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一种基于腔衰荡光谱技术的大气 气溶胶 消光系数测量方法

阅读：543发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，腔衰荡光谱技术是一种新型光谱检测技术，其基于高反镜的多次反射特性，具有超高灵敏度和低检测限的优点，为气溶胶消光的测量提供了新型测量方法。由于腔镜的反射率极高（一般为99.9%-99.9999%），光强的衰减慢，在腔内可实现高达数千米甚至数十千米的等效光程，使探测的灵敏度及检测限大幅提高，这是其他测量方法所不能达到的。本发明为基于腔衰荡光谱技术设计的大气气溶胶消光系数测量方法，其灵敏度可达到0.2Mm-1，远高于传统的消光系数的检测灵敏度。，下面是一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备，包括脉冲激光源(1)、光学隔离器(2)、透镜A(3)、透镜B(4)、反光镜(5)、衰荡腔(6)、被测气体出口(7)、被测气体入口(8)、隔离腔(9)、高反射率腔镜(10)、探测器(11)、示波器(12)、数据采集器(13)、数据线(14)、计算机(15)、1/4波片(21)、偏振分束棱镜(22)和功率吸收池(23)，所述脉冲激光源(1)的激光发射方向设有光学隔离器(2)，所述光学隔离器(2)包括1/4波片(21)、偏振分束棱镜(22)和功率吸收池(23)，在光学隔离器(2)的一侧为透镜A(3)和透镜B(4)组成的透镜组，脉冲激光源(1)发射的激光经过光学隔离器(2)和透镜组之后由反光镜(5)改变方向进入衰荡腔(6)，在衰荡腔(6)上存在被测气体出口(7)和被测气体入口(8)，且在衰荡腔(6)的两端设有隔离腔(9)，在隔离腔(9)内均安装有高反射率腔镜(10)，在衰荡腔(6)的一侧方向上设有探测器(11)，所述探测器(11)与示波器(12)连接，且探测器(11)和示波器(12)均与数据采集器(13)连接，所述数据采集器(13)又经数据线(14)与计算机(15)连接；
一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其具体步骤如下：
S1、样本采集：从市区内不同地方采集空气样本，并对采集到的样本进行保存；
S2、设备调试：对基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数检测设备进行调试；
S3、系统校准：使用已知其消光系数的标准气体经行检测，并确定其误差，为在此基础上进行的大气气溶胶消光系数的测量打下基础；
S4、开始检测：将采集到的空气样本输入检测设备进行检测；
S5、收集数据：对检测得到的数据进行收集并保存；
S6、数据处理：将得到的相关数据导入计算公式进行处理，最终得出被检测气体的大气气溶胶消光系数。
2.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，样本采集的方式为将额定容量的敞口容器静置于样本采集区域10分钟，随后密封样本采集容器。
3.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，设备的调试为调整脉冲激光源(1)、光学隔离器(2)、透镜A(3)、透镜B(4)、反光镜(5)、衰荡腔(6)和探测器(11)的相对位置，使脉冲激光耦合进衰荡腔，并且最终衰荡信号被探测器(11)检测到，其中脉冲激光源(1)发射波长为532nm的脉冲激光源，脉宽小于10ns，重复频率小于1Hz的脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，系统校准采用CO2纯气以及不同浓度的NO2气体进行校准，分别将CO2以及不同浓度的NO2通入衰荡腔，测量其消光系数，与理论值进行比对，以横坐标为气体消光系数的理论值，纵坐标为气体消光系数的实验测量值，并对其进行拟合，得到测量结果和标准值的对应关系，从而完成对仪器的校准。
5.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，将气体样本从被测气体入口(8)处通入衰荡腔(6)，并从被测气体出口(7)处离开衰荡腔(6)，同时将N2通入隔离腔(9)内，使隔离腔(9)内安装的高反射率腔镜(10)与外界气体充分隔离。
6.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，数据采集器(13)收集探测器(11)探测到的衰荡信号和示波器(12)收到衰荡信号再通过指数曲线拟合得到衰荡时间。
7.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其特征在于，所述步骤S6中，计算机15根据数据采集器13收集到的相关数据以及设备数据计算被检测气体的大气气溶胶消光系数，当腔内无消光介质时，衰荡时间为
式中L为衰荡腔腔长，c为光速，R为腔镜的反射率。当腔内有消光介质时，衰荡时间为式中l为介质长度，介质长度与衰荡腔腔长相同(即L＝l)，σext为介质的消光系数。
由(一)、(二)式可得介质的消光系数为
式(三)即为最终测得的气溶胶的消光系数，单位为m-1。

说明书全文

一种基于腔衰荡光谱技术的大气 气溶胶 消光系数测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大气气溶胶消光系数测量方法，具体是一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法。

