專利名稱：大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣氣溶膠測量領(lǐng)域，具體為一種大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
大氣氣溶膠對光的散射改變了光的空間分布，增加了輻射能量空間分布的復(fù)雜性。獲得寬波段內(nèi)各個(gè)波長對應(yīng)的大氣氣溶膠散射系數(shù)形成的譜圖，并考察散射系數(shù)譜隨溫度、濕度和氣壓的變化規(guī)律，能夠加深對于氣溶膠光學(xué)特性的了解，拓展激光在大氣中的輻射傳輸研究，更為準(zhǔn)確的評估大氣氣溶膠的輻射強(qiáng)迫與氣候影響，具有重要的學(xué)術(shù)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。大氣氣溶膠散射系數(shù)的測量通常用積分濁度計(jì)來實(shí)現(xiàn)。積分濁度計(jì)能夠連續(xù)自動觀測，定標(biāo)簡單方便，不破壞氣溶膠的組分。由于結(jié)構(gòu)上的限制，目前商用積分濁度計(jì)的散射光收集角度約為7° 170° (理想的散射光收集角度0° 180° )，截?cái)嘟?前向 0° 7°，后向170° 180° )過大使得氣溶膠的前向和后向散射光的收集偏少。根據(jù)小粒子散射理論，氣溶膠粒子散射光分布受到尺度參數(shù)的制約，大尺度參數(shù)粒子至少一半的散射光分布在靠近前向的小角度范圍內(nèi)，商用濁度計(jì)7° 170°的測量角度丟失了很大一部分前向散射光，將嚴(yán)重低估散射系數(shù)的數(shù)值，甚至出現(xiàn)差距達(dá)到數(shù)倍的現(xiàn)象。另外， 商用積分濁度計(jì)只能給出3個(gè)波長對應(yīng)的散射系數(shù)，無法了解其他波長的散射情況。散射系數(shù)測量考驗(yàn)的是所用方法收集氣溶膠粒子散射光的能力，散射光收集效率越高，散射系數(shù)測量的準(zhǔn)確度就越高，因此盡量減小截?cái)嘟鞘巧⑸湎禂?shù)測量的發(fā)展方向。若論散射光的收集能力，積分球具有非常大的優(yōu)勢。積分球是一個(gè)中空球體，內(nèi)表面涂覆高反射率的涂層。積分球的混光特性使氣溶膠粒子的散射光均勻分布在其內(nèi)表面，變得和散射相函數(shù)無關(guān)，因此測量某一點(diǎn)的散射強(qiáng)度即可獲得整個(gè)積分球收集的散射光能量。太陽光譜是包含了商用濁度計(jì)所用波長的連續(xù)光譜，如果將散射系數(shù)的實(shí)時(shí)測量擴(kuò)大至能夠檢測的太陽光譜波段，形成散射系數(shù)譜，將極大的拓展氣溶膠的散射研究及其應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，以解決采用積分濁度計(jì)進(jìn)行測量存在的測量準(zhǔn)確度差的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于包括有積分球、太陽光模擬器、分束器、光纖光譜儀I和光纖光譜儀II、放大器和計(jì)算機(jī)，所述光纖光譜儀II 的接收端耦合入積分球中，所述積分球上設(shè)置有彼此對稱的樣品出、入口，以及彼此對稱的光束出、入口，且樣品出、入口分別位于積分球豎直直徑兩端，光束出、入口分別位于積分球水平直徑兩端，積分球上還設(shè)置有溫濕度傳感器、氣壓傳感器，所述太陽光模擬器向積分球發(fā)射太陽模擬光，所述太陽模擬光被所述分束器分成兩束能量相同的出射光，其中一路出射光為參考光，所述參考光被所述光纖光譜儀I接收，另一路出射光為積分球入射光，積分球入射光從積分球的光束入口入射至積分球內(nèi)，光路上的大氣氣溶膠粒子在入射光照射下形成散射，粒子散射光經(jīng)積分球內(nèi)表面多次反射后，光輻射能量平均分布，其中光纖光譜儀 II探頭覆蓋立體角內(nèi)的輻射光強(qiáng)被抽樣接收，所述光纖光譜儀I與光纖光譜儀II的信號輸出線共接入所述放大器中，所述放大器輸出線與計(jì)算機(jī)電連接。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述參考光通過具有直角拐角的鋁質(zhì)管道弓I入光纖光譜儀ι，鋁質(zhì)管道管壁經(jīng)過粗糙化發(fā)黑處理，鋁質(zhì)管道內(nèi)的直角拐角處設(shè)置有將參考光反射至光纖光譜儀ι的反射鏡；所述積分球入射光通過管壁粗糙化發(fā)黑處理的鋁質(zhì)直管引入積分球光束入口。