一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜

本发明属于大气粒子观察，具体涉及一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜。

背景技术：

1、大气微粒，又称大气粒子，指悬浮在大气中的固态质点或液态小滴等物质。除由水汽变成的水滴和冰晶外，主要指大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质；来自流量在空气中燃烧后产生的宇宙尘埃；地面燃烧所产生的烟粒；或被风卷尘土；海洋中浪花溅起在空中蒸发后留下的盐粒子；火山爆发后留在空气中的燃烧产物；由细菌，动物呼出的病毒，植物花粉等所组成的有机灰尘等。

2、在公开号为cn104142289a的中国专利中，提到了一种大气粒子的在线监视系统，它包括一倒置光学显微镜，倒置光学显微镜配备有一ccd相机，在倒置光学显微镜的载物台上设置一样品通道，样品通道为一由盖玻片制成的盒体，在盒体相对的两侧分别开设有一样品进口和一样品出口，所迷样品进口通过一采样管连接一pm2.5旋风分离器，样品出口通过另一采样管连接一流量控制器的气流入口，流量控制器的气流出口连接一采样泵，本发明能够利用高倍光学显微镜观测大气粒子的形态特征，并能够通过ccd相机及相关软件分析并统计图像所获取的不同大小及形态的颗粒物的数量，能同时实现颗粒物形态特征的观察及种类和数量的统计，实用性强，且设备简单易操作，自动化程度高，人力成本低，特别适用于实验室研究及外场观测，上述方案中的显微镜存在局限性，无法根据需要来调控观察画面，其画面往往存在模糊性，观察效果差，无法去噪，从而会影响到大气粒子观察准确性。

3、对此，发明人提出一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，用以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，所述观察方法包括以下步骤：

4、s1、样品制备，将大气粒子样品采样并收集在铜网上；

5、s2、透射电子显微镜观察，将粘有大气粒子的铜网放在透射电子显微镜下观察；

6、s3、去模糊处理，采用卷积神经网络对图像进行学习，通过生成对抗网络对图像进行去模糊处理；

7、s4、误差补偿，对透射电子显微镜测量误差进行补偿，得到完整精确画面；

8、s5、调节倍数，通过计算机编程调节透射电子显微镜的提高倍数。

9、优选的，所述样品采用方法为滤膜集尘超声波分散法、超薄切片法、冷冻断裂法和直接采样法中的一种或多种。

10、优选的，所述直接采样法将带有支持膜的铜网(200目或400目)放在带有冲击器的采样器中采样，大气粒子物直接沉降在铜网上，采样时间取决于大气粒子浓度的等情况，以铜网上采集到分布合适的颗粒物为准。

11、优选的，s2中观察利用透射电子显微镜图像和选区电子衍射(saed)可获得颗粒物的形态、尺寸和结构信息；利用透射电子显微镜的能谱仪，可以对原子序数大于11(na元素)的元素进行定量分析，对于带有超小或“无”窗口探头的能谱仪，可以探测到比b(硼)重的元素，对于颗粒物种类的辨别，要综合分析相关的透射电子显微镜图像，saed花样和化学成分，根据三者信息综合判断。

12、优选的，通过所述卷积神经网络学习，组成两个模块，利用生成对抗网络，对两个模块网络训练后，通过残差学习中的跳跃连接方式，对输入图像与网络的输出的噪声图像的残差信息相减，最终得到去噪后的图像。

13、优选的，所述透射电子显微镜的高提高倍率下可直接观察到单晶硅晶格标准器的晶面间距，对硅晶面间距的高分辨透射电子显微镜图像进行二维离散傅里叶变换，得到相应的衍射图像，在灰度值谱图上，以中心斑点为对称点，量取两个以上斑点之间的距离，从而得到两个衍射斑点间的距离作为评定长度，其倒数为晶面间距，同一评定长度重复测量10次，计算10次测量值的算术平均值作为评定长度l，被测标准器的硅晶面间距d＝n/l。

