本發(fā)明涉及大氣中NO3自由基的檢測系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種基于調(diào)制二極管激光器的雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
NO3自由基是夜間大氣中最重要的氧化劑，測量夜間大氣中NO3自由基的濃度是開展夜間大氣化學研究的前提。目前，主要的測量方法有基質(zhì)隔離電子順磁共振光譜（MI-ESR）技術(shù)，激光誘導熒光（LIF）技術(shù)，差分吸收光譜（DOAS）技術(shù)等三種，其中，MI-ESR技術(shù)是將基質(zhì)隔離技術(shù)與電子順磁共振技術(shù)相結(jié)合用于測量高化學活性自由基的技術(shù)，需要低溫捕獲空氣樣品然后進行實驗室分析，不適合在線的濃度測量。LIF技術(shù)需要復雜的定標才能定量測量，且維護費用較高。DOAS技術(shù)利用NO3自由基的窄帶吸收特性，根據(jù)窄帶吸收強度來反演其濃度，但需要在大氣中有較長的吸收光程（如3km），受環(huán)境影響較大。腔衰蕩光譜技術(shù)是一種基于衰蕩腔的高靈敏測量技術(shù)，主要通過測量光在衰蕩腔中的衰蕩時間，衰蕩時間與衰蕩腔的腔鏡，基長以及腔內(nèi)介質(zhì)的散射和吸收有關(guān)，與光源光強的變化無關(guān)，具有靈敏度高，信噪比高，抗干擾強的特點。脈沖激光進入由高反鏡組成的衰蕩腔后，會有一部分光透過高反鏡射出，隨著光在高反腔中來回反射，透過的光會隨時間按單指數(shù)的方式衰減，對這樣一個過程稱之為一個衰蕩過程，對這個衰蕩過程單指數(shù)擬合可以獲得該過程的衰蕩時間。測量不含有待測氣體時的衰蕩時間為本底衰蕩時間τ0，含有待測氣體時的衰蕩時間為τ，在已知待測氣體吸收截面σ的情況下，通過下面的公式可以獲得待測氣體的濃度：其中RL為腔長和待測氣體吸收長度的比值，c為光速。由于NO3自由基在660nm處有一強的寬帶吸收，而且吸收截面已知，可以通過腔衰蕩技術(shù)準確測量其濃度。由于NO3自由基活性強，壽命短，采用兩個衰蕩腔在測量NO3自由基的衰蕩時間時，同步測量除NO3自由基外其他氣體的本底衰蕩時間，避免本底衰蕩時間不同步引起測量誤差，準確獲得NO3自由基的濃度。然而，由于一般采用YAG激光器泵浦染料激光器為脈沖光源，體積大，費用高，維護困難，不利于小型化，難以發(fā)展為儀器。隨著連續(xù)二極管激光器的發(fā)展，使用外部調(diào)制的紅光二極管激光器為光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的YAG和染料激光器組合成為可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：包括函數(shù)發(fā)生器、二極管激光器、光隔離器、第一反射鏡、分束鏡、第二反射鏡、第一衰蕩腔、第二衰蕩腔、兩組窄帶濾色片、兩組光電探測器、采集卡，所述函數(shù)發(fā)生器與二極管激光器連接，第一、第二衰蕩腔各自兩端分別設置有入光口、出光口，第一、第二衰蕩腔內(nèi)后部分別設置有高反鏡，第一衰蕩腔上設置有進氣口，第二衰蕩腔上設置有出氣口，且第一、第二衰蕩腔通過衰蕩腔連接口連通，由第一衰蕩腔的進氣口與衰蕩腔連接口之間、第二衰蕩腔的出氣口與衰蕩腔連接口之間構(gòu)成氣體吸收區(qū)域，兩組窄帶濾色片一一對應設置在第一、第二衰蕩腔出光口處，兩組光電探測器與兩組窄帶濾色片一一對應光學配合，且兩組光電探測器分別接入采集卡；二極管激光器經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器外部調(diào)制后產(chǎn)生脈沖光，脈沖光通過光隔離器后入射至第一反射鏡，經(jīng)過第一反射鏡反射后入射至分束鏡，通過分束鏡將入射的脈沖光分成兩束，其中一束從第一衰蕩腔的入光口進入第一衰蕩腔，另一束經(jīng)過第二反射鏡反射后從第二衰蕩腔的入光口進入第二衰蕩腔，脈沖光在第一、第二衰蕩腔內(nèi)分別多次反射，每次反射都有少量的光透過高反鏡，透過高反鏡的脈沖光分別從第一、第二衰蕩腔出光口出射，并經(jīng)過對應的窄帶濾色片后，由對應的光電探測器探測，兩光電探測器探測的信號分別由采集卡進行采集，采集的光強信號是隨時間單指數(shù)衰減的，通過擬合可以獲得衰減過程的時間即衰蕩時間，衰蕩時間的變化量反映了待測氣體的濃度。