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述積分球的樣品出口與一個(gè)抽氣泵連通，且樣品出口上設(shè)置有氣閥。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述積分球內(nèi)腔涂覆有聚四氟乙烯涂層，積分球的前后和后向截?cái)嘟蔷?.6°以下。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于積分球中， 位于光纖光譜儀II接收端的耦合處設(shè)置有擋光片，所述擋光片位于積分球的其中一個(gè)半球內(nèi)表面，擋光片表面涂覆有聚四氟乙烯涂層，太陽光模擬器另一路出射光入射至積分球內(nèi)產(chǎn)生了氣溶膠粒子的散射光，所述擋光片使粒子散射光至少經(jīng)歷了積分球內(nèi)表面的一次反射后才能被光纖光譜儀II接收。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述光束出口處安裝有鋁質(zhì)的羊角狀的消光管，所述消光管管壁經(jīng)過粗糙化發(fā)黑處理。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述計(jì)算機(jī)上接有四通道的USB采集卡，所述USB采集卡四路通道一一對應(yīng)采集光纖光譜儀I、光纖光譜儀II、溫濕度傳感器、氣壓傳感器的輸出信號。一種大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)將積分球固定在支架上，使得樣品出口處的氣閥和抽氣泵方便調(diào)節(jié)，并確保樣品出、入口的軸心連線垂直于水平面；令大氣氣溶膠樣品從樣品入口進(jìn)入積分球中；(2)調(diào)整太陽光模擬器，使太陽模擬光沿水平方向出射至分束器；調(diào)整分束器，使太陽模擬光垂直入射至分束器；通過一個(gè)功率計(jì)與分束器配合，使分束器出射的參考光、 積分球入射光的能量嚴(yán)格一致；所述參考光通過所述鋁質(zhì)通道被光纖光譜儀I接收，積分球入射光通過所述鋁質(zhì)直管進(jìn)入積分球的光束入口，積分球入射光從光束入口入射至積分球，首先被積分球內(nèi)的大氣氣溶膠樣品散射后形成散射光，所述散射光被積分球內(nèi)壁多次反射；(3)通過積分球樣品出口處的氣閥和抽氣泵控制采樣速率，利用溫濕度傳感器測量積分球內(nèi)的溫濕度參數(shù)，利用氣壓傳感器測量積分球內(nèi)的氣壓參數(shù)，當(dāng)積分球內(nèi)的溫濕度參數(shù)、氣壓參數(shù)與大氣壓環(huán)境一致時(shí)，認(rèn)為采樣速率為最佳值；(4)當(dāng)采樣速率為最佳值時(shí)，通過光纖光譜儀II接收所述散射光被積分球內(nèi)壁多次反射后的散射光，所述光纖光譜儀II將接收到的散射光信號轉(zhuǎn)化為電信號并輸出至放大器，光纖光譜儀I將接收到的參考光信號亦轉(zhuǎn)化為電信號后輸出至所述放大器；
5
(5)所述計(jì)算機(jī)通過四通道的UBS采集卡，分別對溫濕度傳感器的電信號、壓力傳感器的電信號、經(jīng)過放大器放大后的光纖光譜儀I及光纖光譜儀II的電信號進(jìn)行采集；(6)對光纖光譜儀I、光纖光譜儀II的基線噪聲進(jìn)行測量，并計(jì)算積分球的開孔
7 U
比f，所述積分球的開孔比計(jì)算公式為/ = Σ^η2〒，式中Ui為積分球各開孔所對應(yīng)的立體角；(7)在計(jì)算機(jī)中，通過大氣氣溶膠散射系數(shù)譜公式 Lir, 2r0 1~ρ(Δ (l-/)
Pscaw =LT^~』，得到大氣氣溶膠散射系數(shù)譜，其中其中λ表示選定波段
hW P(X)-V )
內(nèi)太陽模擬光的各個(gè)波長，I1(A)表示太陽模擬光選定波段內(nèi)各個(gè)波長對應(yīng)的光纖光譜儀 I輸出的電信號去掉光纖光譜儀I的基線噪聲后的電信號值， 2(λ)表示太陽模擬光選定波段內(nèi)各個(gè)波長對應(yīng)的光纖光譜儀Π輸出的電信號去掉光纖光譜儀II的基線噪聲后的電信號值，^表示積分球的內(nèi)腔半徑，P (λ)表示太陽模擬光選定波段內(nèi)各個(gè)波長值對應(yīng)的積分球涂層反射率，Z表示光纖光譜儀II的檢測探頭半徑，f表示積分球的開孔比。