CN116337699A - 颗粒物光学检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种颗粒物光学检测系统及方法，欲解决颗粒物检测困难的问题。所述颗粒物光学检测系统，包括光源，用于发出激光；透镜组，用于反射并扩束激光；吸收器，用于吸收颗粒物并将颗粒物投放到经过透镜组扩束后的激光的光路上；显微镜组，用于将颗粒物的像显微放大；滤波器，用于对经过显微镜组的光线进行过滤；图像传感器，用于将经过滤波器过滤的光线转化成电信号；以及主机，用于将图像传感器传输来的电信号进行计算分析，确定目标颗粒物的数量和成分。颗粒物光学检测系统运用吸收器和图像传感器降低了颗粒物检测难度；颗粒物光学检测方法运用大数据和颜色模型提高了识别颗粒物成分的速度。

Description

颗粒物光学检测系统及方法
技术领域
本申请涉及光电领域，尤其涉及一种颗粒物光学检测系统及方法。
背景技术
大气颗粒物是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称。各种颗粒状物质均匀地分散在空气中构成一个相对稳定的庞大的悬浮体系，即气溶胶体系。大气颗粒物中的细微颗粒沉降速度慢，在大气中存留时间久，在大气动力作用下能够吹送到很远的地方，对广大区域产生污染。当大量细微颗粒均匀地浮游在空中，对可见光有很强的散射和吸收作用，显著减弱光信号，造成大气能见度降低。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。虽然PM2.5体积小，但富含大量有毒有害物质，能被吸入人的支气管和肺泡中并沉积下来，对人体健康危害巨大。
现有的光学检测颗粒物的方法中，通过分析颗粒物的光谱图像来确定颗粒物的成分，检测速度有一定限制。现有技术的光学检测系统较为复杂，颗粒物的成像受到多个因素的影响，具有一定的检测难度。
发明内容
本申请欲提供一种颗粒物光学检测系统及方法，尤其用于检测大气中的PM2.5的含量和成分，确定环境空气质量。
本申请第一方面提供一种颗粒物光学检测系统。该颗粒物光学检测系统包括一光源，用于发射激光；一透镜组，用于对所述光源发出的激光反射并扩束；一吸收器，用于吸收颗粒物并将颗粒物投放到经过所述透镜组扩束后的激光的光路上；一显微镜组，用于对所述颗粒物的像显微放大；一滤波器，用于过滤经过所述显微镜组的光线；一图像传感器，用于将经过所述滤波器过滤的光线转化成电信号；以及一主机，用于对所述图像传感器传输来的电信号进行计算分析，确定目标颗粒物的数量和成分。
相比现有技术，本申请实施例提供的颗粒物光学检测系统中的检测样本即颗粒物，由颗粒物光学检测系统中的吸收器获得，采样的空间性和时间性更为灵活；本申请实施例运用显微镜组与滤波器对颗粒物的像进行预处理，提高了成像质量；本申请实施例运用了图像传感器将颗粒物的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，降低了获取大气颗粒物图像的难度。
本申请第二方面提供一种颗粒物光学检测方法。所述颗粒物光学检测方法包括：通过图像传感器获得彩色的成像画面，对彩色的成像画面进行二值化处理获得黑白图像；根据黑白图像中颗粒物的图像的像素尺寸，确定目标颗粒物，并标记目标颗粒物在黑白图像中的位置；计算黑白画面中的目标颗粒物的标记数，确定目标颗粒物的数量；建立目标颗粒物图像的颜色模型；以及将目标颗粒物的颜色模型与颗粒物颜色模型数据库进行比对，确定目标颗粒物的成分。
相比现有技术，本申请实施例提供的颗粒物光学检测方法中利用目标颗粒物的尺寸与图像传感器的像素尺寸之间的关系，从图像中自动识别目标颗粒物，自动确定目标颗粒物的数量，加快了对目标颗粒物的识别速度；本申请实施例运用人工智能数据库，通过建立颜色模型，比对目标颗粒物的颜色模型与颗粒物颜色模型数据库的内容，获得目标颗粒物的成分组成，实现了对颗粒物成分的快速识别。
附图说明
图1为本申请一实施例中颗粒物光学检测系统的结构示意图。
图2为本申请一实施例中颗粒物光学检测方法的流程示意图。
图3为图2中步骤S2获得的黑白画面的示意图。
主要元件符号说明
