双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪及消光系数测量方法
专利汇可以提供双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪及消光系数测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出一种双通道光腔衰荡大气 气溶胶 消光仪以及大气气溶胶 消光系数 的监测方法，所述的消光仪运用双通道光腔衰荡 光谱 技术对大气气溶胶的消光系数进行原位实时测量，包括光路系统、 电路 系统和气路系统，在所述光路系统中设置有作为双通道的第一光腔和第二光腔，所述气路系统分别向所述第一光腔和第二光腔提供含有气溶胶的大气气体和背景大气气体，并通过电路系统实时消除由于气体变化引起的气溶胶的消光系数的变化，达到实时、准确地测量大气气溶胶消光系数值。，下面是双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪及消光系数测量方法专利的具体信息内容。
1.一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统和气路系统，其
特征在于：所述光路系统包括第一光腔（1）、第二光腔（2）和光源，所述光源输出的光分别
导入所述第一光腔（1）和第二光腔（2）；所述气路系统包括保护气路和样气气路，所述保
护气路向每个光腔提供保护气，所述样气气路向所述第一光腔（1）提供含有气溶胶的大气
气体，向所述第二光腔（2）提供背景大气气体，所述光腔由腔体和高反射镜组成，高反射镜
平行相对地固定在腔体两端并保持密闭；所述电路系统包括第一光电倍增管（8）、第二光
电倍增管（9）和计算处理单元，所述第一光电倍增管（8）用于接收第一光腔（1）输出的衰
荡光信号并将其转换为电信号后输出至计算处理单元，所述第二光电倍增管（9）用于接收
第二光腔（2）输出的衰荡光信号并将其转换为电信号后输出至计算处理单元，所述计算处
理单元经分析处理分别得到两个光腔的衰荡曲线和衰荡时间，并基于此计算出大气气溶胶
的消光系数；具体的所述计算处理单元包括数字延迟发生器（11）、计算机（10）以及数据
采集卡（12），其中所述数字延迟发生器（11）的输出端同时连接光源和数据采集卡（12），
构成光路控制部分，用于触发光源脉冲与计算机运行程序，所述第一光电倍增管（8）和第
二光电倍增管（9）的输出端连接于所述数据采集卡（12），所述数据采集卡（12）和计算机
（10）相连；所述计算机（10）通过拟合第一光腔中的衰荡曲线得到其中气溶胶大气气体的
衰荡时间，通过拟合第二光腔中的衰荡曲线得到其中背景大气气体的衰荡时间，代入公式 计算得到大气气溶胶的消光系数，式中L 为光腔长度，c为光
速，l是样品的吸收光程长度， 为气溶胶大气气体的衰荡时间， 为背景大气气体的衰
荡时间， 为消光系数校零值；所述保护气路在每个光腔的临近其高反射镜的位置连
通于所述光腔，以将保护气通入到光腔每个高反射镜的镜面前端，所述的样气气路包括背
景气体供应气路和气溶胶气体供应气路，两个供应气路共用同一样气进气管路和抽气泵，
具体的所述保护气路包括四条支路，在第一光腔（1）的靠近两端高反射镜的位置处连接两
条支路，在第二光腔（2）的靠近两端高反射镜的位置处连接另两条支路；其中的保护气采
用高纯氮气且不含气溶胶颗粒物，所述样气气路的具体构成为：样气进气管路经一个三通
后分为两个进气路；第一进气路又分成两个支路分别从第一光腔（1）的前后部连通腔体，
构成气溶胶气体供应气路；第二进气路也分成两个支路分别从第二光腔（2）的前后部连通
