一种颗粒物运动轨迹捕捉系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种颗粒物运动轨迹捕捉系统及方法，所述系统包括：微型激光雷达测定装备和相机；所述微型激光雷达测定装备包括：激光器、俯仰台及激光设备保护外壳，所述激光器位于所述俯仰台上；所述激光器用于发射激光；所述相机用于拍摄所述激光，根据拍摄得到的照片中像素点的灰度值和像素点的高度确定颗粒物的浓度，对比不同时间的颗粒物浓度空间分布的差异，得到颗粒物的运行轨迹。本发明专利技术中的上述系统及方法能够实时动态展示颗粒物浓度的三维时空动态变化，捕捉颗粒物的运动轨迹，并能提高检测精度。提高检测精度。提高检测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒物运动轨迹捕捉系统及方法


[0001]本专利技术涉及空气颗粒物浓度测量领域，特别是涉及一种颗粒物运动轨迹捕捉系统及方法。

技术介绍

[0002]PM
2.5
指空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物，能直接渗透进人体的呼吸道及肺部，并被证明与许多疾病(例如：呼吸、神经、生殖系统疾病等)存在潜在关联。每年全球暴露于PM
2.5
导致的过早死亡人数超过百万。研究表明，吸烟、烹饪、打扫、使用固体燃料、焚香等人类活动会造成严重的颗粒物污染现象。
[0003]需要指出，颗粒物浓度受内源和外源位置、人为活动扰动及对流和扩散等因素的影响，在整个三维空间的浓度分布并非均匀，且具有随时间快速变化的动态特征。
[0004]传统的颗粒物浓度测定方法(例如撞击式称重法)的主要局限为点位固定，然而，这种单点观测的方式获得的结果不仅代表性差，且不能提供颗粒物污染的空间分布及其动态变化的信息。
[0005]近年来，有研究尝试利用低成本传感器阵列，实现对于颗粒物浓度时空分布的测量。低成本传感器对PM
2.5
浓度信息的捕捉具有较高的时间分辨率，然而，低成本传感器阵列的测量准确性和重复性差，对设备进行逐一校准的误差大；此外，传感器阵列只能涵盖空间中若干离散点的浓度变化，设备安放条件、数量等限制了其高空间分辨率的观测。
[0006]此外，激光雷达技术也逐渐被应用于颗粒物时空分布的研究，尤其是在颗粒物的垂直高度分析中。通过颗粒物对激光的散射，基于前向、反向或侧向散射测量，可以获得大气垂直剖面上的颗粒物浓度廓线。最近，根据CMOS像元灰度和颗粒物光散射强度之间的关系，CCD
‑
激光空气颗粒物监测系统提供了一种新的可专用于室内PM
2.5
监测的技术，可以获得垂直剖面的差异变化。但是这类技术无法刻画多维动态变化，且由于颗粒物的非球性等特征，散射激光信号、像元灰度值、颗粒物质量浓度三者之间的定量关系存在较大的不确定性，制约了这一技术用于准确量化颗粒物浓度，从而用于健康暴露风险评估的实用性。
[0007]对颗粒物速度矢量的测量，可借助粒子图像测速技术。该技术利用一台或多台相机，捕获流场中的示踪粒子对片状激光(2D
‑
PIV)或体状激光(3D
‑
PIV)的散射信号，利用复杂的互相关算法处理连续的两张曝光图像，经过逐点处理得到流体速度场。然而：1.此技术着眼于气流速度信息的获取，不能获取流场内颗粒物的浓度分布的实时定量信息；2.该技术中，颗粒物起到示踪作用(通入的示踪粒子密度，需要与流场密度近似，以便不干扰流场流动)；这一特点不适用于探究室内其他粒径颗粒物的运动规律(例如PM
10
、总悬浮颗粒物)；3.片状激光只能获取二维平面信息，而体状激光数据很难还原三维动态过程；4.片状/体状激光器及多台相机系统的搭建、复杂算法的配合均增加了该技术的成本与操作难度。
[0008]本专利技术设计了一套“同步量化颗粒物多维动态变化特征”的系统。利用该系统及其算法可以不仅可以获得颗粒物浓度三维分布特征，更可以根据浓度场的时间变化信息，获得颗粒物的运动轨迹特征，反应颗粒物受热或受风作用后的四维时空变化，揭示其扩散或
去除机理。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种颗粒物运动轨迹捕捉系统及方法，能够实时动态展示颗粒物浓度的三维时空动态变化，并能提高检测精度。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种颗粒物运动轨迹捕捉系统，所述捕捉系统包括：
