CN105547944B

CN105547944B - 一种基于层叠衍射的可吸入颗粒物检测方法

Info

Publication number: CN105547944B
Application number: CN201610012762.2A
Authority: CN
Inventors: 董昭; 王华英; 沙笑慧
Original assignee: Hebei University of Engineering
Current assignee: Hebei University of Engineering
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2036-01-11
Also published as: CN105547944A

Abstract

本发明公开了一种基于层叠衍射的可吸入颗粒物检测方法，属于可吸入颗粒物检测领域。其方法是利用激光器和光学透镜产生直径为1~10mm，波长为200~1000nm的激光束并将其照向待测空气；激光经过空气中可吸入颗粒物时产生衍射，在激光器对侧形成干涉图样；由于可吸入颗粒物在重力作用下存在着沉降速率，利用帧率不低于600fps的高速电子感光元件可以接收一系列有关这些颗粒物的干涉图样；对于PM2.5、PM10等一般的可吸入颗粒物，这些干涉图样相互间有所叠加，故可利用层叠衍射算法将这些颗粒物全息形貌计算出来；利用实时层叠衍射算法，在显示设备上可以及时显示可吸入颗粒物图像，并经处理器统计得出不同大小颗粒相应的浓度值。该方法无需PM2.5、PM10等切割器，能够对可吸入颗粒物进行准实时三维成像，有助于在线研究可吸入颗粒物的行为。

Description

一种基于层叠衍射的可吸入颗粒物检测方法

技术领域

本发明属于可吸入颗粒物检测领域，具体涉及利用层叠衍射成像技术对空气中可吸入颗粒物进行光强度、相位信息再现，实现在线全息成像，并对不同粒径可吸入颗粒物浓度进行计算。

背景技术

雾霾已成为严重影响人们生产生活的一种天气现象，可吸入颗粒物是雾霾的核心污染源，其可对人体健康造成严重危害，尤其是直径小于2.5μm的颗粒（PM2.5），由于可以直接进入人体肺部，危害更大。为保障人民群众正常生活，开发能够对可吸入颗粒物，尤其是PM2.5的实时、准确的监测设备显得十分紧迫。当前对可吸入颗粒物的监测方法主要有以下几种。

(1) 滤膜称重法，该方法让空气经不同粒径颗粒切割器后，通过事先放置的滤纸，PM2.5、PM10等不同粒径的可吸入颗粒物将收集到相应的滤纸上；经过一定时间后，取出滤纸，通过比较滤纸吸附前后的质量的变化来推测可吸入颗粒物浓度。

(2) 射线吸收法，该方法采用和滤膜称重法相同的技术获得沉积有颗粒物的滤纸，用β射线照射；β射线穿过滤纸和颗粒物的衰减程度与颗粒物质量成正比，据此根据射线吸收情况计算出颗粒物质量并计算其浓度（农永光等，价值工程，2013（35），pp.304-305）。

(3) 微量振荡天平法，该方法采用锥形空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，通过相应粒径的切割器，该粒径可吸入颗粒物被截留在滤芯上。在电场作用下，细头以一定频率振荡，振荡频率与细头重量平方根成反比，根据振荡频率的变化，可以算出收集到颗粒物的质量并能根据进气量推算出其浓度（农永光等，价值工程，2013（35），pp.304-305）。

(4) 激光散射法, 该方法基于Mie散射理论，利用激光做光源，采用光电器件接收光强度，根据散射光通量和粒径关系来确定空气中颗粒体密度，并推算出颗粒浓度（葛宝臻等，天津大学学报（自然科学与工程技术版），2013（1），pp.22-28）。

上述方法均存在一定的不足：

滤膜称重法、射线吸收法方法采样时间较长，不适合实时性测量的要求；微量天平法受湿度、温度的干扰较大；激光散射法虽然能够做到对可吸入颗粒物的实时测量，但是由于激光散射与颗粒物折射率有关，该方法所得结果准确性欠佳。