腔体，构成背景气体供应气路，且在所述第二进气路上加有过滤器；所述第一光腔（1）上设
置的排气管路与所述第二光腔（2）上设置的排气管路连接于同一抽气泵；所述光电倍增管
采用稳压电源提供的高压电，并与所述数据采集卡构成数据采集部分；所述数据采集卡为
采集数24、采集速率100MHz的双通道高速数据采集卡；所述数字延迟发生器（11）的精确度
达到纳秒级。
2.根据权利要求1所述的消光仪，其特征在于，所述光路系统还包括调光单元，设置于
所述光源和光腔之间，用于将光源发出的光分束导入平行设置的所述第一光腔（1）和第二
光腔（2），并调整光束在其中形成衰减振荡。
3.根据权利要求2所述的消光仪，其特征在于，所述调光单元包括一个分光镜（4）、三
个反射镜（5）以及两组可调节光栅（6），所述光源发出的光通过所述分光镜（4）的反射和透
射后分为两束光，其中一束光经第一个反射镜反射和第一组光栅调节后进入第一光腔（1），
另一束光经垂直设置的另两个反射镜（5）反射和第二组光栅调节后进入第二光腔（2）。
4.根据权利要求1所述的消光仪，其特征在于，所述的光源为中心波长在绿光波段的
半导体泵浦高频脉冲激光器（3），激光由外触发器触发，并具有金属散热支架。
5.根据权利要求4所述的消光仪，其特征在于，所述的光腔由腔体和高反射镜组成，高
反射镜平行相对地固定在腔体两端并保持密闭，且所述高反射镜装在可调节的镜架中，用
以调节其镜面与入射光的角度。
6.根据权利要求5所述的消光仪，其特征在于，所述光源为中心波长在532nm、单束脉
冲能量为10μJ的半导体泵浦调Q激光器；所述高反射镜采用中心反射波段在540nm、反射
率为99.9985%、曲率半径1m、直径0.8英尺的高反射镜；所述腔体为圆柱形不锈钢管腔体，
腔体直径为42mm。
7.根据权利要求1所述的消光仪，其特征在于，所述过滤器为气溶胶颗粒过滤器，所述
抽气泵为可调流量的隔膜泵，流量范围在1-10L/min。
8.一种使用权利要求1-7任一项所述消光仪进行大气气溶胶消光系数监测的方法，其
特征在于，包括以下步骤：
1）、打开光源，调整调光单元，将光源发出的光引导入第一光腔（1）和第二光腔（2），打
开计算处理单元中的数字延迟发生器，触发光源及计算机运行程序，调高其光电倍增管电
压，在两个光腔中形成振荡；
2）、接通气路系统的保护气路向每个光腔提供保护气，将气路系统的样气气路接通大
气，打开抽气泵，在第一光腔（1）前或样气进路口临时加入过滤器，对两个光腔同时校零，将
获得的校零时第一光腔（1） 和第二光腔（2）的衰荡时间 输入到计算机中，利用公
式 计算出腔体的消光系数校零值，然后移去第一光腔（1）前或进路
口上临时设置的过滤器；
3）、向所述第一光腔（1）提供含有气溶胶的大气气体，向所述第二光腔（2）提供背景大
气气体，所述计算处理单元中的计算机获得每个光腔内的衰荡曲线，通过拟合得到第一光
腔（1）中气体和气溶胶的衰荡时间 以及第二光腔（2）中背景气体的衰荡时间 ，代入
公式 计算处理得到大气气溶胶的消光系数，其中 为上
述腔体校零时得到的消光系数校零值。
双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪及消光系数测量方法
技术领域
背景技术
系数和吸收系数，散光系数与吸收系数的加和就是大气气溶胶消光系数。目前，散光系数的
-1 -1
测量已经比较成熟，能够实现准确快速的测量，实验误差可以达到10 Mm ，但是吸收系数
的测量还没有达到这样的精度。气溶胶的吸收的测量通常采用滤膜采样吸收技术和光声光
电光谱技术，这两种技术由于器件灵敏度限制，或在测量过程中可能改变气溶胶本身性质，