所述的基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：采用兩個衰蕩腔，同時測量NO3自由基的本底衰蕩時間和衰蕩時間；兩個衰蕩腔之間是通過尼龍管構(gòu)成的衰蕩腔連接口連接的，當?shù)谝凰ナ幥粌?nèi)含有NO3自由基的氣體通過尼龍管時，NO3自由基將會被碰撞消失，當氣體進入到第二衰蕩腔后，已經(jīng)不含有NO3自由基。所述的基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：衰蕩腔由多個高反鏡、高反鏡調(diào)整架、PFA腔和鋁槽支架組成，將PFA腔放入鋁槽支架中固定，兩端連接高反鏡調(diào)整架，將高反鏡放入調(diào)整架內(nèi)，脈沖激光先通過作為前腔鏡的第一塊高反鏡進入到衰蕩腔內(nèi)，通過調(diào)整其旋鈕，使脈沖激光在第一塊高反鏡和作為后腔鏡的第二塊高反鏡之間多次反射，形成衰蕩過程。所述的基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：每個衰蕩腔的高反鏡的反射率需大于99.995%，衰蕩腔的腔體材料為NO3自由基碰撞損失低的PFA管。所述的基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述二極管激光器的輸出線寬較窄，小于1nm，調(diào)制后脈沖輸出的下降沿時間遠小于系統(tǒng)的衰蕩時間。所述的基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述光隔離器由入射偏振片，磁場法拉第旋轉(zhuǎn)器和出射偏振片組成，脈沖激光通過入射偏振片進入法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器使得線偏振的脈沖激光旋轉(zhuǎn)45°，然后通過出射線偏振片，在通過高反鏡返回的光路上，法拉第旋轉(zhuǎn)器同樣使得反向光同一方向旋轉(zhuǎn)45°，因此反向光的偏振態(tài)與入射光形成90°的夾角，使得反向光不能通過；光隔離器主要防止衰蕩腔前腔鏡反射的脈沖激光進入二極管激光器。所述的基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，其特征在于：所述采集卡采集透過高反鏡的激光光強信號，由調(diào)制二極管激光器的函數(shù)發(fā)生器來觸發(fā)采集卡，采集同步信號。本發(fā)明的優(yōu)點與有益效果在于：（1）本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)同時測量衰蕩時間為τ和本底衰蕩時間τ0，滿足對環(huán)境大氣或煙霧箱中NO3自由基的連續(xù)測量。主要通過第一衰蕩腔及其探測系統(tǒng)測量待測氣體的衰蕩時間τ，經(jīng)過尼龍管去除待測氣體中的NO3自由基，再使用第二衰蕩腔及其探測系統(tǒng)測量衰蕩時間τ0。同時獲得τ和τ0，就可以實時獲得NO3自由基的濃度。同時測量避免了本底衰蕩時間τ0的改變給系統(tǒng)測量帶來誤差，滿足高活性NO3自由基的快速實時精確測量的目的。