背景技术

[0002] 大气气溶胶是指悬浮于大气中的液体或固体微粒，通常微粒直径大小(空气动力学直径)在0.003-100μm之间。大气气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射影响地球大气能量的收支，从而影响气候变化，该效应称为气溶胶的直接辐射效应。气溶胶的直接辐射效应取决于气溶胶的光学特性，主要包括气溶胶对光的散射和吸收。而气溶胶的消光是气溶胶散射和吸收特性共同作用的结果，消光系数为散射和吸收系数之和。气溶胶消光系数的准确测量是开展气候辐射强迫研究的必要前提。同时，近年来我国灰霾天气日益增多，对大气能见度产生重要影响，而大气能见度与消光系数直接相关，因此有必要开展气溶胶消光系数研究。

[0003] 传统对大气气溶胶消光系数的测量方法主要包括利用激光雷达仪器的探测，利用积分浊度计检测，利用基于薄膜方法的黑碳仪和煤烟颗粒吸收分光光度计检测等。激光雷达虽然有较高的空间分辨率，但此方法通常只适用于某种特定的气溶胶类型，对于时间尺度变化较快的气溶胶而言误差偏大，而且当大气中气溶胶浓度偏低时，检测灵敏度较低，此外该技术受天气和大气影响也比较大。积分浊度仪便携及成本适中，但是在高相对湿度环境中测量时，系统误差明显偏大，即使采用传统的修正因子修正后，由于截断误差较大，测量结果通常还是偏低。对于黑碳仪，虽然具有测量方法简单，价格低等优点，但由于测量方法受滤膜类型和特点的影响，收集到滤膜上的散射或吸收性的气溶胶会与滤膜相互影响，改变气溶胶的吸收性质，会导致吸收系数的高估。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备，包括脉冲激光源、光学隔离器、透镜A、透镜B、反光镜、衰荡腔、被测气体出口、被测气体入口、隔离腔、高反射率腔镜、探测器、示波器、数据采集器、数据线、计算机、1/4波片、偏振分束棱镜和功率吸收池，所述脉冲激光源的激光发射方向设有光学隔离器，所述光学隔离器包括1/4 波片、偏振分束棱镜和功率吸收池，在光学隔离器的一侧为透镜A和透镜B组成的透镜组，脉冲激光源发射的激光经过光学隔离器和透镜组之后由反光镜改变方向进入衰荡腔，在衰荡腔上存在被测气体出口和被测气体入口，且在衰荡腔的两端设有隔离腔，在隔离腔内均安装有高反射率腔镜，在衰荡腔的一侧方向上设有探测器，所述探测器与示波器连接，且探测器和示波器均与数据采集器连接，所述数据采集器又经数据线与计算机连接。

[0007] 本发明实施例中，一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其具体步骤如下：

[0008] S1、样本采集：从市区内不同地方(包括工厂、街道、市民活动场所等)采集空气样本，并对采集到的样本进行保存。

[0009] S2、设备调试：对基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数检测设备进行调试。

[0010] S3、系统校准：使用已知其消光系数的标准气体经行检测，并确定其误差，为在此基础上进行的大气气溶胶消光系数的测量打下基础。

[0011] S4、开始检测：将采集到的空气样本输入检测设备进行检测。

[0012] S5、收集数据：对检测得到的数据进行收集并保存。

[0013] S6、数据处理：将得到的相关数据导入计算公式进行处理，最终得出被检测气体的大气气溶胶消光系数。

[0014] 作为本发明进一步的方案：所述步骤S1中，样本采集的方式为将额定容量的敞口容器静置于样本采集区域10分钟，随后密封样本采集容器。

[0015] 作为本发明再进一步的方案：所述步骤S2中，设备的调试为调整脉冲激光源、光学隔离器、透镜A、透镜B、反光镜、衰荡腔和探测器的相对位置，使脉冲激光耦合进衰荡腔，且在腔内振荡的前后两个脉冲不会发生干涉(当前脉冲在腔内振荡时，下一个脉冲还未到达腔内)，并且最终衰荡信号被探测器检测到，其中脉冲激光源发射波长为532nm的脉冲激光源，脉宽小于10ns，重复频率小于1Hz的脉冲激光。

[0016] 作为本发明再进一步的方案：所述步骤S3中，系统校准采用CO2纯气以及不同浓度的NO2气体进行校准，分别将CO2以及不同浓度的NO2通入衰荡腔，测量其消光系数，与理论值进行比对，以横坐标为气体消光系数的理论值，纵坐标为气体消光系数的实验测量值，并对其进行拟合，就可以获得测量结果和标准值的对应关系，从而完成对仪器的校准。

[0017] 作为本发明再进一步的方案：所述步骤S4中，将气体样本从被测气体入口处通入衰荡腔，并从被测气体出口处离开衰荡腔，同时将N2通入隔离腔内，使隔离腔内安装的高反射率腔镜与外界气体充分隔离。