上述方法均无法对可吸入颗粒物进行在线成像，对PM2.5、PM10等不同粒径的可吸入颗粒物测量也必须依赖于切割器；这一方面使得难以直观的看到可吸入颗粒的运动行为，另一方面也增加了装置设计的复杂度。

除上述方法外，现在人们也探索使用数字全息术来测量PM2.5等可吸入颗粒物；该方法基于全息技术、CCD、CMOS等光电器件以及计算机技术，使可吸入颗粒物实时成像成为可能。目前用以观测可吸入颗粒物的数字全息术是同轴数字全息术，该方法利用颗粒物边缘的散射光作为参考光来记录可吸入颗粒物的相位信息（王萍，光学仪器，2015（4），pp.287-292）。这种方法虽然可以对颗粒物进行全息成像，但是由于物光和参考光方向相同，全息图频谱信息交叠严重，所得像的分辨率较低。

近些年兴起的基于层叠衍射（Ptychography）的显微技术也可以用来记录并显示物体全息图像。该方法首先记录物体一系列衍射图，每个衍射图至少同另外一个衍射图有交叠区域；之后通过迭代计算来得到物体信息，该信息满足所有衍射图的要求，从而再现出物体全息像。该方法可以得到比传统数字全息术分辨率更高的图像，甚至可以超过瑞利判据所确定的光学极限（Marrison et al, Sci. Rep, 2013(3), No. 2369）。一般的层叠衍射显微术通过移动光源和样品的相互位置来得到一系列符合要求的衍射图，通常这借助于微机械装置来实现。而对于空气中PM2.5、PM10等可吸入颗粒物而言，其在空气中并非不动，它们存在着一定的沉降速率，实验结果表明，对于粒径在2μm左右的颗粒其在200μm/s的量级 (冷吟等，可吸入颗粒物在驻波声场中运动的可视化研究，工程热物理学报，2007（增刊1），pp.209-212)；根据斯托克斯沉降公式，沉降速率v和颗粒半径r的平方成正比，那么粒径为10μm的颗粒其沉降速率为5mm/s的量级。对这些颗粒进行衍射并采用拍摄速率不低于600fps的高速光电传感装置对其衍射图进行记录，那么相邻两帧衍射图一般会有交叠区域，并且拍摄速率越高，交叠区域越大，因此这种方法满足层叠衍射算法所需的条件，故可以利用层叠衍射算法对可吸入颗粒物进行再现成像。该过程无需将颗粒取下，因此此成像为在线成像；结合在光场中的定位技术，还可以实现对颗粒物的实时在线监测，通过计算机处理，颗粒将其形貌和行为实时显示出来。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于层叠衍射术的可吸入颗粒物检测方法，利用该方法能够对可吸入颗粒物进行全息成像、实时三维再现，并对不同粒径可吸入颗粒物浓度进行计算。该方法无需PM2.5、PM10等切割器，仪器构造简便；且能够对可吸入颗粒物进行准实时三维动态显示，不仅精度高，而且可以在线研究可吸入颗粒物的行为。

本发明技术方案如下文所示。

一种基于层叠衍射显微术的可吸入颗粒物检测方法，包括以下步骤：（1）如附图1所示，利用激光器1和光学透镜2产生球面发散激光束并将其照向待测空气，该激光束一般为发散光斑，照射空气时光斑横截面积在1mm²到100mm²的范围内，激光波长为200~1000nm；待测空气一般在含输入、泵出装置以及气压计31的透明气室3中，由输入装置输入该气室；泵出装置可用来排出气室中原有空气，防止残留空气带来测量误差；测量时输入输出装置保持封闭，使气室中空气静止；气室被激光束照射区域的两个面平行，且与激光束中心轴方向垂直，沿该方向气室内空间厚度在0.5mm到1mm之间；此气室距感光元件探头的距离不小于2cm，且和距激光束球心距离之比不小于10。

