专利名称：大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及大气气溶胶测量领域，具体为一种大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法。
背景技术：
大气气溶胶对光的散射改变了光的空间分布，增加了辐射能量空间分布的复杂性。获得宽波段内各个波长对应的大气气溶胶散射系数形成的谱图，并考察散射系数谱随温度、湿度和气压的变化规律，能够加深对于气溶胶光学特性的了解，拓展激光在大气中的辐射传输研究，更为准确的评估大气气溶胶的辐射强迫与气候影响，具有重要的学术意义和潜在的应用价值。大气气溶胶散射系数的测量通常用积分浊度计来实现。积分浊度计能够连续自动观测，定标简单方便，不破坏气溶胶的组分。由于结构上的限制，目前商用积分浊度计的散射光收集角度约为7° 170° (理想的散射光收集角度0° 180° )，截断角(前向 0° 7°，后向170° 180° )过大使得气溶胶的前向和后向散射光的收集偏少。根据小粒子散射理论，气溶胶粒子散射光分布受到尺度参数的制约，大尺度参数粒子至少一半的散射光分布在靠近前向的小角度范围内，商用浊度计7° 170°的测量角度丢失了很大一部分前向散射光，将严重低估散射系数的数值，甚至出现差距达到数倍的现象。另外， 商用积分浊度计只能给出3个波长对应的散射系数，无法了解其他波长的散射情况。散射系数测量考验的是所用方法收集气溶胶粒子散射光的能力，散射光收集效率越高，散射系数测量的准确度就越高，因此尽量减小截断角是散射系数测量的发展方向。若论散射光的收集能力，积分球具有非常大的优势。积分球是一个中空球体，内表面涂覆高反射率的涂层。积分球的混光特性使气溶胶粒子的散射光均勻分布在其内表面，变得和散射相函数无关，因此测量某一点的散射强度即可获得整个积分球收集的散射光能量。太阳光谱是包含了商用浊度计所用波长的连续光谱，如果将散射系数的实时测量扩大至能够检测的太阳光谱波段，形成散射系数谱，将极大的拓展气溶胶的散射研究及其应用领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，以解决采用积分浊度计进行测量存在的测量准确度差的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于包括有积分球、太阳光模拟器、分束器、光纤光谱仪I和光纤光谱仪II、放大器和计算机，所述光纤光谱仪II 的接收端耦合入积分球中，所述积分球上设置有彼此对称的样品出、入口，以及彼此对称的光束出、入口，且样品出、入口分别位于积分球竖直直径两端，光束出、入口分别位于积分球水平直径两端，积分球上还设置有温湿度传感器、气压传感器，所述太阳光模拟器向积分球发射太阳模拟光，所述太阳模拟光被所述分束器分成两束能量相同的出射光，其中一路出射光为参考光，所述参考光被所述光纤光谱仪I接收，另一路出射光为积分球入射光，积分球入射光从积分球的光束入口入射至积分球内，光路上的大气气溶胶粒子在入射光照射下形成散射，粒子散射光经积分球内表面多次反射后，光辐射能量平均分布，其中光纤光谱仪 II探头覆盖立体角内的辐射光强被抽样接收，所述光纤光谱仪I与光纤光谱仪II的信号输出线共接入所述放大器中，所述放大器输出线与计算机电连接。所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述参考光通过具有直角拐角的铝质管道弓I入光纤光谱仪ι，铝质管道管壁经过粗糙化发黑处理，铝质管道内的直角拐角处设置有将参考光反射至光纤光谱仪ι的反射镜；所述积分球入射光通过管壁粗糙化发黑处理的铝质直管引入积分球光束入口。所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述积分球的样品出口与一个抽气泵连通，且样品出口上设置有气阀。所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述积分球内腔涂覆有聚四氟乙烯涂层，积分球的前后和后向截断角均在1.6°以下。所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于积分球中， 位于光纤光谱仪II接收端的耦合处设置有挡光片，所述挡光片位于积分球的其中一个半球内表面，挡光片表面涂覆有聚四氟乙烯涂层，太阳光模拟器另一路出射光入射至积分球内产生了气溶胶粒子的散射光，所述挡光片使粒子散射光至少经历了积分球内表面的一次反射后才能被光纤光谱仪II接收。所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述光束出口处安装有铝质的羊角状的消光管，所述消光管管壁经过粗糙化发黑处理。所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述计算机上接有四通道的USB采集卡，所述USB采集卡四路通道一一对应采集光纤光谱仪I、光纤光谱仪II、温湿度传感器、气压传感器的输出信号。