CN108844870B

CN108844870B - 基于光纤结构的pm10和pm2.5探测仪器装置和系统

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Publication number: CN108844870B
Application number: CN201810901074.0A
Authority: CN
Inventors: 张灵艺; 唐健峰; 余正龙; 艾乔; 罗融融
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2038-08-08
Also published as: CN108844870A

Abstract

本发明提供了基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置和系统，包括：光信号产生单元、探测阵列和光频转化单元；光信号产生单元，与探测阵列相连接，用于产生光信号，并将光信号加载至探测阵列；探测阵列，与光频转化单元相连接，用于发射光信号，并根据测量区的颗粒散射情况接收散射光信号，并将散射光信号发送至光频转化单元；光频转化单元，用于根据散射光信号产生频率信号，并根据频率信号获知大气中不同粒子直径的分布及环境指标。本发明采用全光纤设计，光学分立元件少、系统可靠性高，探头体积小，易于在环境中铺设，更适合于目前的环境探测。

Description

基于光纤结构的PM10和PM2.5探测仪器装置和系统

技术领域

本发明涉及环境PM₁₀和PM_2.5测试技术领域，尤其是涉及基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置和系统。

背景技术

随着城市大规模建设，环境中的粉尘污染日益严重。在各种颗粒污染物中，直径小于10μm的颗粒物(PM₁₀)称为可吸入颗粒物。可吸入颗粒物不仅对大气能见度影响很大而且严重威胁了人类健康,PM_2.5(直径小于 2.5μm的颗粒物)因能够进入人体肺部导致肺泡发炎而被认为具有更大的危害性。而植物对粉尘具有明显的阻挡、过滤和吸附作用，所以城市绿化建设能有效减少大气中粉尘颗粒物。目前该方面研究已经从单株植物向不同植物群落滞尘能力发展。研究中为了更准确测量植物群落附近PM₁₀和PM_2.5浓度的空间分布及变化情况，需要探测仪器具备多位置、实时探测能力，且探头体积小，从而方便在植物群落周围布设。

但目前光散射型粒度仪多为手持便携式测量仪，不方便布设且不能实现多位置同时探测，只能实现单点测量。而且国内外相关学术研究主要围绕提高单个探头的测量精度开展，而针对解决当前工程应用中探头小型化，准分布测量需求的研究较为空白。

综上所述，目前现有技术的客观缺点在于缺少一种准确测量环境指标的仪器装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置和系统，通过采用全光纤设计，使得光学分立元件减少、系统可靠性增高，探头体积小，易于在环境中铺设，更适合于目前的环境探测。

第一方面，本发明实施例提供了基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，包括：光信号产生单元、探测阵列和光频转化单元；

所述光信号产生单元，与所述探测阵列相连接，用于产生光信号，并将所述光信号加载至所述探测阵列；

所述探测阵列，与所述光频转化单元相连接，用于发射所述光信号，并根据测量区的颗粒散射情况接收散射光信号，并将所述散射光信号发送至所述光频转化单元；

所述光频转化单元，用于根据所述散射光信号产生频率信号，并根据频率信号获知大气中不同粒子直径的分布及环境指标。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括光纤耦合器，所述光纤耦合器包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，所述探测阵列包括多个探头，所述探头包括发射光纤和接收光纤。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，还包括:

所述第一光纤耦合器，分别与所述光信号产生单元和所述探测阵列相连接，用于对所述光信号产生单元产生的所述光信号进行分光，并将分光后的光信号加载至所述探测阵列；

所述第二光纤耦合器，分别与所述探测阵列和所述光频转化单元相连接，用于对所述探测阵列发送的散射光信号进行合波，并将合波后的散射光信号发送至所述光频转化单元。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述光信号产生单元包括激光器、强度调制器和调频连续波FMCW信号源，所述光频转化单元包括光电探测器、乘法器、滤波器和傅里叶变换单元。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，还包括：

所述激光器，与所述强度调制器相连接，用于产生光强不变的连续光输出至所述强度调制器；

所述FMCW信号源，与所述强度调制器相连接，用于产生第一电信号，并将所述第一电信号加载至所述强度调制器；

所述强度调制器，通过所述第一光纤耦合器与所述探测阵列相连接，用于根据所述电信号将所述连续光调制为FMCW光信号。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括：

所述光电探测器，分别与所述第二光纤耦合器和所述乘法器相连接，用于将所述合波后的散射光信号转换为第二电信号，并将所述第二电信号发送至所述乘法器；

所述乘法器，分别与所述FMCW信号源和所述滤波器相连接，用于将所述第二电信号与所述FMCW信号源产生的所述第一电信号相乘得到第三电信号；

所述傅里叶变换单元，通过所述滤波器与所述乘法器相连接，用于对所述第三电信号进行傅里叶变换得到不同的频率信号，以根据所述不同的频率信号中的脉冲大小和个数确定所述粒子直径和所述环境指标。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述第一光纤耦合器为4个，所述第二光纤耦合器为1个。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述光信号经过所述第一光纤耦合器后产生4组测试光和1组参考光，且所述测试光被加载至所述发射光纤上，所述参考光被加载至所述第二光纤耦合器上，以与所述散射光信号合波。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述探头包括光纤球形透镜。

