基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置及方法

1.本发明涉及气溶胶浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置及方法。


背景技术：

2.随着世界环境污染情况逐渐恶化，如何观测气溶胶的传播规律引起各国研究人员的注意。目前研究主要采用激光诱导荧光技术，利用光学遥感技术对二维气溶胶分布进行还原对研究气溶胶扩散规律具有重大意义。目前的成像激光雷达主要采用脉冲激光雷达技术，通过大口径的望远镜以及高灵敏度的探测器可以对路径上的气溶胶分布进行精准定位。虽然脉冲激光雷达技术已经很成熟，但是其高昂的费用以及较大的盲区依旧是目前很难解决的问题。
3.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置及方法，可以在整体体积更小的同时对近距离的气溶胶分布进行精确探测。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置包括，
7.旋转装置，
8.激光发射装置，其以预定角度朝待测的气溶胶样品发射激光光束，所述激光发射装置固定于所述旋转装置上，
9.接收装置，其采集所述激光光束穿过所述气溶胶样品激发生成的荧光强度信号，固定于所述旋转装置的接收装置包括望远镜，
10.光路调节装置，其固定于所述旋转装置，所述光路调节装置包括光学传感器，所述光学传感器的感光面、望远镜的光轴面以及气溶胶样品表面的延长面相交于同一直线，
11.控制装置，其包括工控机与信号发生器，所述工控机控制信号发生器以同步激光发射装置与光路调节装置。
12.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述旋转装置包括旋转平台及其驱动组件，所述激光发射装置、接收装置和光路调节装置固定于所述旋转平台以通过改变不同的探测角度来获取不同方向上的荧光强度信号。
13.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述激光光束为近红外波段激光。
14.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述光路调节装置还包括设在感光面前的滤光片。
15.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述控制装置包括用于
将荧光强度信号转换为数字信号并去噪的信号处理器。
16.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，控制装置调整激光光束的发射角度以获得不同方向上的荧光强度信号，所述信号处理器基于不同方向上的荧光强度信号生成二维空间信号场。
17.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述激光发射装置和气溶胶样品之间设有用于准直的激光准直装置。
18.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述激光发射装置连接温度驱动单元和电流驱动单元，所述工控机连接所述温度驱动单元和电流驱动单元以调节所述激光发射装置的电流与温度。
19.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置中，所述预定角度为发射的激光光束与激光发射装置所在的初始角度的夹角。
20.一种所述基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的检测方法包括以下步骤，
21.工控机控制信号发生器进行激光发射装置与光路调节装置的同步开启且控制激光发射，
22.引导激光光束通过激光准直装置后以预定角度向待测空间内发射到待测气溶胶样品上，通过接收装置采集所述激光光束与被测气溶胶样品激发出的后向散射荧光强度信号，其中，感光面、望远镜的光轴面以及气溶胶样品表面的延长面相交于同一直线，
23.通过旋转装置使激光发射装置、光路调节装置、接收装置所在的旋转平台进行旋转，从而对二维空间进行不同角度的扫描以及数据采集，通过调整激光在空间中的角度，获得不同方向上的荧光强度信号，从而得到获得二维空间信号场。
24.在上述技术方案中，本发明提供的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置，具有以下有益效果：本发明利用被摄体平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于同一直线时得到全面清晰的影像，可以在探测路径上获得无穷远的景深，探测平面可以对物面进行清晰的成像，并且可以得到极高的距离分辨率，本发明能够得到整体体积更小的同时对近距离的气溶胶分布进行精确探测，且系统在近距离时距离分辨率提升至厘米至毫米级别，大幅提高探测性能，极大的减小系统的盲区，大幅提高系统近距离探测性能。
附图说明
25.为了更清楚地说明本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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明一个实施例的基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的结构示意图；
