一种基于CCD后向散射的PM2.5浓度监测方法

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摘 要：本文涉及一种基于CCD后向散射的PM2. 5浓度监测方法。本文主要是根据米氏散射原理和CCD激光雷达成像原理，将发射的激光東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PM2. 5的浓度。本发明能对特定区域的PM2. 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PM2. 5质量浓度的关系，简化了计算。

关键词：CCD成像 颗粒物浓度

引言：

近年来，工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中，人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。因此，大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时，就会对人类和环境带来巨大灾难。不同粒径的颗粒物伴随着人体呼吸沉积不同的呼吸道部位，其中粒径在 10～100 μm 的颗粒物被阻挡在鼻腔外；2.5～10 μm 颗粒物大部分在鼻咽区截留；0.01～2.5 μm 颗粒物沉积在支气管和肺部（PM2.5），对人体危害最大。大气中空气动力学直径小于2.5μm的悬浮颗粒物定义为PM2.5。目前，PM 2.5颗粒物污染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，PM 2.5 颗粒物污染的监测内容主要分为质量浓度监测和化学成分监测两大部分，我国目前常用的 PM 2.5 颗粒物监测方法主要是重量法。重量法的优点是测量精度较高，但设备昂贵、笨重、操作复杂。此外，重量法的工作对象局限为固定区域一段时间（一般为 1 h）内颗粒物的质量总和，较难实现实时监测或任意区域扫描。采用CCD激光雷达对大气环境监测的方法，设备简单，反映及时，目前在已经国内外获得广泛应用。

当大气纯净清洁时，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落，大气分子尺度远小于入射波长，此时的散射称为“瑞利散射”。但是当空气中存在大微粒，如灰尘，水滴和来自污染物的颗粒时，散射方式发生变化，米散射理论从电磁理论出发，进一步解决了均匀球形粒子的散射问题，与瑞利散射结合起来能够解释许多大气光象。利用CCD激光雷达的侧向散射信号，反演气溶胶相函数和垂直后向散射系数，通过实验证明侧向散射激光雷达和其他专业仪器的结果高度一致。CCD激光雷达在大气探测应用领域的不断发展完善，扩展了CCD激光雷达在大气环境监测等多方位的应用研究。本文设计了一种基于CCD成像的后向散射便携式激光雷达，用于监测PM2.5颗粒物浓度实时变化。该装置具有成本较低、操作便利和反映实时等优点。

原理及步骤：

1. 一种基于 CCD后向散射的 PM2. 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768X574，像元尺寸大小为12. 7 µ mX9. 8µ m；CCD的感光度为 0. 00021m照度下输出200mV电压，CCD12帧数为5o帧每秒，即每秒可以输出5o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扭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；取下天文望远镜的日镜，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按电源和计算机， 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 MulticardPerformance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，时间选择在晩上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的高斯激光東，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气；使用 Multicard Performance软件实时地描提画面，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，同时记录该地点的由阿格瑞斯PM2. 5监测仪提供的一小时内PM2. 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PM2.5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PM2. 5浓度分别为27 µ g/m3和111 µ g/m3回波散射图进行分析； 考虑在短时问内，同一地区的大气颗粒物组分变化不大，取连续一小时内拍操到的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ii0，ii1，...ii255 ；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， L，，...L225；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：S（i）=ΣL，."把灰度值 i分为3个等级， i=20，40，60；得到了对应PM2.5浓度下k-i的总散射光强S（20），S（40）， S（60）；

步骤3. 2对其他不同PM2.5浓度的图片重复步骤3. 1，得到不同PM2.5浓度下3个等级的总光强值 S（i） 。

步骤3. 3为得到PM2. 5浓度与总光强值的关系，对不同PM2. 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20， 40， 60以上范国的总光强与PM2. 5浓度M的线性拟合曲线，拟合得到的线性美系式分别为：

M=19.37233S（20）+5.1517E.4，拟合度分别为 0.99483；

M=18.59603S（40）+0.00102，拟合度分别为 0. 99821 ；

M=15.32052S（60）+0.00168，拟合度分别为 0. 97979；

由于当PM2. 5浓度较低时，与PM2. 5浓度较大的像素点数相比，大于60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（60）带入拟合式中，得到的浓度值也与实际值偏差较大；对于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白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，不宜用来作为计算PM2. 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该时刻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PM2. 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PM2. 5浓度值；对于PM2. 5浓度值30-70 时，则使用 s（20） ， s（40） ， s（60）这三个等级的i以合式所得结果都较为相近，取三个计算值的均值为 PM2. 5浓度值；对于 PM2.5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。