第二方面，本发明实施例提供了基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器系统，包括如上所述的基于光纤结构的环境探测仪器装置，还包括仪器手柄。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置示意图；

图2为本发明实施例提供的另一基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置示意图；

图3为本发明实施例提供的粒子直径与前向散射光通量关系；

图4为本发明实施例提供的参考信号与反射信号的时频曲线图；

图5为本发明实施例提供的光纤PM_2.5和PM₁₀探测器探头。

图标：

100-光信号产生单元；110-激光器；120-强度调制器；130-FMCW信号源；200-探测阵列；300-光频转化单元；310-光电探测器；320-乘法器；330- 滤波器；340-傅里叶变换单元；400-第一光纤耦合器；500-第二光纤耦合器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

综上所述，目前现有技术的客观缺点在于缺少一种准确测量环境指标的仪器装置。基于此，本发明实施例提供的基于光纤结构的环境探测仪器装置和系统，采用全光纤设计，光学分立元件少、系统可靠性高，探头体积小，易于在环境中铺设，更适合于目前的环境探测。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的基于光纤结构的环境PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置进行详细介绍。

实施例一：

参照图1，基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，包括：光信号产生单元100、探测阵列200和光频转化单元300；

光信号产生单元100，与探测阵列200相连接，用于产生光信号，并将光信号加载至探测阵列；

探测阵列200，与光频转化单元300相连接，用于发射所述光信号，并根据测量区的颗粒散射情况接收散射光信号，并将散射光信号发送至光频转化单元；

光频转化单元300，用于根据散射光信号产生频率信号，并根据频率信号获知大气中不同粒子直径的分布及环境指标。

进一步地，还包括光纤耦合器，光纤耦合器包括第一光纤耦合器400 和第二光纤耦合器500，探测阵列200包括多个探头，探头包括发射光纤和接收光纤。

进一步地，第一光纤耦合器400，分别与光信号产生单元100和探测阵列200相连接，用于对光信号产生单元产生的光信号进行分光，并将分光后的光信号加载至探测阵列200；

第二光纤耦合器500，分别与探测阵列200和光频转化单元300相连接，用于对探测阵列200发送的散射光信号进行合波，并将合波后的散射光信号发送至光频转化单元300。

进一步地，光信号产生单元100包括激光器110、强度调制器120和调频连续波FMCW信号源130，光频转化单元300包括光电探测器310、乘法器320、滤波器330和傅里叶变换单元340。

进一步地，激光器110，与强度调制器120相连接，用于产生光强不变的连续光输出至强度调制器；

FMCW信号源130，与强度调制器120相连接，用于产生第一电信号，并将第一电信号加载至强度调制器；

强度调制器120，通过第一光纤耦合器400与探测阵列200相连接，用于根据电信号将连续光调制为FMCW光信号。

进一步地，光电探测器310，分别与第二光纤耦合器500和乘法器320 相连接，用于将合波后的散射光信号转换为第二电信号，并将第二电信号发送至乘法器；

乘法器320，分别与FMCW信号源130和滤波器330相连接，用于将第二电信号与FMCW信号源产生的第一电信号相乘得到第三电信号；

傅里叶变换单元340，通过滤波器330与乘法器320相连接，用于对第三电信号进行傅里叶变换得到不同的频率信号，以根据不同的频率信号中的脉冲大小和个数确定粒子直径和环境指标。

进一步地，第一光纤耦合器为4个，第二光纤耦合器为1个。

进一步地，光信号经过第一光纤耦合器后产生4组测试光和1组参考光，且所述测试光被加载至发射光纤上，参考光被加载至第二光纤耦合器上，以与散射光信号合波。

进一步地，探头包括光纤球形透镜。

本发明实施例将传统的角散射法测量粒径系统改进。将光纤作为导光介质，利用光纤球形端面代替传统的分立透镜，实现探头小型化。引入雷达技术中的调频连续波(FMCW)技术，实现多个探头的复用。该系统能够对环境中多位置的PM₁₀和PM_2.5指标同时在线监测。并且整个系统光学部分采用全光纤设计，光学分立元件少、系统可靠性高，探头体积小，易于在环境中铺设。该设计对进一步实验研究提供参考，为植物群落滞尘效应研究提供了可行的探测方案。