（2）利用高速CCD等电子感光元件接收通过待测空气的激光束光斑，并将其传输到含层叠衍射再现系统的处理器，传输装置采用有线传播或者蓝牙、Wifi等无线传播技术。

（3）对激光束光斑中所含可吸入颗粒物信息扣除背景信息后进行层叠衍射再现处理；其主要计算过程为：

第一步，根据颗粒在光斑中衍射图样确定所探测颗粒衍射斑在整个光斑中的相对位置，并将不同颗粒的衍射斑分开，根据一系列衍射图样，确定其位置的变化；

第二步，针对第一个颗粒，根据其衍射图的位置确定层叠衍射计算所需入射光波函数的初始值，其中R_j表示第j个衍射图中颗粒相对于其在第1个衍射图中位置的偏移；由于入射波为发散球面激光束，波长、距离气室位置已知，因此该入射波波函数已知，只需知道颗粒物在光斑中位置，此处的入射波函数便能求得，由于气室玻璃的影响，真实波函数与该波函数略有区别，可在随后迭代计算中进行修正；

第三步，层叠衍射计算所需颗粒形状相位分布（即物函数）初始值设定为圆形，透光率一般设为1，相位设为0；

第四步，根据入射波波函数和颗粒函数的初始值，得到颗粒入射函数初始值，其中角标0表示初始值；

第五步，得到更新的颗粒入射函数值；由于颗粒尺寸相对于其到感光元件的距离足够小，故衍射图样可满足夫琅禾费衍射条件，此时衍射图样强度，F{}表示傅里叶变换，操作过程中采用快速傅里叶变换；，由夫琅禾费衍射公式可以计算出此时在感光元件接收端的波函数为；将U ₀的相位部分保留，强度部分用I的平方根代替，生成新的接收端波函数，即；对进行傅里叶逆变换，得到新的颗粒入射函数初始值；

第六步，更新物函数O和入射波函数P，更新所需公式分别为：

第七步，比较是否达到精度要求，设定参量RMS 如下

如果RMS小于设定的误差值Err，则和P _new分别为物函数和入射光函数，反之，则将O₀和P₀用O_new和P_new代替，重复第四至七步，直至获得符合条件的物函数和入射光函数；Err一般取值为10^-3至10^-5，其取值越小，精度越高，迭代时间越长；

第八步，针对其他感兴趣的颗粒，重复第二至七步，直至将所有感兴趣的颗粒形貌像均获取为止；其中各感兴趣颗粒可以采用并行计算的方法，对各颗粒同时计算。

(4)将所得颗粒的形状相位分布（即物函数）显示出来，即得到其三维图像；根据其三维图像，统计不同粒径可吸入颗粒物浓度，并将再现图像、颗粒物浓度传输到显示设备中，传输装置采用有线传播或蓝牙、Wifi等无线传播技术。结合光斑所照射空气区域的体积可计算出不同粒径颗粒物体浓度，然后根据国标WS/T206-2001将其转化为相应的质量浓度。

（5）显示设备将再现全息图像、不同粒径可吸入颗粒物浓度等信息显示在屏幕。

本发明的技术效果为：(1)本发明通过对可吸入颗粒物可以实现在线三维成像，分辨率高；采用波长为525nm的激光，细处理（即Err取值为10^-5）时分辨率可达200nm；快速处理（即Err取值为10^-3）分辨率为1μm。

(2)本发明对可吸入颗粒物形貌再现过程的处理时间不超过5min，采用并行运算，可同时处理60~100个颗粒，此时颗粒数对处理时间无明显影响，因此本实验对可吸入颗粒物的准实时监测；结合光场对颗粒衍射图斑的定位，可以显示颗粒运动轨迹，这可为研究其行为提供帮助。

(3)本发明可以对不同粒径的可吸入颗粒物浓度同时进行统计计算，无需使用切割器。

附图说明

图1 一种基于层叠衍射成像技术的可吸入颗粒物检测方法所用装置示意图, 1为激光器，2为透镜组，22为滤光小孔，3为气室（含吸收和泵出装置的阀门），31为气压表，4为高速CCD，5为便携式电子计算机（含处理器和显示设备）。

