶与标准气溶胶为同一类型气溶胶，当识别参数θ结果落在[0.2,1]范围内时，判定被测气溶胶与标准气溶胶为完全不同类型的气溶胶。
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