一种大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)将积分球固定在支架上，使得样品出口处的气阀和抽气泵方便调节，并确保样品出、入口的轴心连线垂直于水平面；令大气气溶胶样品从样品入口进入积分球中；(2)调整太阳光模拟器，使太阳模拟光沿水平方向出射至分束器；调整分束器，使太阳模拟光垂直入射至分束器；通过一个功率计与分束器配合，使分束器出射的参考光、 积分球入射光的能量严格一致；所述参考光通过所述铝质通道被光纤光谱仪I接收，积分球入射光通过所述铝质直管进入积分球的光束入口，积分球入射光从光束入口入射至积分球，首先被积分球内的大气气溶胶样品散射后形成散射光，所述散射光被积分球内壁多次反射；(3)通过积分球样品出口处的气阀和抽气泵控制采样速率，利用温湿度传感器测量积分球内的温湿度参数，利用气压传感器测量积分球内的气压参数，当积分球内的温湿度参数、气压参数与大气压环境一致时，认为采样速率为最佳值；(4)当采样速率为最佳值时，通过光纤光谱仪II接收所述散射光被积分球内壁多次反射后的散射光，所述光纤光谱仪II将接收到的散射光信号转化为电信号并输出至放大器，光纤光谱仪I将接收到的参考光信号亦转化为电信号后输出至所述放大器；
5
(5)所述计算机通过四通道的UBS采集卡，分别对温湿度传感器的电信号、压力传感器的电信号、经过放大器放大后的光纤光谱仪I及光纤光谱仪II的电信号进行采集；(6)对光纤光谱仪I、光纤光谱仪II的基线噪声进行测量，并计算积分球的开孔
7 U
比f，所述积分球的开孔比计算公式为/ = Σ^η2〒，式中Ui为积分球各开孔所对应的立体角；(7)在计算机中，通过大气气溶胶散射系数谱公式 Lir, 2r0 1~ρ(Δ (l-/)
Pscaw =LT^~』，得到大气气溶胶散射系数谱，其中其中λ表示选定波段
hW P(X)-V )
内太阳模拟光的各个波长，I1(A)表示太阳模拟光选定波段内各个波长对应的光纤光谱仪 I输出的电信号去掉光纤光谱仪I的基线噪声后的电信号值， 2(λ)表示太阳模拟光选定波段内各个波长对应的光纤光谱仪Π输出的电信号去掉光纤光谱仪II的基线噪声后的电信号值，^表示积分球的内腔半径，P (λ)表示太阳模拟光选定波段内各个波长值对应的积分球涂层反射率，Z表示光纤光谱仪II的检测探头半径，f表示积分球的开孔比。所述的大气气溶胶散射系数谱测量方法，其特征在于积分球内腔的聚四氟乙烯涂层在可见光的反射率近似为常数，等同于550nm处的反射率，近紫外和近红外波段聚四氟乙烯涂层的反射率P (λ)以IOnm为步长进行标定。本发明通过太阳光模拟器产生宽波段入射光，配合温湿压传感器，可以有效测量多种天气条件下的大气气溶胶散射系数谱，具有原理简单、操作方便、检测灵敏度高等特点ο本发明的理论依据是积分球是一个内壁均勻喷涂高反射率漫射材料(本专利选择聚四氟乙烯)的球形腔体。积分球之所以被广泛应用，本质上在于它的混光特性，可以收集光通量并将其均勻地散布于球壳内表面，消除了被测样品散射光的不均勻性带来的影响。由于内表面漫反射涂层的“积分”作用，可以在积分球任意出光位置获得均勻的朗伯辐射。探针式光束沿积分球直径方向穿过充满了待测气溶胶样品的积分球，光束覆盖的每个气溶胶粒子可以视作一个微小散射光源，积分球内表面收集了光束所覆盖全体粒子的散射光。上述条件下，内表面任意点(包括球壁开口处)的辐射量只是积分球的内腔几何半径IV涂层的反射率P和光束覆盖的气溶胶粒子散射光能量A。a的函数
权利要求
1.大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于包括有积分球、太阳光模拟器、分束器、光纤光谱仪I和光纤光谱仪II、放大器和计算机。所述光纤光谱仪II 的接收端耦合入积分球中，所述积分球上设置有彼此对称的样品出、入口，以及彼此对称的光束出、入口，且样品出、入口分别位于积分球竖直直径两端，光束出、入口分别位于积分球水平直径两端，积分球上还设置有温湿度传感器、气压传感器，所述太阳光模拟器向积分球发射太阳模拟光，所述太阳模拟光被所述分束器分成两束能量相同的出射光，其中一路出射光为参考光，所述参考光被所述光纤光谱仪I接收，另一路出射光为积分球入射光，积分球入射光从积分球的光束入口入射至积分球内，光路上的大气气溶胶粒子在入射光照射下形成散射，粒子散射光经积分球内表面多次反射后，光辐射能量平均分布，其中光纤光谱仪 II探头覆盖立体角内的辐射光强被抽样接收，所述光纤光谱仪I与光纤光谱仪II的信号输出线共接入所述放大器中，所述放大器输出线与计算机电连接。
2.根据权利要求1所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述参考光通过具有直角拐角的铝质管道引入光纤光谱仪I，铝质管道管壁经过粗糙化发黑处理，铝质管道内的直角拐角处设置有将参考光反射至光纤光谱仪I的反射镜；所述积分球入射光通过管壁粗糙化发黑处理的铝质直管引入积分球光束入口。