[0018] 作为本发明再进一步的方案：所述步骤S5中，数据采集器收集探测器探测到的衰荡信号和示波器收到衰荡信号再通过指数曲线拟合得到衰荡时间。

[0019] 作为本发明再进一步的方案：所述步骤S中，计算机根据数据采集器收集到的相关数据以及设备数据计算被检测气体的大气气溶胶消光系数，当腔内无消光介质(即空腔) 时，衰荡时间为

[0020]

[0021] 式中L为衰荡腔腔长，c为光速，R为腔镜的反射率。当腔内有消光介质时，衰荡时间为

[0022]

[0023] 式中l为介质长度，介质长度与衰荡腔腔长相同(即L＝l)，σext为介质的消光系数。由(一)、(二)式可得介质的消光系数为

[0024]

[0025] 式(三)即为最终测得的气溶胶的消光系数，单位为m-1。

[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0027] 腔衰荡光谱技术是一种新型光谱检测技术，其基于高反镜的多次反射特性，在腔内可实现高达数千米甚至数十千米的等效光程，具有超高灵敏度和低检测限的优点，为气溶胶消光的测量提供了新型测量方法，本发明为基于腔衰荡光谱技术设计的大气气溶胶消光系数测量方法，其灵敏度可达到0.2Mm-1，远高于传统的消光系数的检测灵敏度。附图说明

[0028] 图1为基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备的结构示意图。

[0029] 图2为基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备中光学隔离器的结构示意图。

[0030] 图中：脉冲激光源1、光学隔离器2、透镜A3、透镜B4、反光镜5、衰荡腔6、被测气体出口7、被测气体入口8、隔离腔9、高反射率腔镜10、探测器11、示波器12、数据采集器13、数据线14、计算机15、1/4波片21、偏振分束棱镜22和功率吸收池23。

具体实施方式

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 请参阅图1～2，本发明实施例中，一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量设备，包括脉冲激光源1、光学隔离器2、透镜A3、透镜B4、反光镜5、衰荡腔6、被测气体出口7、被测气体入口8、隔离腔9、高反射率腔镜10、探测器11、示波器12、数据采集器13、数据线14、计算机15、1/4波片21、偏振分束棱镜22和功率吸收池23，所述脉冲激光源1的激光发射方向设有光学隔离器2，所述光学隔离器2包括1/4波片21、偏振分束棱镜22和功率吸收池23，在光学隔离器2的一侧为透镜A3和透镜B4组成的透镜组，脉冲激光源1发射的激光经过光学隔离器2和透镜组之后由反光镜5改变方向进入衰荡腔6，在衰荡腔6上存在被测气体出口7和被测气体入口8，且在衰荡腔6的两端设有隔离腔9，在隔离腔9内均安装有高反射率腔镜10，在衰荡腔6的一侧方向上设有探测器11，所述探测器11与示波器12连接，且探测器11和示波器12均与数据采集器13连接，所述数据采集器13又经数据线14与计算机15连接。

[0033] 本发明实施例中，一种基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数测量方法，其具体步骤如下：

[0034] S1、样本采集：从市区内不同地方(包括工厂、街道、市民活动场所等)采集空气样本，并对采集到的样本进行保存。

[0035] S2、设备调试：对基于腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光系数检测设备进行调试。

[0036] S3、系统校准：使用已知其消光系数的标准气体经行检测，并确定其误差，为在此基础上进行的大气气溶胶消光系数的测量打下基础。

[0037] S4、开始检测：将采集到的空气样本输入检测设备进行检测。

[0038] S5、收集数据：对检测得到的数据进行收集并保存。

[0039] S6、数据处理：将得到的相关数据导入计算公式进行处理，最终得出被检测气体的大气气溶胶消光系数。

[0040] 本发明的工作原理是：

[0041] 腔衰荡光谱(cavityring-downspectroscopy,CRDS)技术是近十几年迅速发展起来的一种新型光谱检测技术，其基于高反镜的多次反射特性，在腔内可实现高达数千米甚至数十千米的等效光程，具有超高灵敏度和低检测限的优点，为气溶胶消光的测量提供了新型测量方法。这种技术与传统的测量技术相比具有以下优势：

[0042] (1)腔衰荡中，由于腔镜的反射率极高(一般为99.9％-99.9999％)，光强的衰减慢，在较短的距离内可实现高达数千米甚至数十千米的等效光程光在腔内可以往返数千米，使探测的灵敏度及检测限大大提高，这是其他测量方法所不能达到的。

[0043] (2)由于CRDS技术是测量光在衰荡腔中的衰荡时间，该时间是一个强度的比值，与入射光的强度大小没有直接关系，因此测量结果不受激光强度起伏的影响，具有信噪比高、抗干扰能力强等优点。

[0044] (3)CRDS技术的装置很简单，非常容易实现。综上所述，CRDS技术在大气气溶胶消光系数测量中具有重要的研究意义和应用价值。

[0045] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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