（2）本發(fā)明采用連續(xù)的二極管激光器為光源，通過調(diào)制實現(xiàn)其脈沖輸出；代替由YAG激光器泵浦的染料激光器光源，具有低功耗、小型化、低費用的優(yōu)點，便于實現(xiàn)整套系統(tǒng)的移動測量。（3）本發(fā)明采用高反射率的反射鏡作為腔鏡，實現(xiàn)外部高重頻調(diào)制的脈沖激光在衰蕩腔內(nèi)多次反射，達到幾十公里的吸收光程，提高系統(tǒng)的探測靈敏度，實現(xiàn)NO3自由基的高靈敏、高時間分辨的測量需求。附圖說明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式如圖1所示。基于雙腔式腔衰蕩技術(shù)的大氣NO3自由基濃度測量系統(tǒng)，包括函數(shù)發(fā)生器1、二極管激光器2、光隔離器3、第一反射鏡4、分束鏡5、第二反射鏡6、第一衰蕩腔7、第二衰蕩腔8、兩組窄帶濾色片12和13、兩組光電探測器14和15、采集卡16，函數(shù)發(fā)生器1與二極管激光器2連接，第一、第二衰蕩腔7、8各自兩端分別設置有入光口、出光口，第一、第二衰蕩腔7、8內(nèi)后部分別設置有高反鏡，第一衰蕩腔7上設置有進氣口9，第二衰蕩腔8上設置有出氣口11，且第一、第二衰蕩腔7、8通過衰蕩腔連接口10連通，由第一衰蕩腔7的進氣口9與衰蕩腔連接口10之間、第二衰蕩腔8的出氣口11與衰蕩腔連接口10之間構(gòu)成氣體吸收區(qū)域，兩組窄帶濾色片12、13一一對應設置在第一、第二衰蕩腔7、8出光口處，兩組光電探測器14、15與兩組窄帶濾色片12、13一一對應光學配合，且兩組光電探測器14、15分別接入采集卡16；二極管激光器2經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器1外部調(diào)制后產(chǎn)生脈沖光，脈沖光通過光隔離器3后入射至第一反射鏡4，經(jīng)過第一反射鏡4反射后入射至分束鏡5，通過分束鏡5將入射的脈沖光分成兩束，其中一束從第一衰蕩腔7的入光口進入第一衰蕩腔7，另一束經(jīng)過第二反射鏡6反射后從第二衰蕩腔8的入光口進入第二衰蕩腔8，脈沖光在第一、第二衰蕩腔7、8內(nèi)分別多次反射，每次反射都有少量的光透過高反鏡，透過高反鏡的脈沖光分別從第一、第二衰蕩腔7、8出光口出射，并經(jīng)過對應的窄帶濾色片12、13后，由對應的光電探測器14、15探測，兩光電探測器14、15探測的信號分別由采集卡16進行采集，采集的光強信號是隨時間單指數(shù)衰減的，通過擬合可以獲得衰減過程的時間即衰蕩時間，衰蕩時間的變化量反映了待測氣體的濃度。采用兩個衰蕩腔，同時測量NO3自由基的本底衰蕩時間和衰蕩時間；兩個衰蕩腔之間是通過尼龍管構(gòu)成的衰蕩腔連接口連接的，當?shù)谝凰ナ幥粌?nèi)含有NO3自由基的氣體通過尼龍管時，NO3自由基將會被碰撞消失，當氣體進入到第二衰蕩腔后，已經(jīng)不含有NO3自由基。衰蕩腔由多個高反鏡、高反鏡調(diào)整架、PFA腔和鋁槽支架組成，將PFA腔放入鋁槽支架中固定，兩端連接高反鏡調(diào)整架，將高反鏡放入調(diào)整架內(nèi)，脈沖激光先通過作為前腔鏡的第一塊高反鏡進入到衰蕩腔內(nèi)，通過調(diào)整其旋鈕，使脈沖激光在第一塊高反鏡和作為后腔鏡的第二塊高反鏡之間多次反射，形成衰蕩過程。每個衰蕩腔的高反鏡的反射率需大于99.995%，衰蕩腔的腔體材料為NO3自由基碰撞損失低的PFA管。二極管激光器的輸出線寬較窄，小于1nm，調(diào)制后脈沖輸出的下降沿時間遠小于系統(tǒng)的衰蕩時間。光隔離器由入射偏振片，磁場法拉第旋轉(zhuǎn)器和出射偏振片組成，脈沖激光通過入射偏振片進入法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器使得線偏振的脈沖激光旋轉(zhuǎn)45°，然后通過出射線偏振片，在通過高反鏡返回的光路上，法拉第旋轉(zhuǎn)器同樣使得反向光同一方向旋轉(zhuǎn)45°，因此反向光的偏振態(tài)與入射光形成90°的夾角，使得反向光不能通過；光隔離器主要防止衰蕩腔前腔鏡反射的脈沖激光進入二極管激光器。