具有误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点。
气溶胶的吸收系数。大气气溶胶的光学性质与其形态有紧密联系，滤膜技术很难评估堆积
在滤膜表面相较于悬浮在空气中的形态对吸收系数的影响是增加还是减少。另外，在测量
过程中引入了滤膜，由于其特殊的纤维结构导致的截面敏感性问题，不同滤膜的空白值一
致性较差，造成较大的实验不确定度。同时，滤膜采样吸收仪的光源并非采用单色光源，在
筛选各特定波长光的过程中波长（或频率）分布较宽，也会引起测量误差，测量的不准确性
达到30%，无法满足对实际大气气溶胶消光系数准确、快速变化的测量。
方式退激，释放的热能使气溶胶的周围气体介质按光的频率产生周期性压力波动，由高灵
敏微音器检测放大后得到光声信号,光声信号的强度即气溶胶对特定波长光的吸收。由于
光声光电光谱仪对特定波长光吸收所导致的热能释放，可能使气溶胶所含的硝酸铵等易挥
发物质挥发到气体介质中，或者改变湿度条件进而使气溶胶含水量和粒径发生变化，最终
影响对消光系数的测量，增大测量误差。
冲激光被耦台进入到一个光学谐振腔中，谐振腔由一对平行相对、曲率半径
为r，反射率为R的反射镜组成。在真空时，光学谐振腔中的光强会随时间变化 ，L为光腔长度，c为光速，t为激光脉冲在腔体里的时间。当
光腔内有气体时，光强随时间变化 。αg, ext是气体的消光
系数，l是样品的吸收光程长度。当光腔内通入气溶胶（即气体中混有气溶胶）时，上式变为
，αs, ext是气溶胶的消光系数。因此通过分别测量背
景气体及气体和气溶胶的衰荡时间，就可以得到气溶胶的消光系数，即
。光腔衰荡气溶胶消光仪就是基于这一工作原理来测得大气气溶胶的消光系数，但是现有
的光腔衰荡气溶胶消光仪都是基于单通道的光腔衰荡气溶胶消光仪，其在测量大气气溶胶
时，通常假设背景气体在一段时间里相稳定，气体消光的变化在一定时间段内可以忽略不
计，因此在一定的时间内测量一次背景气体的衰荡时间，然后将这一值输入到程序中，应用
这一背景气体衰荡时间计算一段时间的气溶胶消光系数。由于实际大气中有些气体的浓度
随时间变化较快，如果用一个时间点的气体消光系数来代替一段时间内气体消光系数，会
对气溶胶消光系数的测量带来误差，因此这种现有的光腔衰荡气溶胶消光仪在对实际大气
气溶胶消光系数的测量中仍然存在着误差，尤其是当背景气体的浓度变化较快时，这种误
差甚至影响气溶胶消光系数值的准确值，因此如果要得到实时准确的气溶胶消光系数，有
必要实时监测气体包括背景气体的消光系数的变化，而现有的单通道光腔衰荡气溶胶消光
仪无法做到这种实时监测。
发明内容
仪，运用双通道光腔衰荡光谱技术对大气气溶胶的消光系数进行原位实时测量，采用两个
光腔通道分别测量背景气体及背景气体与气溶胶的消光系数，通过计算程序处理，能够实
时地扣除由于背景气体变化引起的气溶胶的消光系数的变化，达到实时、准确地测量大气
气溶胶消光系数，最终得到非常精确的大气气溶胶消光系数值。
1和第二光腔2，并分别在其中形成振荡；所述气路系统包括保护气路和样气气路，所述保
护气路向每个光腔提供保护气，所述样气气路向所述第一光腔1提供含有气溶胶的大气气
体，向所述第二光腔2提供背景大气气体；所述电路系统包括第一光电倍增管8、第二光电
倍增管9和计算处理单元，所述第一光电倍增管8用于接收第一光腔1输出的衰荡光信号
并将其转换为电信号后输出至计算处理单元，所述第二光电倍增管9用于接收第二光腔2
输出的衰减光信号并将其转换为电信号后输出至计算处理单元，所述计算处理单元经分析
处理分别得到两个光腔的衰荡曲线和衰荡时间，并基于此计算出大气气溶胶的消光系数。
腔2，并调整光束在其中形成衰减振荡。
