技术领域
[0001] 本
发明涉及气溶胶在线检测方法，特别是涉及一种积分球内嵌光热干涉的气溶胶散射与吸收同步测量装置，属于光学领域。
背景技术
[0002] 大气气溶胶粒子是指在大气中悬浮着的各种固态、液态和固液混合态的微粒，其粒径一般为10-9～10-4m，尺度跨越5个数量级，浓度跨越可高达12个量级，来源包括自然气溶胶和人类活动产生人为气溶胶，具有化学成分复杂、空间分布广泛、微物理参数
时空变化性强等特点，在地球大气系统中的直接、半直接和间接
辐射强迫作用中扮演着重要
角色，在局地、区域乃至全球的
气候变化、大气环境污染和近地面激光工程应用中具有重要影响。
[0003] 大气气溶胶粒子的存在直接影响光在大气中传播，造成光
能量的衰减，即气溶胶粒子的消光作用，具体可分为散射和吸收两种效应，一般情况下吸收效应较散射效应弱；尺度与光学波段接近的气溶胶粒子对光的散射是大气辐射传输最重要物理过程之一，产生正的辐射强迫，一般以
硫酸盐、
硝酸盐为主；而气溶胶粒子对光的吸收将会加热大气，产生负的辐射强迫，一般以黑炭为主；因此笼统的测量气溶胶粒子的
消光系数无法准确的描述气溶胶的光学性质、确定其辐射强迫效果，必须厘清气溶胶粒子的消光系数、散射系数与吸收系数。IPCC第四次报告指出，气溶胶辐射强迫效应依然是全球
气候变化中最不确定的因素之一，但由于气溶胶粒子微物理参数时空变化大、吸收与散射过程相互伴随等原因，实现上述两者精确测量的难度较大。
[0004] 目前国际上已经出现基于光热干涉
光谱技术进行气溶胶吸收系数的研究，并取得较好的结果，但气溶胶散射系数或消光系数的测量依然依赖于其他仪器的辅助，不同仪器可能出现测量波段不统一、测量过程不同步、操作复杂和误差较大等问题。因此，开发出可在同一台仪器直接同步在线原位测量气溶胶散射与吸收系数的方法是一项有意义且迫切需要的工作。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种积分球内嵌光热干涉的气溶胶散射与吸收同步测量装置。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 积分球内嵌光热干涉的气溶胶散射与吸收同步测量装置，其特征在于：包括基于积分球的光路系统和基于积分球的气路系统，所述基于积分球的气路系统根据需要向积分球内提供待测样品，所述光路系统含有激励光路与探测光路两部分，激励光路包括固体
激光器、分光镜、反射镜与接收激励光的
波长计和功率计，固体激光器产生的激励激光经分光镜、反射镜作用沿积分球直径方向射人积分球，并和球心处的待测样品发射作用形成探测区域产生吸收
信号和散射信号；所述的探测光路包括散射信号探测
传感器和吸收信号探测光路，所述的散射信号探测传感器包括对称安装积分球
中轴两侧的散射光积分探测器，实现散射信号的探测；所述的吸收信号探测光路采用光纤式迈克尔逊垂直反射式干涉传感结构，包括
半导体激光器、光纤隔离器、光环形器、
镀膜光纤
准直器以及全反镜，所述的镀膜光纤
准直器的端面镀的是30％的增反膜，所述的半导体激光器发射的载波调制激光经单模光纤连接的光纤隔离器、光环形器传输至镀膜的光纤准直器，一部分被镀膜的光纤准直器反射回单模光纤内反向传输作为干涉仪参考臂信号，一部分被镀膜的光纤准直器准直沿着积分球直径方向射入积分球内，和激励激光在探测区域相交并耦合，之后被全反镜反射沿原光路再次经过探测区域返回至镀膜光纤准直器，并返回至单模光纤内，作为携带样品吸收信息的干涉仪探测臂信号，干涉仪探测臂信号与干涉仪参考臂信号形成干涉，并被光环形器传送到探测器实现样品吸收信号的探测。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，所述积分球为内设球形腔的六面体，球形腔由分别位于带有斜侧面的两个长方体内部的半球形腔构成，且球心位于两个长方体对接面的中心，所述两个长方体对接面分别开有两两相对的进气孔、排气孔，相对面上开设有对称的多用途孔，所述的多用途孔外侧设有透明窗片；斜侧面上开设有散射检测孔，散射检测孔内安装有散射积分检测传感器，散射积分探测器采用
