[发明专利]室内空气颗粒物CCD-激光监测系统及方法

说明书

本发明公布了一种室内空气颗粒物CCD‑激光监测系统及方法，该系统包括一个CCD相机，至少一个激光器，以及分布在不同高度的一系列PM在线监测仪，利用激光器发射垂直激光束，使用CCD相机从侧面记录空气中颗粒物散射信号，在进行背景校正后获得颗粒物浓度垂直分布的廓线信息，再利用不同高度的PM测定装置校正后获得室内空气颗粒物浓度的垂直分布数据。本发明弥补了室内空气垂直廓线测定的空白，能够提供颗粒物垂直分布廓线信息，对于未成年人颗粒物暴露测定具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种室内空气颗粒物垂直剖面和动态变化的测定装置，具体涉及利用CCD相机收集垂直激光光束照射下室内空气颗粒物的散射信号，在线动态获取颗粒物浓度的垂直廓线及动态变化过程。

背景技术

空气中颗粒物由极小的颗粒和液滴组成，根据粒径可以分为PM_2.5和PM₁₀，其意义分别指粒径小于2.5微米和10微米的颗粒物^[1]。其中PM_2.5由于粒径极小，可以直接渗透进入细支气管和肺部，对人体健康造成巨大的危害^[2]。因此，PM_2.5的长期暴露将增加人类的发病率和死亡率^[3；4]。平均而言，人群在室内停留的时间(22小时以上)远远高于在室外停留的时间，因此，室内空气中颗粒物对人群暴露的重要性远远高于室外。

目前室内空气检测的规范做法是在1.5m高度设置测定仪器或者采样设备。这是基于成年人的平均呼吸高度(口、鼻的位置)大致在1.5m。然而，这显然是针对站姿而言的。事实上，坐姿的呼吸高度通常低于站姿，且很长的睡眠时间内，呼吸高度更低。此外，针对成年人的设计显然不适合儿童或者婴儿。可见，室内空气颗粒物(PM)的垂直分布非常重要。只有在了解PM垂直分布特征的条件下，才可能对包括未成年人在内人群对PM的暴露做出可靠的评估。由于传统方法的固定高度测定，且没有可以获得室内PM浓度垂直分布的有效手段，目前这方面数据为空白。从而导致室内暴露贡献的高不确定性。

室外颗粒物垂直剖面测定技术的传统方法是后向散射激光雷达，传统后向散射激光雷达在接收端附近有一段盲区，同时过渡区较长^[5]，尽管过渡区可以进行几何因子校正^[6]，但是会带入误差，想获得高分辨能力的数据可以通过探空实验，但其高成本又令人望而却步。

近年来有学者对传统激光雷达进行改进，研究出侧向散射激光雷达。侧向散射激光雷达可以很大程度克服传统激光雷达的缺陷。但是其也存在明显的缺点：

(1)在用CCD相机采集激光照片的时候，由于云层以及阳光的影响，照片中拍摄到的激光最高点与实际最高点有一定的偏差，给反演计算的过程带来巨大的误差；

(2)室外侧向激光雷达无法在白天测定，只能在夜晚使用；

(3)室外温度变化将会影响滤光片的透过率曲线，进而给计算带来巨大的误差，甚至可能直接导致错误的计算结果；

(4)室外侧向激光雷达的校正可以通过探空实验或者后向散射激光雷达的结果校正，但是二者的成本令人望而生畏，目前市面上侧向散射激光雷达的价格是30万，而后向散射激光雷达则达到了100万；

(5)室外激光雷达的测量范围在千米级别，但其相应的缺点是在距离校正的过程会引入很大的误差。其次，侧向激光雷达仅仅是名义上的侧向，由于高度的原因，其根本不可能达到真正的侧面拍摄的效果。

因为成本、激光强度以及需要后向散射雷达校正的原因将室外激光雷达直接在室内使用是无法实现的，因此需要重新设计了一套室内空气颗粒物CCD-激光监测系统。

发明内容