采集卡采集透過高反鏡的激光光強信號，由調(diào)制二極管激光器的函數(shù)發(fā)生器來觸發(fā)采集卡，采集同步信號。本發(fā)明利用同時測量衰蕩時間和本底衰蕩時間的方法實現(xiàn)對NO3自由基的實時在線測量。根據(jù)本發(fā)明的方法，含有NO3自由基的待測氣體通過第一衰蕩腔7后，進入尼龍管中，在尼龍管中的壁碰撞會去除待測氣體中的NO3自由基，再進入第二衰蕩腔中。由函數(shù)發(fā)生器控制的二極管激光器輸出脈沖激光通過光隔離器后經(jīng)分束鏡分成兩束，分別進入第一衰蕩腔和第二衰蕩腔。激光在兩個衰蕩腔中多次反射，由后腔鏡透射出的激光經(jīng)過濾色片后由光電探測器接收，再通過采集卡采集光電探測器接收的光強信號。采集到的光強信號會隨時間以單指數(shù)形式衰減。擬合由第一衰蕩腔獲得的衰減信號可以獲得衰蕩時間，擬合由第二衰蕩腔獲得的衰減信號可以獲得本底衰蕩時間。本發(fā)明的具體工作流程為：首先，通過設置函數(shù)發(fā)生器1，使之輸出一個TTL信號，有這個TTL信號控制二極管激光器2采用脈沖模式輸出，輸出的脈沖激光的重復頻率由TTL信號的重復頻率控制，輸出激光的脈寬由TTL信號的占空比控制。通過二極管激光器內(nèi)部的溫度控制選擇合適的溫度來控制激光輸出波長。輸出的激光通過一個光隔離器3，再通過反射鏡4將光束反射到分束鏡5上，通過分束鏡5將光束分成兩部分，其中一部分光進入第一衰蕩腔7，光束在第一衰蕩腔內(nèi)多次反射，每一次在腔內(nèi)高反鏡上的反射都伴隨這少量的光透過高反鏡，通過濾色片12，進入光電探測器14中，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由采集卡16采集電信號。另一部分光通過反射鏡6反射進入第二衰蕩腔8，同樣，光在第二衰蕩腔內(nèi)多次反射，每次反射從高反鏡透射的少量光經(jīng)過濾色片13后，由第二個光電探測器15接收。光隔離器3的主要作用是阻止由高反鏡反射回的光通過，防止其損壞二極管激光器或?qū)е露O管激光器升溫，影響輸出波長的穩(wěn)定性。下面將通過一個具體的例子來說明數(shù)據(jù)采集控制以及處理的過程。首先設置函數(shù)發(fā)生器，使之輸出一個重復頻率為500Hz，占空比為50:50，高電壓為5V，低壓為0V的TTL信號，通過這個信號控制二極管激光器使之輸出一個重復頻率為500Hz，脈寬為1ms的脈沖激光，該激光開始進入衰蕩腔后，很快衰蕩腔內(nèi)進入的光和透射出去的光將會有一個平衡；當1ms后，激光沒有輸出了，由于衰蕩腔內(nèi)氣體的散射、吸收、高反鏡的透射等過程，腔內(nèi)的激光將會隨著反射而緩慢衰減，而透過高反鏡的光也會隨之衰減，由光電探測器接收的光強將隨時間呈單指數(shù)衰減。當?shù)谝凰ナ幥粌?nèi)通過含有NO3自由基的待測氣體時，腔內(nèi)的消光主要是NO3自由基的吸收和其他因素（散射、臭氧、二氧化氮、水蒸氣等吸收）的引起的，由第一衰蕩腔獲得的衰減信號通過單指數(shù)擬合獲得的時間稱之為衰蕩時間；當?shù)谝凰ナ幥粌?nèi)的氣體通過衰蕩腔連接口9時，會通過壁碰撞，將NO3自由基膨脹消除進入第二衰蕩腔，同樣，在第二衰蕩腔內(nèi)的消光只是由于其他因素（散射、臭氧、二氧化氮、水蒸氣等吸收）引起的，由此通過單指數(shù)衰減信號擬合獲得的時間稱之為本底衰蕩時間。在已知RL、c、σ時，通過下面的公式，可以計算獲得NO3自由基的濃度。由于本發(fā)明是可以同時獲得衰蕩時間和本底衰蕩時間，所以可以及時獲得NO3自由基的濃度；在本底衰蕩時間隨時變化的環(huán)境中，同步測量本底衰蕩時間，避免了測量誤差；尤其適合在外場環(huán)境大氣和煙霧箱中NO3自由基的測量。