图2 人工模拟环境中可吸入颗粒物监测的衍射图样，四幅图按1-4次序分别为相邻四个时间点图样,图中标尺代表20μm。

图3 人工模拟环境中可吸入颗粒再现图，子图为最左侧颗粒（子图正下方颗粒）再现图的放大图，主图标尺代表20μm，子图标尺代表1μm。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

实施例：基于层叠衍射算法对模拟环境中可吸入颗粒物的实时检测

搭建光路图并连接、调试相应设备

依照附图1所示光路图搭建检测可吸入颗粒物的光路并连接相应的设备，所用气室在激光照射区域内部厚度为1mm，接收设备4为拍摄速率为1000fps的高速CCD。激光经过透镜组2成球面波，球心位置在光学小孔22处。

获取背景信息

泵出气室3内空气；待气压表示数稳定在-0.1Mpa时，表明气室内空气抽取完毕；将波长为645nm的激光通过扩束后沿气室厚度方向照向气室，气室前表面（即靠近激光器的表面）光斑直径约为1cm，通过CCD接收光斑，将此光斑存储作为背景信息。

环境平衡

将气室3输入装置和输出装置打开，待气压表31示数不变时，表示气室内空气即为环境中气体，封闭输入和输出装置，并静置30s；环境采用人工模拟环境，即在密闭环境中点燃香烟产生颗粒。

获得所探测空气衍射图

将激光从获取背景信息的照射位置垂直射入气室，并通过高速CCD接收衍射光斑，每两个相邻光斑接收时间不超过1/240s，所得空气的典型衍射图如图2所示，其表示相邻4个时刻的衍射图样。

获得所探测空气的再现像

根据空气的衍射图进行层叠衍射计算。通过典型的衍射图2可以看出，4个时刻的灰尘衍射斑有重叠，因此可以通过层叠衍射算法进行计算。计算方法按照技术方案中步骤（3）中的方法进行，其第六步中的α、β取值为1。经过迭代所得到图2对应的可吸入颗粒物像如图3所示，图3的子图为最左侧颗粒的放大像，由此可以看出该方法能够对PM2.5等颗粒进行三维成像。

获得可吸入颗粒物浓度

处理器自动对将样本再现像按其大小进行分类统计，扣除背景信息后，统计出其个数并计算其体积大小，然后和所照射空气体积比较，并换算为标准状况下空气体积，计算出体浓度；根据国标WS/T206-2001换算出相应的质量浓度和污染指数。

信息显示

将颗粒物再现像和颗粒物浓度、污染指数等信息显示在便携式计算机5的屏幕上；不断刷新屏幕，可以看到颗粒物动态运动过程。

Claims

1.一种基于层叠衍射技术的可吸入颗粒物检测方法，包括以下步骤：

（1）利用激光器和光学透镜产生激光束并将其照向待测空气；

（2）利用电子感光元件接收通过待测空气的激光束光斑，并将其传输到含层叠衍射再现系统的处理器；

（3）含层叠衍射系统的处理器对光斑进行相位、形貌信息再现计算、显示，其过程包括颗粒初步定位、根据定位结果设定入射光初值、实时层叠衍射重建计算；

（4）统计不同粒径可吸入颗粒物浓度，并将再现图像、颗粒物浓度信息传输到显示设备中；

（5）显示设备将再现图像、不同粒径可吸入颗粒物浓度显示出来。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（1）中激光束为球面发散激光束，照射空气时光斑横截面积在1mm²到100mm²的范围内, 激光束波长为200~1000nm。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（1）中待测空气在透明气室中，气室含输入和泵出装置以及气压表，空气在测量时气室两端封闭，气压表保持稳定。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（2）中感光元件为高速CCD相机，帧率不低于600fps。

5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（2）中的激光束光斑通过无线传输技术传输入处理器中。

6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（4）中再现图像、颗粒浓度信息通过无线传输技术传输入显示设备中。

7.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（1）中待测空气在透明气室中，该气室被激光束照射区域的两个面平行，且均与激光束中心轴方向垂直。

8.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（1）种激光束为球面发散激光束，待测空气在透明气室中，透明气室距电子感光元件的距离不小于2cm，该距离与透明气室距激光束球心的距离之比不小于10。