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原文传递花粉实时监测装置及方法

专利名称：	花粉实时监测装置及方法
摘要：	本发明涉及一种花粉实时监测装置，壳体上开设有与内部连通的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道及第六通道；第一通道与第二通道相对设置,第三通道与第四通道相对设置,第五通道与第六通道相对设置。第一通道设置激光发射器,激光发射器的内侧设置准直透镜,准直透镜的内侧设置柱面透镜；第二通道设置第一光学探测器；第三通道设置第二光学探测器；第四通道设置第三光学探测器,第三光学探测器内侧设置偏振镜；第一光学探测器、第二光学探测器及第三光学探测器分别与上位机电性连接；第五通道设置为进气口；第六通道设置有向外排气的风扇。方法基于该装置实现，可识别部分花粉的种类,为花粉浓度报告与预报提供准确的数据基础。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京中科技达科技有限公司
发明人：	任诗奇;牟筱璇;刘博文;贾盛洁
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-29T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-17T00:00:00+0800
申请号：	CN202311098782.2
公开号：	CN117074262A
代理机构：	武汉蓝宝石专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	朱才永
分类号：	G01N15/06;G01N15/14;G;G01;G01N;G01N15;G01N15/06;G01N15/14
申请人地址：	100000 北京市朝阳区民族园路2号3幢3层301内3067室
主权项：	1.一种花粉实时监测装置,其特征在于：包括：壳体；所述壳体内部设置为中空的腔室结构；所述壳体上开设有与内部连通的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道及第六通道；所述第一通道与所述第二通道相对设置,所述第三通道与所述第四通道相对设置,所述第五通道与所述第六通道相对设置；所述第一通道设置有激光发射器,所述激光发射器的内侧设置有准直透镜,所述准直透镜的内侧设置有柱面透镜；所述第二通道设置有第一光学探测器；所述第三通道设置有第二光学探测器；所述第四通道设置有第三光学探测器,所述第三光学探测器内侧设置有偏振镜；所述第一光学探测器、第二光学探测器及第三光学探测器分别与上位机电性连接；所述第五通道设置为进气口；所述第六通道设置有向外排气的风扇。 2.根据权利要求1所述的花粉实时监测装置,其特征在于：所述第一通道与第二通道的中心连线、第三通道与第四通道的中心连线、第五通道与第六通道的中心连线相交于所述壳体内部的一点。 3.根据权利要求1所述的花粉实时监测装置，其特征在于：所述进气口允许通过的颗粒物的粒径小于220μm。 4.一种花粉实时监测方法,所述方法基于权利要求1所述的花粉实时监测装置实现；其特征在于：包括：步骤S1.控制检测区域的气流经花粉实时监测装置的进气口进入壳体内部；步骤S2.通过第一光学探测器探测正向散射光强度、第二光学探测器探测侧向散射光强度及第三光学探测器探测偏振光强度；步骤S3.计算颗粒物的粒径、折射率和偏振度；步骤S4.将计算得到的颗粒物粒径、折射率和偏振度数据与设置的花粉粒子的特征值范围X对比；若颗粒物粒径、折射率和偏振度数据在所述花粉粒子的特征值范围X内,则判定气流中的颗粒物是花粉,否则判定气流中的颗粒物不是花粉；步骤S5.当判定气流中的颗粒物是花粉时,将颗粒物的粒径、折射率及偏振度与建立的花粉数据库中的数据进行对比；若符合花粉数据库中的某一类花粉对应的数据,则报告花粉的种类及浓度；若不符合花粉数据库中的任一类花粉对应的数据,则直接报告花粉的浓度。 5.根据权利要求4所述的花粉实时监测方法,其特征在于：所述步骤S3包括：步骤S31.建立Mie散射理论模型：在Mie散射理论中，在已知粒子半径r、入射光波长λ、粒子相对折射率m的前提下，使用Mie系数a_n和b_n来计算特定角度下的散射光强度，其中： a_n=[Ψ_n(mρ)Ψ'_n(ρ)-mΨ'_n(mρ)Ψ_n(ρ)]/[Ψ_n(mρ) Ζ'_n(ρ) - mΨ'_n(mρ)Ζ_n(ρ)]①； b_n=[mΨ_n(mρ)Ψ'_n(ρ)-Ψ'_n(mρ)Ψ_n(ρ)]/[mΨ_n(mρ) Ζ'_n(ρ) - Ψ'_n(mρ)Ζ_n(ρ)]②；其中，m=粒子折射率/周围介质的折射率，Ψ_n(ρ) 和 Ζ_n(ρ)是Riccati-Bessel 函数，Ψ'_n(ρ) 和 Ζ'_n(ρ) 是Riccati-Bessel函数的导数，ρ=2πr/λ，n是阶数；步骤S32.假设粒子半径为r0，粒子折射率为c0，带入上述公式①和②得到a_n和b_n；步骤S33.计算散射光强度：（ⅰ）计算角度函数: π_n(θ)=P_n^1(cosθ), τ_n(θ)=dP_n^1(cosθ)/dθ, 其中，P_n^1(cosθ) 代表的是关联勒让德函数；（ⅱ）计算散射矩阵的元素S1(θ)和S2(θ)： S1(θ)=∑[(2n+1)·(a_n·π_n(θ)+b_n·τ_n(θ))/(n(n+1))], S2(θ)=∑[(2n+1)·(a_n·τ_n(θ)+b_n·π_n(θ))/(n(n+1))], 其中，n是阶数；（ⅲ）计算θ角度的散射光强度I(θ)： I(θ)=I0·(1/2)·(\|S1(θ)\|²+\|S2(θ)\|²), 其中，I0是入射光的强度，I(θ)是角度θ下的散射光强度；步骤S34.求计算出来的I(θ)值与实际测量值的误差平方和；步骤S35.使用梯度下降算法,计算误差函数关于每个参数的梯度,按照梯度的负方向调整参数,以使误差最小化；步骤S36.随机选择一个新的折射率c0和粒子半径r0,并重复上述步骤S31~S34，计算新计算出来的I(θ)值与实际测量值的误差平方和；如果新的计算出来的I(θ)值与实际测量值的误差平方和小于前一次的计算出来的I(θ)值与实际测量值的误差平方和,那么接受新的折射率c0和粒子半径r0；否则,以一定的概率接受新的参数,这个概率由当前的“温度”和误差差值决定,其计算公式为： P=exp(-(新解的目标函数值-当前解的目标函数值)/T)；其中,P为接受新解的概率；exp是指数函数；T是当前的“温度”,它随着时间的推移而逐渐降低；当T很大时,即使新解比当前解更差,也有可能接受它；当T很小时,只有在新解比当前解更好的情况下才会接受它；然后,降低“T”并重复这个步骤；步骤S37.直到“T”减低至设定值,或者误差已经减小到允许值,参数应该已经接近全局最优解,即得到颗粒物的粒子半径r和折射率c；步骤S38.计算偏振度：假设散射光是线性偏振的，并且偏振方向与偏振镜的透射轴平行，利用第三光学探测器测得的I_polarized，第一光学探测器测得的I_total，可以近似计算出偏振度v： v=I_polarized/I_total；其中，I_polarized为偏振光强度；I_total为总光强，其大小等于正向散射光强度。