[0012]微型激光雷达测定装备和相机；
[0013]所述微型激光雷达测定装备包括：激光器、俯仰台及激光设备保护外壳，所述激光器位于所述俯仰台上；
[0014]所述激光器用于发射激光；
[0015]所述相机用于拍摄所述激光，根据拍摄得到的照片中像素点的灰度值和像素点的高度确定颗粒物的浓度。
[0016]可选的，所述激光器为多个，并排列形成激光器阵列。
[0017]可选的，所述捕捉系统还包括：黑色背景布，所述黑色背景布位于所述激光器阵列的后方及上方。
[0018]可选的，所述测量系统还包括：PM在线检测仪，垂直置于所述激光阵列的四个顶角位置。
[0019]可选的，所述激光器的波长为532nm。
[0020]可选的，所述相机为CMOS相机。
[0021]基于本专利技术中的上述捕捉系统，本专利技术另外提供一种颗粒物运动轨迹捕捉方法，所述方法包括：
[0022]利用相机获取颗粒物散射光影像；
[0023]对所述颗粒物散射光影像进行距离校正；
[0024]在校正后的颗粒物散射光影像中提取激光光路中不同高度处的灰度值；
[0025]构建颗粒物浓度预测模型；
[0026]基于所述颗粒物浓度预测模型对颗粒物浓度进行预测；
[0027]基于不同时间的颗粒物浓度空间分布的差异，确定颗粒物的运行轨迹。
[0028]可选的，所述颗粒物浓度预测模型的表达式如下所示：
[0029]C＝p0+p1×
H+p2×
G+p3×
(H)2+p4×
H
×
G
[0030]其中，C表示颗粒物浓度，H表示衰减距离，G表示灰度值，P0，P1，P2，P3以及P4均为常数。
[0031]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0032]本专利技术中的上述系统通过设置微型激光雷达测定装备和相机；来对颗粒物浓度进行检测，其中微型激光雷达测定装备包括：激光器、俯仰台及激光设备保护外壳，所述激光器位于所述俯仰台上；其中激光器为多个，并排列形成激光阵列；所述激光器用于发射激光；所述相机用于拍摄所述激光，根据拍摄得到的照片中像素点的灰度值和像素点的高度确定颗粒物的浓度，对比不同时间的颗粒物浓度空间分布的差异，得到颗粒物的运行轨迹，本专利技术中的上述系统及方法能够实时监测颗粒物的运动轨迹，大大提高检测精度。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术实施例颗粒物运动轨迹捕捉系统结构示意图；
[0035]图2为本专利技术实施例系统获取影像的效果图；
[0036]图3为本专利技术实施例校准标准曲面示意图；
[0037]图4为本专利技术实施例吸烟场景下PM
2.5
浓度时空变化效果图；
[0038]图5(a)
‑
图5(f)为本专利技术实施例吸烟场景下PM
2.5
浓度在特定时间的三维分布图及二维切面图；
[0039]图6为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种颗粒物运动轨迹捕捉系统，其特征在于，所述捕捉系统包括：微型激光雷达测定装备和相机；所述微型激光雷达测定装备包括：激光器、俯仰台及激光设备保护外壳，所述激光器位于所述俯仰台上；所述激光器用于发射激光；所述相机用于拍摄所述激光，根据拍摄得到的照片中像素点的灰度值和像素点的高度确定颗粒物的浓度。2.根据权利要求1所述的颗粒物运动轨迹捕捉系统，其特征在于，所述激光器为多个，并排列形成激光器阵列。3.根据权利要求2所述的颗粒物运动轨迹捕捉系统，其特征在于，所述测量系统还包括：黑色背景布，所述黑色背景布位于所述激光器阵列的后方及上方。4.根据权利要求2所述的颗粒物运动轨迹捕捉系统，其特征在于，所述测量系统还包括：PM在线检测仪，垂直置于所述激光阵列的四个顶角位置。5.根据权利要求1所述的颗粒物运动轨迹捕捉系统，其特征在于，所述激光器的波长为532nm。6.根据权利要求1所述的颗粒物运动轨迹捕捉系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：何鑫，郑淑绣，张恒，焦小乔，沈国锋，陶澍，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：