光探测器，应与激励光路共面，接收一定角度的散射光，根据接收光强计算散射系数；散射检测孔外置有密封片，斜侧面由
切除长方体两条平行以及相邻棱得到的；所述积分球空腔内壁涂有聚四氟乙烯反射层。
[0009] 作为上述技术方案的进一步改进，所述激励光路包括固体激光器、分光镜、反射镜与接收激励光的波长计和功率计，固体激光器产生的激励激光经分光镜分光为两部分，一部分至功率计，另一部分经反射镜作用在多用途孔内沿积分球直径方向射人积分球，并和球心处的待测样品发射作用形成探测区域产生吸收信号和散射信号，之后在积分球另一侧对称的多用途孔内出射，并被该多用途孔后方的反全镜反射至波长计。
[0010] 作为上述技术方案的进一步改进，所述激励光和样品相互作用，腔内样品散射激励光能量经积分球生成散射信号，由于积分球的作用，散射
光信号更好，腔内样品吸收激励光能量并基于热扩散效应形成吸收信号，进而实现吸收信号与散射信号的分离。
[0011] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的吸收信号探测光路采用光纤式迈克尔逊垂直反射式干涉传感结构，包括半导体激光器、光纤隔离器、光环形器、镀膜光纤准直器以及全反镜，所述的镀膜光纤准直器和全反镜分别固定安装在积分球的两个多用途孔中，并成对称分布，所述的半导体激光器发射的载波调制激光经单模光纤连接的光纤隔离器、光环形器传输至镀膜的光纤准直器，一部分被镀透射膜的光纤准直器反射回单模光纤内反向传输作为干涉仪参考臂信号，一部分被镀透射膜的光纤准直器准直沿着积分球直径方向射入积分球内，和激励激光探测区域相交并耦合，之后被全反镜反射沿原光路再次经过探测区域返回至镀膜光纤准直器，在探测区域并和与激励光路再次尽量耦合，使之携带尽量强的气溶胶吸收信息返回至单模光纤内，作为携带样品吸收信息的干涉仪探测臂信号，干涉仪探测臂信号与干涉仪参考臂信号形成干涉，并被光环形器传送到探测器实现样品吸收信号的探测。
[0012] 作为上述技术方案的进一步改进，所述气路系统包括供气气路和排气气路，供气气路安装在进气孔处，包括直接
采样气路、含有气溶胶
过滤器背景气路和高纯氮气清洗气路，通三个气路过
电子阀控制开闭，并通过连接流量计进入气孔，通过电子阀控制样品、气溶胶过滤器过滤后的样品与清扫气体依次经流量计进入积分球，完成测量、清洗工作；所述排气气路由安装在排气孔处的限流阀和采样
泵组成，使待测样品尽量均匀平稳的分布于样品池内。
[0013] 本发明的理论依据是：
[0014] 对于散射系数测量过程来说，当光波在样品中传播时，气溶胶粒子将散射光波能量，散射光能量也可能与其他粒子碰撞发生多次散射，经过积分球的作用，最后散射光能量将均匀的分布在积分球内壁上，通过散射积分探测器获取的光强信号即可恢复出散射信号，可表示为
[0015]
[0016] 式中：β为样品散射系数，V为探测器光强信号，seff为探测器有效接收面积，r为积分球半径。
[0017] 对于吸收系数测量过程来说，当光波在样品中传播时，气溶胶粒子将吸收光波，导致其
温度升高，进一步被加热的气溶胶粒子将向周围空气传递热量，加热周围空气，导致周围空气折射率的改变，将干涉仪探测臂置于上述区域，即可获得携带上述吸收信息的
