專利名稱：基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)探測領(lǐng)域，尤其是一種基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法。
背景技術(shù)：
生物氣溶膠作為大氣氣溶膠的重要組成部分，對人類的生產(chǎn)、生活具有巨大的影響。隨著人類社會生物技術(shù)的日益發(fā)展，大氣中的生物氣溶膠同人類活動的聯(lián)系愈加密切，發(fā)展有效的生物氣溶膠識別方法對對準(zhǔn)確評價環(huán)境空氣質(zhì)量環(huán)境和積極防護(hù)生物戰(zhàn)劑具
有重要意義。 目前，生物氣溶膠的探測識別方法主要有熒光法、顯微鏡法和散射法。生物氣溶膠中的色氨酸(Tryptophan)、煙酰胺腺嘌呤二核甘酸磷酸(Nicotinamide adeninenucleotides phosphate)和核黃酸(Riboflavin)等紫外發(fā)光團(tuán)，在紫外光的激發(fā)下會產(chǎn)生本征熒光。熒光法探測生物氣溶膠，是通過探測生物氣溶膠的熒光強(qiáng)度實現(xiàn)對生物氣溶膠的探測。顯微鏡法識別生物氣溶膠，首先利用通過生物氣溶膠采樣儀采集生物顆粒，然后利用生物技術(shù)手段對樣品中生物顆粒進(jìn)行分離、培養(yǎng)、觀察，最后根據(jù)生物顆粒的形態(tài)特點判斷其種類。散射法根據(jù)生物顆粒對激光的散射相函數(shù)，分析生物顆粒的形態(tài)特征，實現(xiàn)對生物氣溶膠的分類。然而，無論是熒光法、顯微鏡法還是散射法，它們都存在各自不足。例如，熒光法雖然能夠有效探測生物氣溶膠，但是無法判斷生物戰(zhàn)劑威脅是否存在；顯微鏡法能夠有效識別生物氣溶膠的種類，但是實時性差、實驗過程繁瑣；散射法無法分辨形狀尺寸相同但是種類不同、成分相近的生物顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以含水量作為分類依據(jù)，通過對氣溶膠中生物顆粒含水量的反演，實現(xiàn)生物氣溶膠分類的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，該方法包括下列順序的步驟(I)利用開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)，采集并計算出待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(X);利用光學(xué)粒子計數(shù)器，測定待檢測的生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32 ；(2)根據(jù)生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t ( X )和生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32,反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部n ；(3)根據(jù)生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部n，反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的含水量w (%)；(4)根據(jù)不同種類生物顆粒含水量的差異，對待檢測的生物氣溶膠進(jìn)行分類。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明利用常規(guī)的開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)、光學(xué)粒子計數(shù)器和計算機(jī)，采用簡潔的實驗步驟就可以實現(xiàn)對生物氣溶膠的在線識別，克服了當(dāng)前生物氣溶膠識別方法存在的實施難度大和實時性差問題；通過測定氣溶膠中生物顆粒的含水量可以實現(xiàn)對生物氣溶膠的有效識別；充分利用紅外透射光譜曲線的波動特征，避免受到氣溶膠中生物顆粒的粒子數(shù)濃度影響。


圖I為開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明的工作流程圖；圖3為本發(fā)明中生物顆粒含水量反演的方法流程圖。
具體實施例方式一種基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，該方法包括下列順序的步驟第一步，利用開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)，采集并計算出待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(X);利用光學(xué)粒子計數(shù)器，測定待檢測的生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32 ;第二步，根據(jù)生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(X)和生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32，反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部n ;第三步，根據(jù)生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部n，反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的含水量w (%);第四步，根據(jù)不同種類生物顆粒含水量的差異，對待檢測的生物氣溶膠進(jìn)行分類。如圖1、2、3所示。如圖1、2所示，針對第一步，對待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(X)進(jìn)行計算是指，首先關(guān)閉開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)的黑體光源，采集遠(yuǎn)距離背景的響應(yīng)輸出電壓Vfm badt(X)和近距離背景的響應(yīng)輸出電Svnem badt(X);其次，打開近距離黑體光源，采集近場黑體光源的響應(yīng)輸出電壓vn_( X );再次，關(guān)閉近距離黑體光源，打開遠(yuǎn)場黑體光源，采集遠(yuǎn)距離黑體光源的響應(yīng)輸出電壓Vto ( A );最后，根據(jù)公式(I)計算待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(入)
權(quán)利要求