检测系统 100
光源 1
透镜组 2
吸收器 3
显微镜组 4
滤波器 5
图像传感器 6
黑白画面 60
黑白图像 600
主机 7
颗粒物 8
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
为能进一步阐述本申请达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施方式，对本申请做出如下详细说明。
本申请提供一种颗粒物光学检测系统。所述颗粒物光学检测系统可以根据使用者的需要安装到特定的环境中，对环境中的空气环境进行持续的监测。所述颗粒物光学检测系统也可以是移动设备，根据使用者的需求，移动到不同的环境中，对不同环境的空气质量进行即时的测量。
请参阅图1，在本申请一实施例中，所述颗粒物光学检测系统100包括光源1、透镜组2、吸收器3、显微镜组4、滤波器5、图像传感器6以及主机7。
所述光源1用于发射激光光束。所述透镜组2用于反射并扩束所述激光。透镜组2例如包括一个或多个用于对入射其上的激光光束进行扩束处理的扩束透镜、一个或多个用于对入射其上的激光光束进行准直处理的准直透镜、以及一个或多个用于对入射其上的激光光束进行反射处理的反射镜。透镜组2位于光源1和吸收器3之间，光源1出射的激光经透镜组2扩束、准直和/或反射处理后，入射至吸收器3。所述吸收器3用于吸收颗粒物8并将颗粒物8投放到经过所述透镜组2反射并扩束后的所述激光的光路上。所述显微镜组4用于将所述颗粒物8的像显微放大。所述滤波器5用于对经过所述显微镜组4的光线进行过滤，以得到目标波段的激光。所述图像传感器6用于将经过所述滤波器5过滤的光线转化成电信号。所述主机7用于将所述图像传感器6传输来的电信号进行计算分析，确定目标颗粒物的数量和成分。
具体地，所述光源1发射激光，所述激光到达所述透镜组2后，所述透镜组2将所述激光扩束、准直和/或反射处理。经扩束、准直和/或反射处理的所述激光到达所述吸收器3，所述吸收器3吸收颗粒物8，并将颗粒物8投放到所述激光的光路上，因此所述激光一并投射到所述颗粒物8上。所述激光经所述颗粒物8散射与反射后形成颗粒物8的像，所述显微镜组4将所述颗粒物8的像显微放大。从所述显微镜组4出射的光线到达所述滤波器5后，所述颗粒物的像周围的杂散光被所述滤波器5过滤而去除。所述目标颗粒物的像经所述显微镜组4放大后能够通过所述滤波器5。
所述图像传感器6将所述经过滤波器5过滤后的光线转化成相应比例关系的电信号，形成电学图像。所述主机7与所述图像传感器6电学相连，对所述图像传感器6传输来的电学图像进行运算分析，从中挑选出目标颗粒物，计算得到目标颗粒物的数量，并运用后台数据库，确定目标颗粒物的成分。
在本申请一实施例中，所述光源1为紫外激光器，发射波长小于400nm的激光，所述激光方向性好，强度高，输出能量大。
在本申请一实施例中，所述光源1及所述透镜组2之间的光路，与所述透镜组2及所述图像传感器6之间的光路成非零夹角，以便提高图像传感器6的成像质量。更进一步地，从光源1入射至透镜组2的光线与从透镜组2出射至吸收器3的光线不在同一直线上；或者说，从光源1入射至透镜组2的光线与从透镜组2出射至吸收器3的光线成非零夹角。
在本申请一实施例中，所述吸收器3能够收集大气中的颗粒物8，特别是直径小于或等于2.5μm的颗粒物。
在本申请一实施例中，所述显微镜组4为针对大气颗粒物而设计，特别是针对直径小于或等于2.5μm的颗粒物，能够有效放大直径小于或等于2.5μm的颗粒物的像，放大后的直径小于或等于2.5μm的颗粒物的像能够通过所述滤波器5。显微镜组4例如包括一个或多个用于对颗粒物的像进行显微放大的显微物镜，但不限于此。
在本申请一实施例中，所述滤波器5为单针孔滤波器，采用单针孔滤波器尤其适用于大气颗粒物，通过过滤所述大气颗粒物的像周围的杂散光，便于所述图像传感器6准确分辨成像尺寸。所述杂散光包括来自光源的衍射光，来自吸收器的散射光，来自显微镜组的反射光等。
在本申请一实施例中，所述图像传感器6的感光范围与所述光源1的光波范围相匹配，若所述光源1为紫外激光器，则所述图像传感器6能够感测波段小于400nm的光线。
