一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法

摘要

本发明涉及一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法。本发明主要是根据米氏散射原理和CCD激光雷达成像原理，将发射的激光束通过大气颗粒物的散射在CCD成像，然后经数据线输入到计算机中，通过画面捕捉软件获得相应的数据。根据捕捉软件采集到的回波散射图，通过matlab函数拟合得到相应的模型，通过该模型可以从测得的回波散射图的数据来反演PM 2.5的浓度。本发明能对特定区域的PM 2.5浓度进行实时的监测。它采用了统计推理的方式巧妙地避开了繁杂的数据计算，根据望远镜成像原理和米氏散射原理对回波散射图进行统计分析，并且选择一定范围内的图像亮度总和与PM 2.5质量浓度的关系，简化了计算。

主权项

一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1准备工作；步骤1.1选择符合实验要求的实验仪器；该方法关键的仪器的参数如下：激光器出射基模高斯光束，激光功率为500mw，波长为532nm，在激光器端口的束腰半径为1mm；接收光散射光的天文望远镜焦距为80cm，口径为10cm；焦平面上CCD分辨率为768×574，像元尺寸大小为12.7μm×9.8μm；CCD的感光度为0.0002lm照度下输出200mV电压，CCD12帧数为50帧每秒，即每秒可以输出50个测量数据；步骤1.2设计实验装置并完成实物连接；步骤1.2.1构建实验装置图；步骤1.2.2根据事先设计的实验装置图，完成实物连接；使用三脚架支撑天文望远镜，调整三脚架云台上的平衡杆和平衡锤来改变天文望远镜的口径指向；沿天文望远镜的主镜筒固定一个长方体基板，该长方体基板用来固定激光器和激光器电源；取下天文望远镜的目镜，将CCD安装于天文望远镜的目镜处；在计算机上安装Multicard Performance软件作为画面捕捉软件；准备好与计算机接口，CCD接口，激光器接口相匹配的数据线，采用这些相对应的数据线分别将外接电源和计算机，CCD，激光器，电源适配器相连接；步骤1.2.3确定连接无误后接通电源，打开计算机的Multicard Performance软件；激光器发射激光束，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气，在天文望远镜上微调激光器的位置，确保在计算机中能观察到CCD成像的图像，从而确保激光器和天文望远镜的视准轴保持严格的平行，然后牢牢地固定激光器在天文望远镜主镜筒上的位置；步骤2，获取大气后向散射信号阶段；步骤2.1为避免白天日光的影响，时间选择在晚上20:00‑22:00进行；步骤2.2接通电源，打开计算机的Multicard Performance软件；激光器出射波长为532nm的高斯激光束，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气；使用Multicard Performance软件实时地捕捉画面，将图片保存，每隔一分钟保存一次图片，总共记录60次，用于求一小时内的图像灰度值平均值，同时记录由赛默飞世尔科技公司研制的PM 2.5监测仪提供的一小时内PM 2.5浓度的平均值；步骤2.3在不同的时间段重复步骤2.2，观测图像持续一个月，得到不同PM 2.5浓度下的CCD成像的图像；在这一个月中，试验地区周边无现开设的工厂，环境并无太大变化；步骤3数据的分析；步骤3.1用matlab对PM 2.5浓度分别为27μg/m³和111μg/m³回波散射图进行分析；考虑在短时间内，同一地区的大气颗粒物组分变化不大，取连续一小时内拍摄到的60张图片作为一组，提取出每张图片的灰度值矩阵，对256个灰度值进行统计，求得每个灰度值对应像素点个数u₀，u₁，...u₂₅₅；然后该组的60张图片的每个灰度值对应像素点个数取平均，得到ū₀，ū₁，...ū₂₅₅；进一步将每个灰度值乘以该灰度值对应的像素点个数，得到每个灰度值的总体相对亮度L₀，L₁，...L₂₅₅；把灰度值大于i的亮度相加，得到灰度值大于i的总光强值：把灰度值i分为5个等级，i＝0，20，40，60，80；得到了对应PM 2.5浓度下的总散射光强S(0)，S(20)，S(40)，S(60)，S(80)；步骤3.2对其他不同PM 2.5浓度的图片重复步骤3.1，得到不同PM 2.5浓度下5个等级的总光强值S(i)；步骤3.3为得到PM 2.5浓度与总光强值的关系，对不同PM 2.5浓度下的总光强值S(i)与预先设定的线性模型进行拟合统计，得到灰度值分别在0以上范围、20以上范围、40以上范围、60以上范围、80以上范围的总光强与PM 2.5浓度N的线性拟合曲线，拟合得到的线性关系式分别为：S(0)＝103248.87N‑3.93×10⁶，拟合度分别为0.957；S(20)＝105332.66N‑2.01×10⁶，拟合度分别为0.979；S(40)＝77319.23N‑2.05×10⁶，拟合度分别为0.981；S(60)＝50641.81N‑1.50×10⁶，拟合度分别为0.970；S(80)＝33882.71N‑1.10×10⁶，拟合度分别为0.956；由于当PM 2.5浓度较低时，与PM 2.5浓度较大的像素点数相比，大于80的灰度值点数较少，因此误差较大，拟合度与其余相比较低；在验证计算较低的PM 2.5浓度时，将该低浓度下的S(80)带入拟合式中，得到的浓度值也与实际值偏差较大；对于0以上灰度值的总光强拟合式，由于CCD的感光灵敏度较高，所以会受天空背景光的影响，以及CCD自身温度热效应带来的误差光亮点，这些误差的灰度值大部分在10以内，但全部叠加起来，仍会造成较大的误差；因此，S(0)的拟合度较其它等级的拟合度较低，不用来作为计算PM 2.5浓度值的计算式；步骤3.4对上面的拟合公式分析，以及对大量的CCD激光雷达系统拍摄到的图片计算出PM 2.5浓度值进行验证，得出对于不同的PM 2.5浓度值，应采用不同的拟合式进行计算，对于PM 2.5浓度值为20‑30时，应使用S(20)，S(40)这2个等级的拟合式较为准确，取上面两式计算出的浓度值的平均值，则为PM 2.5浓度值；对于PM 2.5浓度值30‑70时，则使用S(20)，S(40)，S(60)，S(80)这四个等级的拟合式所得结果都较为相近，取四个计算值的均值为PM 2.5浓度值；对于PM 2.5浓度在70以上时，则应采用S(60)，S(80)这两个等级的拟合式的计算结果取均值。