实施例二：

为了实现准分布测量，本实施例提供了PM₁₀和PM_2.5传感阵列，如图 2所示。

系统工作过程如下：

1、激光器连续光输出，光强不变。FMCW信号源将电信号加载到强度调制器，激光经过强度调制器变成FMCW光信号。

2、调制后的光信号经过耦合器(第一光纤耦合器)分光进入到各探头中。为了使进入各探头的激光强度相同，C1到C4的分光比分别为1:4，1:3， 1:2，1:1。

3、经耦合器分出的光进入各个探头，在探头中发射光纤发射一束极细的平行光，在平行光束腰位置定义测量区域A(容积足够小，可以假设每次只有一个颗粒经过)。而接收光纤的焦点落于区域A内。当测量区没有颗粒时，没有散射现象发生，没有光进入接收光纤。当测量区域有颗粒物经过时产生散射信号，有光进入到接收光纤。

4、R1、R2、R3、R4四个接收光纤经耦合器(第二光纤耦合器)合波后进入到探测器。R5为参考光，由于减弱激光器光强波动对探测精度的影响。

5、接收光经光电探测器转换为电信号，与原有的FMCW信号源产生的电信号相乘。由于不同的光程差导致返回的光信号与FMCW产生的信号有不同的延时。从而产生不同的频率。

6、将相乘后的信号经过快速傅里叶变换的不同的频率信号。

7、当最左侧探头中有粒子经过测量区域时，R1接收到一个脉冲信号。快速傅里叶变换后，在响应的频率处出现一脉冲信号(频率大小可通过光路加延时环准确设计)。通过计算单位时间该频率处信号的个数即可知道通过探头一的粒子个数。通过脉冲大小与粒子直径的关系，即可得到所有粒子的直径。最终经过长时间的统计，即可知道大气中不同粒子直径的分布以及PM₁₀和PM_2.5等指标。

需要说明的是，现有技术在浓度统计过程属于算法上的相关内容，较为成熟，本实施例不作过多讲述。本实施例的创新点在于使用了光纤的结构，能够实现对多点的分布测量，且没有使用商用探测器中的分立透镜，使用了光纤球形透镜，实现了系统的小型化和高可靠。FMCW调制的使用目的是区分不同的探头信号。

该探测阵列由四个基元构成，激光器发射光进入光强度调制器。根据调频连续波原理，信号发生器产生一个频率周期变化的FMCW信号。一路信号对激光器进行强度调制，另一路作为参考信号输入到乘法器中。调制后的激光经耦合器C1～C4分光进入不同的探头中。当某一探头的探测区域微粒经过时，对应的接收光纤将散射的光信号收集到光电探测器转变为电信号。

当多个探头同时有微粒经过时，时域上不能对信号区分。但四个探头的光程不同，各路信号与参考信号相乘后得到不同差频信号，从而实现不同探头信号的区分。假设傅里叶变换后得到差频为f₁、f₂、f₃、f₄，其中f₁～f₄分别对应四个探头探测信号。测试中，探头中的测量区域有颗粒经过时，相应频率信号出现脉冲，脉冲的数目对应颗粒物的个数，脉冲的大小对应颗粒物的直径。经过长时间统计测量即可得到粒子分布以及质量浓度，从而得到四个位置大气的PM_2.5和PM₁₀指标。

该系统是强度型光纤传感系统，所以激光器功率波动会导致粒径测量不准确。为了减小光功率波动影响，将R5接收光作为参考光强，对应频差为f₅。该信号为连续信号，信号幅度与激光器功率成正比。用f₁除以f₄f₅的信号幅度，从而消除功率波动影响。

对本实施例涉及的角散射法测量原理解释如下：

大气中直径小于10μm的颗粒通常呈椭球形，可以近似为各向同性的球形粒子。根据MIE散射理论，当平行光入射到球形粒子时，其散射光强空间分布表示为：

式中，θ为散射光与入射光夹角，I₀为入射光强，λ为激光波长，观测点与微粒相距r。S₁(θ)和S₂(θ)分别为平行和垂直于散射截面的振幅分布函数，并表示为：

其中，系数a_n和b_n是与球形粒子尺度参数

(a为粒子直径)和折射率m有关的函数，表达式如下：

式中，

ξ_n、ξ’_n是与半阶Bessel和Hankel有关的函数，可由Matlab 软件自带的函数直接计算。式(2)中，角散射函数τ_n和π_n表达式如下：

其中，

为勒让德多项式，可由低阶递推到高阶，其递推公式如下：

将初值π₀＝0，π₁＝1带入上式即可求出各阶散射角函数。

根据上述MIE散射理论，利用Matlab软件，对激光波长λ＝650nm，折射率m＝1.57-0.56i的不同直径微粒散射特性仿真，根据粒子直径a＝0.1μm、 0.5μm、2.5μm、5μm、10μm时散射光强的空间分布仿真结果可知。当a/λ<<1，前向和后向散射强度分布均匀，此时发生瑞丽散射；当粒径增大到与波长尺寸相近，总散射光强增大且向小角度范围集中，此时发生MIE散射。为了提高探测信噪比，通常采用前向小角度接收。