在本申请一实施例中，所述图像传感器6为互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器，能够将像素阵列与外围支持电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器)集成在同一块芯片上，具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点。CMOS图像传感器包括呈矩阵排布的多个像素。每一像素呈正方形，CMOS图像传感器的像素尺寸定义为所述正方形的边长。一实施例中，CMOS图像传感器的像素尺寸为0.7μm，但不限于此。
相比现有技术，本申请实施例中提供的颗粒物光学检测系统100中的检测样本即颗粒物8，由颗粒物光学检测系统100中的吸收器3获得，采样的空间性和时间性更为灵活；本申请实施例中运用显微镜组4与滤波器5对颗粒物8的像进行预处理，提高了成像质量；本申请实施例中运用了图像传感器6将颗粒物8的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，降低了获取大气颗粒物图像的难度。
本申请一实施例提供了一种颗粒物光学检测方法。该颗粒物光学检测方法可利用图1所示的颗粒物光学检测系统进行检测。请参阅图2，该颗粒物光学检测方法包括下列内容。
步骤S1,获得彩色画面。
具体地，通过图像传感器6获得彩色画面，所述彩色画面中包括多个颗粒物的彩色图像。
步骤S2,对彩色画面进行二值化处理获得黑白画面。
具体地，通过主机7对彩色画面中的像素的灰度做判断，所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于所述颗粒物，其灰度值以255表示；否则这些像素点被排除在所述颗粒物以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域，得到黑白画面。所述黑白画面中包括所述多个颗粒物的黑白图像。
图3为图2中步骤S2获得的黑白画面的示意图。图中坐标轴的尺寸与图中颗粒物的图像尺寸，均不表示图像传感器成像画面的真实比例。黑白画面60具有由互相垂直的X轴和Y轴构成的坐标系。图3中仅示意性画出了一个颗粒物的黑白图像600。颗粒物的黑白图像600在所述坐标系中具有清晰准确的位置。
步骤S3,确定黑白画面中的目标颗粒物。
具体地，通过主机7对黑白画面60中颗粒物的黑白图像600的像素个数做判断，所述目标颗粒物的直径小于等于A1，所述图像传感器的像素尺寸为A2，则判断所述颗粒物的黑白图像是否小于或等于A1/A2个像素；若是，则确定所述颗粒物为所述目标颗粒物，标记每一所述目标颗粒物在所述黑白画面中的位置。
在本申请一实施例中，所述目标颗粒物的直径小于等于2.5μm(即，A1＝2.5μm)，所述图像传感器的像素尺寸为0.7μm(即，A2＝0.7μm)，则在所述黑白画面中，黑白图像小于等于3.57个像素的所述颗粒物为所述目标颗粒物。其他实施例中，A1和A2的尺寸大小不限于此。
步骤S4,计算黑白画面中目标颗粒物的数量。
具体地，通过主机7计算所述黑白画面中每一所述目标颗粒物的位置标记的数量，确定所述目标颗粒物的数量。
步骤S5,借助彩色画面与黑白画面，建立目标颗粒物的颜色模型。
具体地，通过主机7根据所述目标颗粒物在所述黑白画面中的位置，获取所述目标颗粒物在所述彩色画面中的彩色图像，并基于所述目标颗粒物在所述彩色画面中的彩色图像，建立所述目标颗粒物的颜色模型。
一实施例中，通过分析目标颗粒物的在所述彩色画面中的彩色图像的色调、饱和度、强度，建立目标颗粒物的色调-饱和度-强度(Hue-Saturation-Intensity，HSI)颜色模型。其他实施例中，可通过分析目标颗粒物的在所述彩色画面中的彩色图像的其他参数，建立其他颜色模型，例如，色相-饱和度-色明度(Hue-Saturation-Value，HSV)颜色模型。
步骤S6,确定目标颗粒物的成分。