所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜測量方法，其特征在于積分球內(nèi)腔的聚四氟乙烯涂層在可見光的反射率近似為常數(shù)，等同于550nm處的反射率，近紫外和近紅外波段聚四氟乙烯涂層的反射率P (λ)以IOnm為步長進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明通過太陽光模擬器產(chǎn)生寬波段入射光，配合溫濕壓傳感器，可以有效測量多種天氣條件下的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜，具有原理簡單、操作方便、檢測靈敏度高等特點(diǎn)ο本發(fā)明的理論依據(jù)是積分球是一個(gè)內(nèi)壁均勻噴涂高反射率漫射材料(本專利選擇聚四氟乙烯)的球形腔體。積分球之所以被廣泛應(yīng)用，本質(zhì)上在于它的混光特性，可以收集光通量并將其均勻地散布于球殼內(nèi)表面，消除了被測樣品散射光的不均勻性帶來的影響。由于內(nèi)表面漫反射涂層的“積分”作用，可以在積分球任意出光位置獲得均勻的朗伯輻射。探針式光束沿積分球直徑方向穿過充滿了待測氣溶膠樣品的積分球，光束覆蓋的每個(gè)氣溶膠粒子可以視作一個(gè)微小散射光源，積分球內(nèi)表面收集了光束所覆蓋全體粒子的散射光。上述條件下，內(nèi)表面任意點(diǎn)(包括球壁開口處)的輻射量只是積分球的內(nèi)腔幾何半徑IV涂層的反射率P和光束覆蓋的氣溶膠粒子散射光能量A。a的函數(shù)
權(quán)利要求
1.大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于包括有積分球、太陽光模擬器、分束器、光纖光譜儀I和光纖光譜儀II、放大器和計(jì)算機(jī)。所述光纖光譜儀II 的接收端耦合入積分球中，所述積分球上設(shè)置有彼此對稱的樣品出、入口，以及彼此對稱的光束出、入口，且樣品出、入口分別位于積分球豎直直徑兩端，光束出、入口分別位于積分球水平直徑兩端，積分球上還設(shè)置有溫濕度傳感器、氣壓傳感器，所述太陽光模擬器向積分球發(fā)射太陽模擬光，所述太陽模擬光被所述分束器分成兩束能量相同的出射光，其中一路出射光為參考光，所述參考光被所述光纖光譜儀I接收，另一路出射光為積分球入射光，積分球入射光從積分球的光束入口入射至積分球內(nèi)，光路上的大氣氣溶膠粒子在入射光照射下形成散射，粒子散射光經(jīng)積分球內(nèi)表面多次反射后，光輻射能量平均分布，其中光纖光譜儀 II探頭覆蓋立體角內(nèi)的輻射光強(qiáng)被抽樣接收，所述光纖光譜儀I與光纖光譜儀II的信號輸出線共接入所述放大器中，所述放大器輸出線與計(jì)算機(jī)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述參考光通過具有直角拐角的鋁質(zhì)管道引入光纖光譜儀I，鋁質(zhì)管道管壁經(jīng)過粗糙化發(fā)黑處理，鋁質(zhì)管道內(nèi)的直角拐角處設(shè)置有將參考光反射至光纖光譜儀I的反射鏡；所述積分球入射光通過管壁粗糙化發(fā)黑處理的鋁質(zhì)直管引入積分球光束入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述積分球的樣品出口與一個(gè)抽氣泵連通，且樣品出口上設(shè)置有氣閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述積分球內(nèi)腔涂覆有聚四氟乙烯涂層，積分球的前向和后向截?cái)嘟蔷?.6°以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于積分球中，位于光纖光譜儀II接收端的耦合處設(shè)置有擋光片，所述擋光片位于積分球的其中一個(gè)半球內(nèi)表面，擋光片表面涂覆有聚四氟乙烯涂層，太陽光模擬器另一路出射光入射至積分球內(nèi)產(chǎn)生了氣溶膠粒子的散射光，所述擋光片使粒子散射光至少經(jīng)歷了積分球內(nèi)表面的一次反射后才能被光纖光譜儀II接收。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述光束出口處安裝有鋁質(zhì)羊角狀的消光管，所述消光管管壁經(jīng)過粗糙化發(fā)黑處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于所述計(jì)算機(jī)上接有四通道的USB采集卡，所述USB采集卡四路通道一一對應(yīng)光纖光譜儀 I、光纖光譜儀II、溫濕度傳感器、氣壓傳感器的輸出信號。