角散射法是通过测量某个角度范围内的散射光通量实现对粒子直径的测量。图3为散射角θ＝5°～30°范围内粒径与光通量的关系。

由图3可知，该角度范围内粒子直径与光通量之间存在唯一对应关系。通过测量光通量大小即可确定粒子的直径。长时间测量可得到整个空气不同大小的粒子分布及PM₁₀和PM_2.5指标。

对本实施例涉及的调频连续波基本原理测量原理解释如下：

调频连续波(FMCW)技术是一种在高精度雷达测距中使用的技术。 FMCW雷达的基本原理是发射波为高频连续波，频率随时间按照锯齿波规律变化，雷达接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是锯齿波规律，只是有一个时间差，如图4所示。图中ω₀为中心角频率，Δω为角频率的扫描范围，T_m为调制周期。参考信号瞬时角频率可以表示为：

其中，0<t<T_m，

表示频率变化率。

频率关于时间积分得到信号的相位，从而得到参考信号函数S₁(t)：

同样，可得到反射信号S₂(t)

对参考信号和反射信号混频，并经过低通滤波器滤波得到其差频信号为：

式中，τ为参考信号和反射信号延时。差频信号的角频率可以表示为：

式中，c₁为探测信号传播速度，L反映了反射事件发生的位置。由上式可知，L和差频信号存在唯一对应关系。

对本实施例涉及的探头结构阐述如下：

当平行光照射到微粒时，前向小角度接收的散射光通量与粒径存在唯一对应关系，通过小角度下探测光通量的大小，即可知道粒子直径的大小。已有研究和产品中，多为手持型，且一次只能测量一个位置的粒子浓度，探头常采用分立透镜组对激光进行准直与接收。

为了实现探头小型化，利用光纤球形端面替代分立透镜组，从新设计的探头结构如图5所示。

图中发射光纤和接收光纤的端面均为球形透镜。与平端面光纤相比，球形端面具有聚光特性，可通过控制椭球参数得到理想的焦距。目前藤仓 LZM-100熔接机能够实现球形端面的制作，且参数可通过程序控制。

实施例三：

基于光纤结构的环境PM₁₀和PM_2.5探测仪器系统，包括如上所述的基于光纤结构的环境PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，还包括仪器手柄。

本发明实施例提供的基于光纤结构的环境PM₁₀和PM_2.5探测仪器系统，与上述实施例提供的基于光纤结构的环境探测仪器装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

本发明实施例所提供的基于光纤结构的环境PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置以及系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，其特征在于，包括：光信号产生单元、探测阵列和光频转化单元；

所述光频转化单元，用于根据所述散射光信号产生频率信号，并根据频率信号获知大气中不同粒子直径的分布及环境指标；

所述基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，还包括光纤耦合器，所述光纤耦合器包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，所述探测阵列包括多个探头，所述探头包括发射光纤和接收光纤；

所述的基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置还包括：

所述第一光纤耦合器，分别与所述光信号产生单元和所述探测阵列相连接，用于对所述光信号产生单元产生的所述光信号进行分光，生成测试光与参考光，并将分光后的所述测试光加载至所述探测阵列的所述发射光纤以及将所述参考光加载至所述第二光纤耦合器；

所述第二光纤耦合器，分别与所述探测阵列和所述光频转化单元相连接，用于对所述探测阵列发送的散射光信号进行合波，并将合波后的散射光信号发送至所述光频转化单元；

所述光信号产生单元包括激光器、强度调制器和调频连续波FMCW信号源，所述光频转化单元包括光电探测器、乘法器、滤波器和傅里叶变换单元；

所述强度调制器，通过所述第一光纤耦合器与所述探测阵列相连接，用于根据所述电信号将所述连续光调制为FMCW光信号；

2.根据权利要求1所述的基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器为4个，所述第二光纤耦合器为1个。

3.根据权利要求2所述的基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，其特征在于，所述光信号经过所述第一光纤耦合器后产生4组测试光和1组参考光，且所述测试光被加载至所述发射光纤上，所述参考光被加载至所述第二光纤耦合器上，以与所述散射光信号合波。

4.根据权利要求1所述的基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，其特征在于，所述探头包括光纤球形透镜。

5.一种基于光纤结构的PM₁₀和PM_2.5探测仪器系统，其特征在于，包括如权利要求1至权利要求4任一项所述的基于光纤结构的环境PM₁₀和PM_2.5探测仪器装置，还包括仪器手柄。