具体地，主机7包括存储器(图未示)和电性连接存储器的处理器(图未示)。存储器用于存储一个或多个计算机程序。一个或多个计算机程序被配置为被该处理器执行。该一个或多个计算机程序包括多个指令，多个指令被处理器执行时，可实现确定目标颗粒物的成分的功能。存储器中预存储有不同成分的多种颗粒物的颜色模型的数据库。将所述目标颗粒物的颜色模型输入主机7，经过处理器与存储器中预存储的颗粒物的颜色模型数据库进行比对，处理器自动筛选出与目标颗粒物的颜色模型相匹配的已知成分的颗粒物的颜色模型，确定所述目标颗粒物的成分。所述存储器可以包括随机存储器、硬盘、光盘、U盘等。所述处理器可以包括图形处理器、图像信号处理器、数字信号处理器等。
相比现有技术，本申请实施例中提供的颗粒物光学检测方法中利用目标颗粒物的尺寸与图像传感器的像素尺寸之间的关系，从图像中自动识别目标颗粒物，自动确定目标颗粒物的数量，加快了对目标颗粒物的识别速度；本申请实施例中运用人工智能数据库，通过建立颜色模型，比对目标颗粒物的颜色模型与颗粒物颜色模型数据库的内容，获得目标颗粒物的成分组成，实现了对颗粒物成分的快速识别。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种颗粒物光学检测系统，其特征在于，包括，
一光源，所述光源用于发出激光；
一透镜组，所述透镜组用于反射并扩束所述激光；
一吸收器，所述吸收器用于吸收颗粒物并将颗粒物投放到经过所述透镜组扩束后的所述激光的光路上；
一显微镜组，所述显微镜组用于将所述颗粒物的像显微放大；
一滤波器，所述滤波器用于对经过所述显微镜组的光线进行过滤；
一图像传感器，所述图像传感器用于将经过所述滤波器过滤的光线转化成电信号；以及
一主机，所述主机用于将所述图像传感器传输来的电信号进行计算分析，确定目标颗粒物的数量和成分。
2.根据权利要求1所述的颗粒物光学检测系统，其特征在于，所述激光的波长小于400nm。
3.根据权利要求1所述的颗粒物光学检测系统，其特征在于，所述光源及所述透镜组之间的光路，与所述透镜组及所述图像传感器之间的光路成非零夹角。
4.根据权利要求1所述的颗粒物光学检测系统，其特征在于，所述吸收器能够捕获大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的颗粒物光学检测系统，其特征在于，所述目标颗粒物的像经所述显微镜组放大后能够通过所述滤波器。
6.根据权利要求5所述的颗粒物光学检测系统，其特征在于，所述滤波器为单针孔滤波器，所述滤波器用于过滤所述颗粒物的像周围的杂散光。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的颗粒物光学检测系统，其特征在于，所述图像传感器能够感测波段小于400nm的光线。
8.一种颗粒物光学检测方法，其特征在于，包括：
通过图像传感器获得彩色画面，所述彩色画面中包括多个颗粒物的彩色图像；
对所述彩色画面进行二值化处理获得黑白画面，所述黑白画面中包括所述多个颗粒物的黑白图像；
根据每一所述颗粒物的所述黑白图像的像素个数，判断每一所述颗粒物是否为目标颗粒物；
计算所述黑白画面中所述目标颗粒物的数量；
借助彩色画面与黑白画面，建立所述目标颗粒物的颜色模型；以及
将所述目标颗粒物的颜色模型与预设的颗粒物的颜色模型数据库进行比对，确定所述目标颗粒物的成分。
9.根据权利要求8所述的颗粒物光学检测方法，其特征在于，定义直径小于等于A1的颗粒物为所述目标颗粒物，所述图像传感器的像素尺寸为A2，其中，判断每一所述颗粒物是否为所述目标颗粒物包括判断所述颗粒物的黑白图像是否小于等于A1/A2个像素；若是，则确定所述颗粒物为所述目标颗粒物。
10.根据权利要求8或9所述的颗粒物光学检测方法，其特征在于，判断每一所述颗粒物是否为目标颗粒物还包括标记每一所述目标颗粒物在所述黑白画面中的位置；
建立所述目标颗粒物的颜色模型包括根据所述目标颗粒物在所述黑白画面中的位置，获取所述目标颗粒物在所述彩色画面中的彩色图像，并基于所述目标颗粒物在所述彩色画面中的彩色图像，建立所述目标颗粒物的颜色模型。
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