[发明专利]一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测装置。 

背景技术

近二十年来，我国能源、工业、交通等行业的快速发展带来了不可忽视的环境污染。其中，大气颗粒物的污染问题尤为突出。不同粒径的颗粒物伴随着人体呼吸在不同的呼吸道部位沉积。其中粒径在10-100μm的颗粒物被阻挡在鼻腔外，2.5-10μm颗粒物大部分在鼻咽区截留，0.01-2.5μm颗粒物沉积在支气管和肺部，0.1μm左右颗粒物主要沉积在肺部，对人体危害最大。其中粒径小于2.5μm的颗粒物被称为PM 2.5。目前，PM 2.5污染是我国最主要的空气污染来源之一,PM 2.5的监测及有效治理是我国环境保护部门及国家政府的目标，对人们的健康生活具有重要的现实意义。 

现阶段，大气颗粒物污染的监测内容主要分为质量浓度测量和化学成分测量两大部分，在我国目前用于监测大气颗粒物的方法主要是重量法。重量法的优点是测量精度较高，但设备昂贵、操作复杂。此外重量法的工作对象局限为固定区域的一段时间(一般为1小时)内颗粒物的质量积分，无法实现实时监测和任意区域扫描。采用CCD激光雷达对大气环境监测，具有设备简单，反映实时等优点，目前在国内外已经被广泛应用。比如中国发明专利CN103344611A于2013年10月9日公布的基于CCD成像技术的侧向激光雷达测量气溶胶参数的方法。该发明专利申请的文献公开的方法为先选定水平方向上参考点的气溶胶和大气分子的比相函数值，测得并认定参考点上的气溶胶后向散射系数值与各散射角处的相等，再将其与CCD相机各像素的偏角、角宽度、CCD相机和激光雷达发射光束的垂直距离一起代入侧向激光雷达方程式中，数值解出相邻点上的气溶胶比相函数后，将相邻点作为新的参考点，逐次求解，直至得到气溶胶比相函数的廓线,很好地探索出了侧向激光雷达反演气溶胶 参数的方法。该方法基于侧向散射的基本原理，在实际操作上缺乏移动性和便利性。 

发明内容

本发明为克服侧向散射探测技术上的不足，设计了一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测方法，用于在线监测大气PM 2.5浓度实时变化。该方法设备简单、成本较低、操作便利等，其最大优点是能对任意区域的PM 2.5浓度进行实时在线监测。 

本发明采用的技术方案是：利用CCD在线获取大气后向散射光信号，然后根据统计推理得到后向散射光强和PM 2.5浓度的统计规律，进而对PM 2.5进行实时监测。 

本发明涉及的基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测装置主要由光发射单元和光检测单元组成。光发射单元由一个532nm波长的准连续激光器构成，光检测单元由望远镜物镜、CCD和计算机构成。激光器的光束传播方向与望远镜光轴平行，采用低照度CCD接收后向散射信号。在激光雷达系统运行时，激光器向特定目标区域发射532nm波长激光，受大气中颗粒物质作用，产生各个方向的散射光信号，后向散射光信号被光检测单元收集。为了便于分析CCD成像，可以将大气平均分为k层，每层大气的厚度为h，每层粒子散射光信号在CCD中成像，对应为k个成像光斑。根据米氏散射的理论可得到单个粒子米散射的光强相函数。根据比尔定律和望远镜成像原理，忽略二次散射，及大气分子对回波的吸收作用，可以得到单位mg/m³大气颗粒物在第t层处后向散射到望远镜中成像的光斑中心光强公式为： 

当激光的波长、束腰半径、初始功率确定时，颗粒物后向散射光强只和大气颗粒浓度相关，且层数越多精度越高。粒子浓度越大，则散射光强越大；当其他变量确定时，散射的光强与大气颗粒物质量浓度是线性相关的关系。由于大气散射光信号比较弱，CCD的感光灵敏度必须要足够小。分析CCD采集到的光散射信号图像，即可获得大气颗粒物的分布特征，进而实现大气颗粒物浓度的实时监测。 

实验步骤包括准备阶段，获取大气后向散射信号阶段和数据处理与分析三大部分，其主要的步骤如下： 

步骤1准备工作，该步骤主要是为了实验的顺利进行。该步分为两步：第一步，选购符合实验要求的实验仪器。第二步，设计实验装置并完成实物连接。 

步骤2获取大气后向散射信号阶段，该步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。 

步骤3数据处理与分析，该步骤是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。