测量结果结果分析：

由于望远镜系统未加滤波片，因此为了减小天空背景光的干扰，实验时间地点选择在暑假里杭州郊区的下沙高教园区晚上20：00至22：00。激光器出射为基模高斯光束，激光功率为 500mW，波长为532nm，在激光器端口的束腰半径为1 mm，激光功率1 h的稳定性优于99%；接收光散射光的望远镜焦距为80cm，口径为10 cm。焦平面上CCD成像仪分辨率为768 pixel×574 pixel，像元尺寸大小为 12.7 μm×9.8 μm，整体望远镜视场角仅为 12 mrad×7 mrad，有效降低背景光的影响。CCD的感光度为装配F=1.4镜头时在 0.0002 lx照度条件下输出 200 mV电流；CCD帧数为50frame/s，即实验每秒可以输出50个测量数据，每次测量时间最小可达 20ms。望远镜轴与激光轴两轴相距20cm，通过图像采集卡将CCD连接到计算机。当激光入射到大气中，调节望远镜成像和激光轴，使大气颗粒物散射光清晰成像于CCD中央。为了与阿格瑞斯PM2.5 监测仪的实验结果相比较（每小时输出 1 次数据），后向散射激光雷达每间隔1min获取一次数据，并在1h内获取60次求取平均值。实验期间地区周边无现开设的工厂，颗粒数密度分布函数基本保持不变。

图3（a）和（b）分别是在PM 2.5颗粒物质量浓度为27 μg/m3和111 μg/m3时，CCD观测到的后向散射图。图3（a）和 （b）的左侧表示较近距离段颗粒物的后向散射，而右侧表示较远距离段颗粒物的后向散射。设定 CCD不开启自动平衡和增益，图 3（b）的最大灰度值为 182，图 3（a）的最大灰度值为 84，图 3（b）的整体亮度明显比图 3（a）大，此时 CCD 均未达到饱和。由于激光束为高斯光束，由散射光斑强度由中心向上下对称衰减，当衰减小于到 CCD 的最小分辨光强时，CCD 无法正常接受全部信号。

考虑激光束在CCD视场右侧20cm处出射。根据成像原理，近距离处，每层颗粒物散射光强的成像角度变化较大，成像重叠度较小；而远距离段的每次颗粒物散射光强的成像角度变化不大，成像重叠度较大。此外，系统中望远镜和CCD的相对位置是对无穷远成像的，近距离处散射光强的成像弥散光斑较大。以上两种因素造成近距离散射光强即左侧光强也相对较弱。

为了去除噪声影响，需要对实验图像进行数据预先处理。思路是选取整幅图片的高灰度值的像素点数据进行统计分析，并将整体灰度值进行累加分等级处理。取连续1 h内拍摄到的60 张图片为一组，提取出每张图片的灰度值矩阵，对全部的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；然后对该组的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：

通过对上面的拟合曲线图的分析以及对大量的CCD激光雷达拍摄到的图片计算出的PM2.5颗粒物浓度值的验证，得出对于不同的PM2.5颗粒浓度值应采用的合理的拟合式。对各浓度值采用不同的拟合式进行计算大气颗粒物浓度，获得了较良好的结果，并且误差在5%以内。

结论：

本章根据米散射理论和激光传播方程，建立PM2.5颗粒物浓度与后向散射光强的关系模型，并提出了基于电荷耦合器件（CCD）后向散射激光雷达的实时PM2.5颗粒物浓度的监测方法。设计了以532 nm激光器为光源、CCD为接收器的后向散射激光雷达实验装置。根据获得的实时大气颗粒物后向散射图像，提取灰度值矩阵并分析了散射图像的光强分布；对比阿格瑞斯PM2.5检测仪的检测结果，拟合了PM2.5颗粒物浓度与散射光强的5个关系式，拟合度均在0.95以上。这种成本较低、操作便利的实时PM2.5颗粒物浓度监测装置的推广，有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图，具有重要意义。

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基金项目：浙江省新苗人才计划（2015R407016 GK150701208016 ZK150702308016）

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