相位信号，形成相应的干涉信号，经过进一步解调即可恢复出吸收信号，可表示为
[0018]
[0019] 式中：α为样品吸收系数，Pexc与a为激励激光能量与光束半径，ρ与Cp为样品
密度和恒压
热容，ω激励激光调制
频率,T为
环境温度，Δn为折射率改变量，n为空气折射率。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 本发明利用积分球内嵌光纤式迈克尔逊垂直反射式干涉传感器同时实现气溶胶的散射与吸收系数的检测；安置在积分球上的积分光传感器将精确获取气溶胶粒子产生的散射光，实现散射系数的测量；光纤式迈克尔逊垂直反射式干涉传感器属于
光学传感器中最灵敏的相位型传感器，具有极高的探测灵敏度，经过特殊设计实现光纤与自由空间相结合的传感结构，并将传感臂固定在积分球上，垂直反射式实现信号倍增，结构小巧紧凑、安装调试方便，基于光热效应可不受散射光影响精确获取吸收系数；改进的积分与干涉仪传感臂形成一体化的传感结构，散射与吸收系数通过同一束激励光、同一样品、同步实现同一波段下的检测，最大程度消除误差来源，通过调节激励光波段即可实现多波段的光谱测量，进一步可获取消光系数、单次散射反照比或埃斯屈朗指数等，为深入研究大气气溶胶光学性质提供支持。
[0022] 显著优点如下：
[0023] 1.气溶胶散射与吸收系数检测采用同一束激励光对同一样品同步实现原位测量；
[0024] 2.改进的积分球同时承担样品腔、散射信号生成、散射积分传感器安装与吸收测量干涉探测臂的功能，激励光穿过球心最大程度生成吸收信号与散射信号；
[0025] 3.采用光纤式迈克尔逊垂直反射式干涉传感器，这种检测技术以波长λ为度量单位，所以具有极高的灵敏度，特殊的干涉结构设计消除了偏振衰落现象；
[0026] 4.气溶胶吸收系数的测量基于光热效应，该方法本质上测量热扩散，因此可不受散射光影响，真正实现在线原位测量；
[0027] 5.相位载波解调
算法有效解决了干涉仪初始
相位漂移引起的相位衰落现象，可实现实时、稳定、精确解调；
附图说明：
[0028] 下面将结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明
[0029] 图1为本发明示意图，一种同时检测气溶胶散射与吸收的光热干涉光谱装置。
[0030] 其中，1、信号发生器；2、固体激光器；3、半导体激光器；4、分光镜；6、全反镜一；7、光环形器；8、探测器；9、功率计；10、高透窗片一；11、光纤准直器；12、全反射镜三；13-14、窗片；15-16、积分传感器；17、电子阀；18、流量计；19、气溶胶过滤器；20、高透窗片二；21、全反射镜二；22、波长计；23、采样泵；24、多用途孔一；26、进气孔；27、散射测量孔；28、多用途孔二；29、排气孔；30、高纯氮气清扫气路；31直接采样气路、；32、限流阀。具体实施方式：
[0031] 如图1所示，一种积分球内嵌光热干涉的气溶胶散射与吸收同步测量装置，其特征在于：包括基于积分球的光路系统和基于积分球的气路系统，所述基于积分球的气路系统根据需要向积分球内提供待测样品，所述光路系统含有激励光路与探测光路两部分，激励光路包括固体激光器、分光镜、反射镜与接收激励光的波长计和功率计，固体激光器产生的激励激光经分光镜、反射镜作用沿积分球直径方向射入积分球，并和球心处的待测样品发射作用形成探测区域产生吸收信号和散射信号；所述的探测光路包括散射信号探测传感器和吸收信号探测光路，所述的散射信号探测传感器包括对称安装积分球中轴两侧的散射光积分探测器，实现散射信号的探测；