两束光，其中一束光经第一个反射镜反射和第一组光栅调节后进入第一光腔1，另一束光经
垂直设置的另两个反射镜5反射和第二组光栅调节后进入第二光腔2。
率为99.9985%、曲率半径1m、直径0.8英尺的高反射镜；所述腔体为圆柱形不锈钢管腔体，
腔体直径为42mm。
数据采集卡12，构成光路控制部分，用于触发光源脉冲与计算机运行程序，所述光电倍增管
的输出端连接于所述数据采集卡12，所述数据采集卡12和计算机10相连。
100MHz的双通道高速数据采集卡；所述数字延迟发生器11的精确度达到纳秒级。
气气路包括背景气体供应气路和气溶胶气体供应气路，两个供应气路共用同一样气进气管
路和抽气泵。
置处连接另两条支路；其中的保护气采用高纯氮气且不含气溶胶颗粒物。
部连通腔体，构成气溶胶气体供应气路；第二进气路也分成两个支路分别从第二光腔2的
前后部连通腔体，构成背景气体供应气路，且在所述第二进气路上加有过滤器；所述第一光
腔1上设置的排气管路与所述第二光腔2上设置的排气管路连接于同一抽气泵。
衰荡曲线得到其中背景大气气体的衰荡时间，代入公式 计算得到
大气气溶胶的消光系数，式中L 为光腔长度，c为光速，l是样品的吸收光程长度， 为气溶
胶大气气体的衰荡时间， 为背景大气气体的衰荡时间， 为消光系数校零值。
增管电压，在两个光腔中形成振荡；
零，将获得的校零时第一光腔（1） 和第二光腔（2）的衰荡时间 、 输入到计算机中，利用
公式 计算出腔体的消光系数校零值，然后移去第一光腔（1）前或进路口
上临时设置的过滤器；
一光腔（1）中气体和气溶胶的衰荡时间 以及第二光腔（2）中背景气体的衰荡时间 ，代
入公式 计算处理得到大气气溶胶的消光系数，其中 为上述腔
体校零时得到的消光系数校零值。
10 Mm ，有效的降低了误差影响；
具体实施方式
光器3，激光器3输出的单色激光引导进入作为双通道的第一光腔1和第二光腔2，并同时
在其中形成振荡；所述的气路系统包括保护气路和样气气路，用于向所述第一光腔1和第
二光腔2提供保护气和待测样气，其中样气气路向第二光腔提供的是背景大气气体，向第
一光腔提供的是含有气溶胶的大气气体。在气路系统向所述光路系统提供样气后，光路系
统两光腔内形成衰减振荡，其输出的两路衰减光信号被电路系统所接受，所述电路系统至
少包括与两个光腔对应的分别用于接收两路衰减光信号的第一光电倍增管8和第二光电
倍增管9、与光电倍增管连接的计算器10、以及一连接于激光器3和计算机10的数字延迟
发生器11，所述第一光电倍增管8和第二光电倍增管9将第一光腔1和第二光腔2输出的
衰减光信号转化为电信号，并输出至计算机10中，利用预设程序形成衰荡曲线，通过拟合
得到第一光腔1中气体和气溶胶的衰荡时间以及第二光腔2中背景气体的衰荡时间，代入
公式 即可得到大气气溶胶的消光系数，式中L 为光腔长度，c为光
速，l是样品的吸收光程长度， 为气溶胶大气气体的衰荡时间， 为背景大气气体的衰荡
时间, 为消光系数校零值。通过所述数字延迟发生器同步触发激光脉冲与计算机，保
证了监测精度。
Q激光器，激光由外触发器触发，单束脉冲能量10μJ，激光器配以具有良热导能力的金属
铝支架。所述光腔1，2优选由不锈钢腔体和高反射镜组成，高反射镜以法兰固定在腔体两
端并保持密闭，平行相对，高反射镜装在可调节的镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射
光的角度；优选的所述高反射镜采用中心反射波段在540nm、反射率为99.9985%、曲率半径
1m、直径0.8英尺的高反射镜。所述不锈钢腔体优选采用两个圆柱形不锈钢管腔体，腔体直