1.一種基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，該方法包括下列順序的步驟 (1)利用開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)，采集并計算出待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(X);利用光學(xué)粒子計數(shù)器，測定待檢測的生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32 ； (2)根據(jù)生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t( X )和生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32,反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部n ； (3)根據(jù)生物氣溶膠中生物顆粒的紅 外復(fù)折射率實部n，反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的含水量w (%)； (4)根據(jù)不同種類生物顆粒含水量的差異，對待檢測的生物氣溶膠進(jìn)行分類。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于對待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t(X)進(jìn)行計算是指，首先關(guān)閉開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)的黑體光源，采集遠(yuǎn)距離背景的響應(yīng)輸出電壓VfmbadtU)和近距離背景的響應(yīng)輸出電壓^_—badtU);其次，打開近距離黑體光源，采集近場黑體光源的響應(yīng)輸出電壓vn_(X);再次，關(guān)閉近距離黑體光源，打開遠(yuǎn)場黑體光源，采集遠(yuǎn)距離黑體光源的響應(yīng)輸出電壓Vto ( A );最后，根據(jù)公式(I)計算待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜t (入)
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于對待檢測的生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑D32進(jìn)行測定是指，利用光學(xué)粒子計數(shù)器，根據(jù)公式(2)進(jìn)行測定 式中，Iii是粒徑為Di的生物顆粒的數(shù)量占顆?？倲?shù)量的比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于對生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部n進(jìn)行反演計算是指，首先，讀取生物氣溶膠近紅外透過率光譜數(shù)據(jù)文件和氣溶膠中生物顆粒平均粒徑數(shù)據(jù)文件；其次，對近紅外透過率光譜去噪，在近紅外透過率光譜中選擇一段光譜曲線，該曲線的整體波動規(guī)律符合正弦波動規(guī)律；再次，根據(jù)曲線段整體正弦波動趨勢，確定其正弦包絡(luò)中的兩個相鄰的極大值點、極小值點或零值點及其對應(yīng)的波長，并由選定的兩個相鄰極值點或零值點的波長間距確定曲線段整體正弦波動的波動頻率f ;最后，根據(jù)曲線段整體正弦波動的波動頻率f，計算生物顆粒光譜復(fù)折射率實部n，計算公式如下
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于對生物氣溶膠中生物顆粒的含水量w (%)進(jìn)行反演計算是指，先讀取生物顆粒光譜復(fù)折射率實部n的數(shù)據(jù)文件；再帶入生物顆粒含水量和近紅外波段復(fù)折射率實部關(guān)系模型w=F (n),計算生物顆粒含水量w (%)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于對生物氣溶膠進(jìn)行分類是指，通過將生物顆粒含水量的反演結(jié)果帶入生物顆粒含水量特征數(shù)據(jù)庫，確定生物氣溶膠種類。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于所述的在生物氣溶膠近紅外透過率 光譜中所選擇的光譜曲線，該曲線段滿足以下特征 (1)曲線正弦波動特征明顯； (2)不規(guī)則擾動少且易剔除； (3)曲線段中至少有半個明顯的正弦波動趨勢，即至少可以找到I對相鄰的極值或零值。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于所述的生物氣溶膠近紅外透過率光譜中正弦波動曲線段整體波動頻率的確定，采用正弦函數(shù)擬合的方法進(jìn)行，具體步驟如下 (1)根據(jù)曲線段的正弦波動規(guī)律初步判斷其整體波動頻率4，確定I個正弦擬合函數(shù)，該正弦函數(shù)的振幅為1，頻率為fo ; (2)利用計算機(jī)繪出該正弦擬合函數(shù)的曲線，比較該曲線與選定的光譜曲線段的整體波動頻率，調(diào)整正弦擬合函數(shù)的頻率fi，i=l，2，3，...。
(3)當(dāng)擬合函數(shù)曲線與光譜曲線的波動規(guī)律一致時，最終擬合函數(shù)的頻率f即為整體正弦波動的波動頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于所述的生物顆粒含水量和近紅外波段復(fù)折射率實部關(guān)系模型w = F (n)的構(gòu)建，包括以下步驟 (1)選擇多種生物顆粒； (2)利用烘干法測定生物顆粒的含水量； (3)利用反射法測定生物顆粒復(fù)折射率實部； (4)根據(jù)測定的多種生物顆粒含水量及其復(fù)折射率實部的數(shù)值，利用函數(shù)擬合方法確定生物顆粒含水量與其近紅外波段復(fù)折射率實部的函數(shù)關(guān)系，建立生物顆粒含水量和近紅外波段復(fù)折射率實部間關(guān)系模型。
10.、根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，其特征在于所述的生物顆粒含水量特征數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，包括以下步驟 (1)將生物顆粒劃分為微生物菌體類、芽孢類、孢子類和花粉類等幾大類； (2)根據(jù)物質(zhì)構(gòu)成特點將每大類生物顆粒再細(xì)分為數(shù)小類； (3)從每小類生物顆粒中選擇幾種生物顆粒，利用烘干法測定其含水量，并計算每小類生物顆粒的平均含水量； (4)建立生物顆粒含水量特征數(shù)據(jù)庫。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于近紅外光譜的生物氣溶膠含水量測定及其分類方法，該方法包括利用開放式FTIR大氣透過光譜測定系統(tǒng)，采集并計算出待檢測的生物氣溶膠的近紅外透過率光譜；利用光學(xué)粒子計數(shù)器，測定待檢測的生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑；根據(jù)生物氣溶膠的近紅外透過率光譜和生物氣溶膠中生物顆粒的平均粒徑，反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部；根據(jù)生物氣溶膠中生物顆粒的紅外復(fù)折射率實部，反演計算生物氣溶膠中生物顆粒的含水量；根據(jù)不同種類生物顆粒含水量的差異，對待檢測的生物氣溶膠進(jìn)行分類。采用簡潔的實驗步驟就可以實現(xiàn)對生物氣溶膠的在線識別，克服了當(dāng)前生物氣溶膠識別方法存在的實施難度大和實時性差問題。
文檔編號G01N21/41GK102967557SQ20121039639
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者胡以華, 雷武虎, 顧有林, 孫杜娟, 趙楠翔, 石亮, 王勇, 鄭之明 申請人:中國人民解放軍電子工程學(xué)院