所述的吸收信号探测光路采用光纤式迈克尔逊垂直反射式干涉传感结构，包括半导体激光器、光纤隔离器、光环形器、镀膜光纤准直器以及全反镜，光纤准直器上镀的膜为30％的增反膜，所述的半导体激光器发射的载波调制激光经单模光纤连接的光纤隔离器、光环形器传输至镀膜的光纤准直器，一部分被镀膜的光纤准直器反射回单模光纤内反向传输作为干涉仪参考臂信号，一部分被镀膜的光纤准直器准直沿着积分球直径方向射入积分球内，和激励激光探测区域相交耦合，之后被全反镜反射沿原光路再次经过探测区域返回至镀透射膜光纤准直器，并返回至单模光纤内，作为携带样品吸收信息的干涉仪探测臂信号，干涉仪探测臂信号与干涉仪参考臂信号形成干涉，并被光环形器传送到探测器实现样品吸收信号的探测。
[0032] 激励光路具体如下：信号发生器1发出的调制信号施加到固体激光器2上，生成调制激励激光，分光镜5分别送至功率计9与全反镜一6，激励激光经全反镜一6反射透过高透窗片一10、多用途孔一24穿过积分球球形腔球心，并经多用途孔二28透过高透窗片二20来到全反射镜二21，经反射传播到波长计22；
[0033] 探测光路可分为吸收测量光路与散射测量光路，对于吸收测量光路，采用光纤式迈克尔逊垂直反射干涉传感器，信号发生器1发出调制信号施加到半导体激光器3上，生成的载波调制激光经单模光纤依次通过光纤隔离器4、光环形器7来到光纤准直器11，光纤准直器端面镀有30％增反膜，载波调制激光一部分光被反射回光纤反向传输作为干涉仪参考臂信号，另一部光透射端面，穿过与激励光路耦合的探测区域来到全反射镜三12，经反射再次穿过探测区域到达镀膜光纤准直器11端面再次回到单模光纤内，作为携带气溶胶吸收信息的探测臂信号，与参考臂信号形成干涉信号，经光环形7传送到探测器8上，实现吸收信号的探测；
[0034] 对于散射测量光路，两个散射积分传感器15、16分别安置于积分球斜侧面上的散射测量孔25、27，散射测量孔25、27外侧采用窗片13、14密封，两个传感器正对着积分球球心
位置的激励光路，接收一定角度的散射光；
[0035] 气路系统可分为进气气路与排气气路，进气气路可分为直接采样气路31、装有气溶胶过滤器19的背景气路和高纯氮气的清扫气路30，上述气路经电子阀17控制开闭，样品经流量计18、进气孔26进入积分球内，排气气路包括排气孔29、限流阀32和采样泵23，上述气路均通过管道相互连接；
[0036] 具体实施步骤如下：
[0037] (1)控制电子阀17转接到装有气溶胶过滤器19的背景气路，采样泵23开始工作将滤除气溶胶的样品引入样品腔中，限流阀32限制流量，流量计18监测实际流量，保证样品腔内充满滤除气溶胶后的样品，关闭采样泵23；
[0038] (2)开启激励光路与探测光路，同时稳定的获取包括散射与吸收信号的背景信号，获取激励激光功率与波长信息，关闭激励光路与探测光路；
[0039] (3)控制电子阀17转接到直接采样气路31，采样泵23开始工作将大气气溶胶引入样品腔中，限流阀32限制流量，流量计18监测实际流量，保证样品腔内充满大气气溶胶样品，关闭采样泵23；
[0040] (4)开启激励光路与探测光路，同时稳定的获取包括散射与吸收信号的实际气溶胶信号，获取激励激光功率与波长信息，关闭激励光路与探测光路；
[0041] (5)控制电子阀17转接到高纯氮气清扫气路30，采样泵23开始工作讲将氮气引入样品腔中，限流阀32加大流量，通过快速流动的气流完成样品腔的清洗，关闭采样泵23；
[0042] (6)将步骤(4)获取的实际气溶胶吸收与散射信号扣除步骤3获取的背景信号即完成实际气溶胶的散射与吸收吸收的测量工作，依次重复上述步骤即可实现连续测量。