径为42mm，气体进样口直径12mm，气路系统提供的进样气体通过一个三通后分为两路，其
中一路进入作为气溶胶检测的第一腔体1，另外一路通过一个高效颗粒过滤器7进入作为
背景气体检测的第二腔体2，气体出样口直径12mm，在高反射镜架前的法兰有3mm的小孔通
入高纯氮气作为保护气，保证镜面不受气溶胶污染，光腔内部及所有管接口均打磨抛光处
理，降低气溶胶在腔体内的损失。所述的调光单元包括一个分光镜4、三个反射镜5以及两
组可调节光栅6，位于激光源与光腔之间，其布置方式如附图2所示，激光源3发出的激光
通过分光镜4的反射和透射后分为两束入射光，其中一束光经反射镜5反射和光栅6调节
而进入第一光腔1，另一束光经垂直设置的两个反射镜5反射和光栅6调节而进入第二光
腔2。所述光路系统在组装时，将所述激光器及其支架、调光单元、光腔及其支架依次如图
2所示安装在光学板上，并在两个光腔后对应设置电路系统的两个光电倍增管，再调节光腔
的高反射镜，使其镜面平行相对，组成衰荡光腔，两个光腔通道共用一个激光源，用一个1/2
分光片作为分光镜4将光源分为两束，分别通过图2中所示的反射镜将光路引入到两个光
腔的腔体中，通过调节光路使入射光在两个光腔中多次反射，形成光强随时间变化的衰荡
曲线。
时连接激光器3和数据采集卡12，构成光路控制部分，用于触发激光脉冲与计算机10，所述
两个光电倍增管8,9的输出端连接所述数据采集卡12，所述数据采集卡12和计算机10相
连。所述光电倍增管8，9具有响应快、灵敏度高的特点，采用稳压电源提供高压电源，保证
信号的稳定，用于接收光腔漏出的激光信号，且与所述计算机和数据采集卡构成数据采集
部分。所述的数据采集卡为采集数24、采集速率100MHz的双通道高速数据采集卡，且其衰
荡时间为10-60μs、100 MHz，这种高速数据采集卡可以保证光电倍增管的输入和激光触发
信号的真实性，避免衰荡曲线的失真。精确度达到纳秒级的数字延迟发生器11用于触发
激光器3和计算机10，激光触发后，在光腔1,2内形成衰荡，而由高反射镜漏出的激光由光
电倍增管8,9转化为电信号，由高速数据采集卡11采集后记录在计算机10的电脑程序中，
形成衰荡曲线，衰荡曲线平均1000次后，拟合得到衰荡时间τ，通过程序运算并结合公式
即可得到大气气溶胶消光系数，时间分辨率可以达到1s。
光腔，优选的所述进气管路经四通分成四条支路，所述支路采用3mm直径的细管并连通于
光腔，第一光腔靠近两端高反射镜位置连接两条支路，第二光腔靠近两端高反射镜位置处
连接另两条支路，如附图4所示（在立体图中保护气可共有同一进气管路），所述保护气采用
99.99%的高纯氮气，不含气溶胶颗粒物，对532 nm波长光无吸收，分别通入到两对高反射
镜的镜面前端以保证镜面不受气溶胶污染。所述的样气气路经过一个三通后分为两个进气
路，每个进气路又分别分成两个支路从每个光腔的前后端附近进入腔体，两个腔体的气路
采用并行连接，其中一个腔体前的进气路上加有高效气溶胶过滤器7，使得进入该腔体的气
体为不含气溶胶的背景气体，从而通过该腔体2测量背景气体的消光系数变化，另一个腔
体则用来测量气体气溶胶的消光系数，两个腔体的排气出口同时连接同一个抽气泵，以保
证两个光腔内气体物理参数的一致性。
算机运行程序，调高光电倍增管电压；
体1 和腔体2的衰荡时间 、 参数输入到计算机中，利用公式 计算出
腔体的消光系数校零值，然后移去第一腔体1前或进路口上临时设置的过滤器，开始采集
每个光腔内的实际衰减光信号；
计算即可得到大气气溶胶的消光系数，其中 为上述腔体校零
时得到的消光系数校零值。
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