27.图2是本发明一个实施例的基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的示意图；
28.图3是本发明一个实施例的基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置检测方法的流程示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施
方式中的附图1至图3，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
37.在一个实施例中，如图1至图2所示，一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置包括，
38.旋转装置9，
39.激光发射装置3，其以预定角度朝待测的气溶胶样品发射激光光束，所述激光发射装置3固定于所述旋转装置9上，
40.接收装置8，其采集所述激光光束穿过所述气溶胶样品激发生成的荧光强度信号，固定于所述旋转装置9的接收装置8包括望远镜，
41.光路调节装置7，其固定于所述旋转装置9，所述光路调节装置7包括光学传感器，所述光学传感器的感光面、望远镜的光轴面以及气溶胶样品表面的延长面相交于同一直线，
42.控制装置，其包括工控机5与信号发生器6，所述工控机5控制信号发生器6以同步激光发射装置与光路调节装置7。
43.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述旋转装置9包括旋转平台及其驱动组件，所述激光发射装置3、接收装置8和光路调节装置7固定于所述旋转平台以通过改变不同的探测角度来获取不同方向上的荧光强度信号。
44.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述激光光束为近红外波段激光。
45.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述光路调节装置7还包括设在感光面前的滤光片。
46.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述控制装置包括用于将荧光强度信号转换为数字信号并去噪的信号处理器。
47.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，控制装置调整激光光束的发射角度以获得不同方向上的荧光强度信号，所述信号处理器基于不同方向上的荧光强度信号生成二维空间信号场。
48.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述激光发射装置3和气溶胶样品之间设有用于准直的激光准直装置4。
49.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述激光发射装置3连接温度驱动单元1和电流驱动单元2，所述工控机5连接所述温度驱动单元1和电流驱动单元2以调节所述激光发射装置3的电流与温度。
50.所述的一种基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的优选实施例中，所述预定角度为发射的激光光束与激光发射装置3所在的初始角度的夹角。
51.在一个实施例中，基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置包括：
52.激光发射装置3，用于发射激光，通过工控机5控制信号发生进行激光发射装置与光路调节装置7的同步开启，同时对温度驱动和电流驱动进行控制，并对激光出射的合适电流与温度进行调节，调节激光器的光束通过激光准直装置4之后以一定角度向待测空间内发射到待测气溶胶样品上；所述的一定角度指的是在系统固定好后，经过旋转装置9后发射的激光与激光发射装置3所设初始角度的夹角；所述的待测空间指的是不大于100m*100m的二维空间。
53.光路调节装置7，用于调节光学探测器的不同夹角，使激光发射装置3和接收装置8所在的光学系统满足沙氏成像定律。
54.接收装置8，用于采集激光发射装置3所发出的激光与被测气溶胶样品激发出的强度信号，并通过光学探测器进入计算机装置进行数据采集。
55.旋转装置9，用于使激光发射装置3、光路调节装置7、接收装置8三个装置所在的整体平台进行旋转，从而对二维空间进行不同角度的扫描，获得二维空间荧光信号场。
56.计算机装置，包括工控机5与信号发生器6，用于对整个系统内的不同装置进行开启关闭以及同步操作，并处理接收装置8所得到的荧光强度信息。
57.在一个实施例中，所述的旋转平台通过改变不同的探测角度来获取不同方向上的荧光强度信号。所采集的信号为经过滤光片后的气溶胶后向散射荧光强度信号，从而更好地捕捉气溶胶荧光特性。