8.一種基于權(quán)利要求1的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)將積分球固定在支架上，使得樣品出口處的氣閥和抽氣泵方便調(diào)節(jié)，并確保樣品出、入口的軸心連線垂直于水平面；令大氣氣溶膠樣品從樣品入口進(jìn)入積分球中；(2)調(diào)整太陽光模擬器，使太陽模擬光沿水平方向出射至分束器；調(diào)整分束器，使太陽模擬光垂直入射至分束器；通過一個(gè)功率計(jì)與分束器配合，使分束器出射的參考光、積分球入射光的能量嚴(yán)格一致；所述參考光通過所述鋁質(zhì)通道被光纖光譜儀I接收，積分球入射光通過所述鋁質(zhì)直管進(jìn)入積分球的光束入口，積分球入射光從光束入口入射至積分球，首先被積分球內(nèi)的大氣氣溶膠樣品散射后形成散射光，所述散射光被積分球內(nèi)壁多次反射；(3)通過積分球樣品出口處的氣閥和抽氣泵控制采樣速率，利用溫濕度傳感器測量積分球內(nèi)的溫濕度參數(shù)，利用氣壓傳感器測量積分球內(nèi)的氣壓參數(shù)，當(dāng)積分球內(nèi)的溫濕度參數(shù)、氣壓參數(shù)與大氣壓環(huán)境一致時(shí)，認(rèn)為采樣速率為最佳值；(4)當(dāng)采樣速率為最佳值時(shí)，通過光纖光譜儀II接收所述散射光被積分球內(nèi)壁多次反射后的散射光，所述光纖光譜儀II將接收到的散射光信號轉(zhuǎn)化為電信號并輸出至放大器， 光纖光譜儀I將接收到的參考光信號亦轉(zhuǎn)化為電信號后輸出至所述放大器；(5)所述計(jì)算機(jī)通過四通道的UBS采集卡，分別對溫濕度傳感器的電信號、壓力傳感器的電信號、經(jīng)過放大器放大后的光纖光譜儀I及光纖光譜儀II的電信號進(jìn)行采集；(6)對光纖光譜儀I、光纖光譜儀II的基線噪聲進(jìn)行測量，并計(jì)算積分球的開孔比f，所 述積分球的開孔比計(jì)算公式為/ = Σ^η2〒，式中Ui為積分球各開孔所對應(yīng)的立體角； (7)在計(jì)算機(jī)中，通過大氣氣溶膠散射系數(shù)譜公式Aqjw=ILT^~』，得hW P(X)'V )到大氣氣溶膠散射系數(shù)譜，其中其中λ表示選定波段內(nèi)太陽模擬光的各個(gè)波長，I1(X) 表示太陽模擬光選定波段內(nèi)各個(gè)波長對應(yīng)的光纖光譜儀I輸出的電信號去掉光纖光譜儀I 的基線噪聲后的電信號值， 2(λ)表示太陽模擬光選定波段內(nèi)各個(gè)波長對應(yīng)的光纖光譜儀 II輸出的電信號去掉光纖光譜儀II的基線噪聲后的電信號值，^表示積分球的內(nèi)腔半徑， P (λ)表示太陽模擬光選定波段內(nèi)各個(gè)波長值對應(yīng)的積分球涂層反射率，Z表示光纖光譜儀II的檢測探頭半徑，f表示積分球的開孔比。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，其特征在于積分球內(nèi)腔的聚四氟乙烯涂層在可見光的反射率近似為常數(shù)，等同于550nm處的反射率，近紫外和近紅外波段聚四氟乙烯涂層的反射率P (λ)以IOnm為步長進(jìn)行標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大氣氣溶膠散射系數(shù)譜原位測量裝置及測量方法，包括有積分球、太陽光模擬器、光纖光譜儀、計(jì)算機(jī)，其中積分球采用聚四氟乙烯作為內(nèi)部反射涂層，通過其截?cái)嘟莾?yōu)勢提高了散射光的收集效率，從而有效增強(qiáng)了散射系數(shù)譜測量的靈敏度。本發(fā)明建立了350~1000nm波段散射系數(shù)譜的測量公式，使得光電轉(zhuǎn)換過程中因波長不同而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換響應(yīng)度不同得到了有效規(guī)避，能夠檢測大氣氣溶膠散射系數(shù)譜隨溫度、濕度和氣壓的演變規(guī)律，具有原理簡單，操作方便，檢測速度快的特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/49GK102262071SQ20111021100
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者張偉, 朱文越, 邵士勇, 饒瑞中 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所