14、优选的，所述透射电子显微镜长度测量误差补偿公式：

15、

16、式中，s为透射电镜长度测量误差；di为第i次测量的平均硅晶面间距测得值；为测得值的算术平均值；n为测量次数，对误差进行补偿，得到完整画面。

17、优选的，通过计算机编程控制提高透射电子显微镜倍率和提高分辨率用于观察大气粒子的类型，通过计算机编程控制减小透射电子显微镜倍率用于观察整个画面中的大气粒子总量。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、(1)本发明通过采用直接采样法，将大气粒子采样在铜网上，通过透射电子显微镜对铜网进行观察，形成透射电子显微镜图像，同时利用卷积神经网络对图像进行学习，通过生成对抗网络对透射电子显微镜图像进行去模糊处理，提高画面清晰度，同时利用误差补偿，对图像进行误差补偿，减小因透射电子显微镜本身的误差给观测结果带来的影响，此外通过计算机编程调节透射电子显微镜的提高倍率，来根据需要观察大气粒子的类型和数量，从而便于提高观察效率和准确性。

技术特征：

1.一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于，所述观察方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：所述样品采用方法为滤膜集尘超声波分散法、超薄切片法、冷冻断裂法和直接采样法中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：所述直接采样法将带有支持膜的铜网(200目或400目)放在带有冲击器的采样器中采样，大气粒子物直接沉降在铜网上，采样时间取决于大气粒子浓度的等情况，以铜网上采集到分布合适的颗粒物为准。

4.根据权利要求1所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：s2中观察利用透射电子显微镜图像和选区电子衍射(saed)可获得颗粒物的形态、尺寸和结构信息；利用透射电子显微镜的能谱仪，可以对原子序数大于11(na元素)的元素进行定量分析，对于带有超小或“无”窗口探头的能谱仪，可以探测到比b(硼)重的元素，对于颗粒物种类的辨别，要综合分析相关的透射电子显微镜图像，saed花样和化学成分，根据三者信息综合判断。

5.根据权利要求2所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：通过所述卷积神经网络学习，组成两个模块，利用生成对抗网络，对两个模块网络训练后，通过残差学习中的跳跃连接方式，对输入图像与网络的输出的噪声图像的残差信息相减，最终得到去噪后的图像。

6.根据权利要求1所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：所述透射电子显微镜的高提高倍率下可直接观察到单晶硅晶格标准器的晶面间距，对硅晶面间距的高分辨透射电子显微镜图像进行二维离散傅里叶变换，得到相应的衍射图像，在灰度值谱图上，以中心斑点为对称点，量取两个以上斑点之间的距离，从而得到两个衍射斑点间的距离作为评定长度，其倒数为晶面间距，同一评定长度重复测量10次，计算10次测量值的算术平均值作为评定长度l，被测标准器的硅晶面间距d＝n/l。

7.根据权利要求6所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：所述透射电子显微镜长度测量误差补偿公式：

8.根据权利要求6所述的一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，其特征在于：通过计算机编程控制提高透射电子显微镜倍率和提高分辨率用于观察大气粒子的类型，通过计算机编程控制减小透射电子显微镜倍率用于观察整个画面中的大气粒子总量。

技术总结
本发明涉及大气观察设备技术领域，具体公开了一种基于计算机图像处理的大气粒子观察显微镜，包括：样品制备、透射电子显微镜观察、去模糊处理、误差补偿和调节倍数；本发明通过采用直接采样法，将大气粒子采样在铜网上，通过透射电子显微镜对铜网进行观察，形成透射电子显微镜图像，同时利用卷积神经网络对图像进行学习，通过生成对抗网络对透射电子显微镜图像进行去模糊处理，提高画面清晰度，同时利用误差补偿，对图像进行误差补偿，减小因透射电子显微镜本身的误差给观测结果带来的影响，此外通过计算机编程调节透射电子显微镜的提高倍率，来根据需要观察大气粒子的类型和数量，从而便于提高观察效率和准确性。

技术研发人员：陶星宇,汪小桐,郭浩然,吴昊
受保护的技术使用者：成都信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14