58.在一个实施例中，利用光学传感器接收装置8收集的后向散射荧光，将其转化为数字电信号，并可通过计算机系统实现数据的缓存和传输。通过信号发生器6可以控制激光发射装置3与光路调节装置7的同步，从而减少由于图像探测器的常开而引入的杂散信号。计算机系统可以通过算法对强度信息进行处理，通过对初始时的强度信息进行采集，将每次探测所得的强度信息与其相减并通过信号处理算法，减少背景光带来的噪声信息对整个系统的干扰，所述的计算机系统还可以将所得到的多幅一维强度数据进行二维重建，从而获得在整个气溶胶流场内的二维荧光强度场信息。
59.在一个实施例中，二维气溶胶浓度检测装置包括温度驱动单元1，电流驱动单元2，激光发射装置3、激光准直装置4、工控机5、光路调节装置7，接收装置8。通过工控机5控制信号发生器6进行激光发射装置3与光路调节装置7里的光学传感器同步开启，同时对温度驱动单元1和电流驱动单元2进行控制，并对激光出射的合适电流与温度进行调节，控制激光发射，并引导激光光束通过激光准直装置4后以预定角度向待测空间内发射到待测气溶胶样品上，所述的预定角度指的是在系统固定好后，经过旋转装置后发射的激光与激光发射装置所设初始角度的夹角，所述的待测空间指的是不大于100m*100m的二维空间。通过接收装置8采集激光发射装置3所发出的激光与被测气溶胶样品激发出的后向散射荧光强度信号。通过旋转装置9，使激光发射装置3、光路调节装置7、接收装置8三个装置所在的整体平台进行旋转，从而对二维空间进行不同角度的扫描，再经过光学探测器进入工控机5进行数据采集，通过调整激光在空间中的角度，获得不同方向上的强度信息，从而得到获得二维空间信号场。
60.在一个实施例中，激光发射装置3包括二极管激光器。
61.在一个实施例中，接收装置2包括望远镜模块；光路调节装置3包括带通滤光片以及光学传感器；光学传感器通过固定连接件固定，确保光学传感器的感光面与望远镜光轴以及物体平面满足沙氏定律，光学传感器负责将望远镜接收到的光信号转化为电信号传输给工控机5。
62.在一个实施例中，旋转装置9包括旋转平台，负责将整个固定底板进行旋转，从而使激光打向整个二维空间的不同角度；工控机5包括重建单元及控制单元，负责对扫描之后获得的信号强度值进行二维重建，从而获得二维浓度场；控制单元负责整个系统的时序，控制温度驱动单元1，电流驱动单元2，激光发射装置3、信号发生器6以及旋转装置9的同步；重建单元同时负责系统信号的处理，通过在系统启动前对原始二维场信号进行采集，通过实时信号与其相减获得去噪处理后的信号值。
63.在一个实施例中，通过工控机5对激光发射装置3进行触发，发射出一定波长的连续激光，一定波长指的是808nm波长激光。
64.在一个实施例中，激光通过准直扩束装置4，发射出与接收装置8的光轴平行的连续激光，激光与路径中的气溶胶发生作用，通过接收装置8接收不同的荧光回波信号，接收装置8接收到的光信号聚集在光学传感器上，并通过光学传感器将接收到的光信号转化为电信号，由于电信号存储在光学传感器的不同像元上，通过计算机软件对其进行信号处理，
可以得到不同距离处的信号强度。
65.在一个实施例中，通过工控机5对旋转平台9进行控制，从而获得不同角度不同距离处的二维距离
‑
信号强度值关系。通过工控机6可以对得到的不同距离处信号强度值进行二维重建，从而可以得到在流场中的气溶胶强度场分布。
66.一种所述基于沙氏成像的荧光气溶胶浓度检测装置的检测方法包括以下步骤，
67.工控机5控制信号发生器6进行激光发射装置与光路调节装置7的同步开启且控制激光发射，
68.引导激光光束通过激光准直装置4后以预定角度向待测空间内发射到待测气溶胶样品上，通过接收装置8采集所述激光光束与被测气溶胶样品激发出的后向散射荧光强度信号，其中，感光面、望远镜的光轴面以及气溶胶样品表面的延长面相交于同一直线，
69.通过旋转装置9使激光发射装置3、光路调节装置7、接收装置8所在的旋转平台进行旋转，从而对二维空间进行不同角度的扫描以及数据采集，通过调整激光在空间中的角度，获得不同方向上的荧光强度信号，从而得到获得二维空间信号场。
70.所述基于沙氏成像定律的荧光气溶胶浓度检测方法的优选实施方式中，如图3所示，通过工控机5控制信号发生器6进行激光发射装置与光路调节装置7的同步开启，同时对温度驱动单元和电流驱动单元进行控制，并对激光出射的合适电流与温度进行调节，控制激光发射，并引导激光光束通过激光准直装置4后以一定角度向待测空间内发射到待测气溶胶样品上，所述的一定角度指的是在系统固定好后，经过旋转装置9后发射的激光与激光发射装置3所设初始角度的夹角，所述的待测空间指的是不大于100m*100m的二维空间；通过接收装置8采集激光发射装置3所发出的激光与被测气溶胶样品激发出的后向散射荧光强度信号。通过旋转装置9，使激光发射装置3、光路调节装置7、接收装置8三个装置所在的整体平台进行旋转，从而对二维空间进行不同角度的扫描，再经过光学探测器进入计算机装置进行数据采集，通过调整激光在空间中的角度，获得不同方向上的强度信息，从而得到获得二维空间信号场。
71.本发明实现在近红外波段对范围内的流场气溶胶监测，利用激光诱导荧光，通过激光发射装置3发射一定波长的激光，光路调节装置7实现对光路的调节，再通过接收装置8接收信号光，最后通过旋转装置9实现系统的二维扫描，从而实现对二维空间内气溶胶流场的荧光信号实时监测。
72.最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
73.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。