3.根据权利要求1所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述积分球的样品出口与一个抽气泵连通，且样品出口上设置有气阀。
4.根据权利要求1所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述积分球内腔涂覆有聚四氟乙烯涂层，积分球的前向和后向截断角均在1.6°以下。
5.根据权利要求1所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于积分球中，位于光纤光谱仪II接收端的耦合处设置有挡光片，所述挡光片位于积分球的其中一个半球内表面，挡光片表面涂覆有聚四氟乙烯涂层，太阳光模拟器另一路出射光入射至积分球内产生了气溶胶粒子的散射光，所述挡光片使粒子散射光至少经历了积分球内表面的一次反射后才能被光纤光谱仪II接收。
6.根据权利要求1所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述光束出口处安装有铝质羊角状的消光管，所述消光管管壁经过粗糙化发黑处理。
7.根据权利要求1所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于所述计算机上接有四通道的USB采集卡，所述USB采集卡四路通道一一对应光纤光谱仪 I、光纤光谱仪II、温湿度传感器、气压传感器的输出信号。
8.一种基于权利要求1的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)将积分球固定在支架上，使得样品出口处的气阀和抽气泵方便调节，并确保样品出、入口的轴心连线垂直于水平面；令大气气溶胶样品从样品入口进入积分球中；(2)调整太阳光模拟器，使太阳模拟光沿水平方向出射至分束器；调整分束器，使太阳模拟光垂直入射至分束器；通过一个功率计与分束器配合，使分束器出射的参考光、积分球入射光的能量严格一致；所述参考光通过所述铝质通道被光纤光谱仪I接收，积分球入射光通过所述铝质直管进入积分球的光束入口，积分球入射光从光束入口入射至积分球，首先被积分球内的大气气溶胶样品散射后形成散射光，所述散射光被积分球内壁多次反射；(3)通过积分球样品出口处的气阀和抽气泵控制采样速率，利用温湿度传感器测量积分球内的温湿度参数，利用气压传感器测量积分球内的气压参数，当积分球内的温湿度参数、气压参数与大气压环境一致时，认为采样速率为最佳值；(4)当采样速率为最佳值时，通过光纤光谱仪II接收所述散射光被积分球内壁多次反射后的散射光，所述光纤光谱仪II将接收到的散射光信号转化为电信号并输出至放大器， 光纤光谱仪I将接收到的参考光信号亦转化为电信号后输出至所述放大器；(5)所述计算机通过四通道的UBS采集卡，分别对温湿度传感器的电信号、压力传感器的电信号、经过放大器放大后的光纤光谱仪I及光纤光谱仪II的电信号进行采集；(6)对光纤光谱仪I、光纤光谱仪II的基线噪声进行测量，并计算积分球的开孔比f，所 述积分球的开孔比计算公式为/ = Σ^η2〒，式中Ui为积分球各开孔所对应的立体角； (7)在计算机中，通过大气气溶胶散射系数谱公式Aqjw=ILT^~』，得hW P(X)'V )到大气气溶胶散射系数谱，其中其中λ表示选定波段内太阳模拟光的各个波长，I1(X) 表示太阳模拟光选定波段内各个波长对应的光纤光谱仪I输出的电信号去掉光纤光谱仪I 的基线噪声后的电信号值， 2(λ)表示太阳模拟光选定波段内各个波长对应的光纤光谱仪 II输出的电信号去掉光纤光谱仪II的基线噪声后的电信号值，^表示积分球的内腔半径， P (λ)表示太阳模拟光选定波段内各个波长值对应的积分球涂层反射率，Z表示光纤光谱仪II的检测探头半径，f表示积分球的开孔比。
9.根据权利要求8所述的大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，其特征在于积分球内腔的聚四氟乙烯涂层在可见光的反射率近似为常数，等同于550nm处的反射率，近紫外和近红外波段聚四氟乙烯涂层的反射率P (λ)以IOnm为步长进行标定。
全文摘要
本发明公开了一种大气气溶胶散射系数谱原位测量装置及测量方法，包括有积分球、太阳光模拟器、光纤光谱仪、计算机，其中积分球采用聚四氟乙烯作为内部反射涂层，通过其截断角优势提高了散射光的收集效率，从而有效增强了散射系数谱测量的灵敏度。本发明建立了350~1000nm波段散射系数谱的测量公式，使得光电转换过程中因波长不同而导致的转换响应度不同得到了有效规避，能够检测大气气溶胶散射系数谱随温度、湿度和气压的演变规律，具有原理简单，操作方便，检测速度快的特点。
文档编号G01N21/49GK102262071SQ20111021100
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者张伟, 朱文越, 邵士勇, 饶瑞中 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所