一种大气颗粒物尺度谱分布探测装置及其工作方法

技术领域

本发明属于大气环境监测技术领域，具体涉及一种大气颗粒物尺度谱分布探测装置及其工作方法。

背景技术

气溶胶的原始定义为悬浮在大气中的固态、液态微粒子与气态载体所组成的多相体系。在多种组成气溶胶的颗粒中，液态的雾滴粒子常与固态的霾粒子同时出现导致“雾霾”现象。两种粒子不同，但经常同时出现且在一定条件下可相互转化。雾与气溶胶粒子谱分布的获取对于人们认识大气环境变化及人类健康影响具有重要的作用。

当前大多数的颗粒物粒径谱仪都是通过采样并且经过蒸干处理后获取气溶胶粒子谱分布，破坏了原本气溶胶的环境和状态，不能反映真实大气粒子的状态；而雾滴谱仪只能得到雾的粒子谱分布，无法得到气溶胶的粒子谱分布。探测开放大气环境下雾霾粒子的粒子谱分布及微物理参量信息是十分重要的，但是目前国内外还没有相关技术和产品来探测开放环境下雾霾粒子谱分布。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种大气颗粒物尺度谱分布探测装置及其工作方法，能够真实、快速、无扰地获得开放大气环境中颗粒物的尺度谱分布信息，且探测粒径范围宽、覆盖面广、探测精度高、环境适应性强。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种大气颗粒物尺度谱分布探测装置，包括光源发射组件和光信号探测及分析组件；

光源发射组件的外壳内设有紫外光束发射器、短波近红外光束发射器、光束调整系统和光合束器，光源发射组件的外壳上开设有出射光孔；所述光束调整系统设在紫外光束发射器和短波近红外光束发射器发射光束的光路上，光合束器设在所述光束调整系统的下游；

光信号探测及分析组件的外壳内设有第一双频带通滤波片、第一透镜、第二双频带通滤波片、第二透镜、第三滤波片、第三透镜、探测模块和处理及分析模块，光信号探测及分析组件的外壳上开设有与出射光孔相对的入射光孔；经光合束器的合束光由出射光孔出射，经大气空间射入入射光孔；第二双频带通滤波片和第二透镜依次设在所述合束光的前向上；第一双频带通滤波片和第一透镜依次设在所述合束光的一个侧向上；第三滤波片和第三透镜依次设在所述合束光的另一个侧向上；探测模块分别接收第一透镜后第一焦面上的侧向散射光信号、第三透镜后第三焦面上的侧向散射光信号和第二透镜后第二焦面上的两个前向散射光信号；探测模块与处理及分析模块连接。

优选地，紫外光束发射器发射的光束的波长为200～400nm，短波近红外光束发射器发射光束的波长为900～1100nm。

进一步优选地，第一双频带通滤波片的中心波长为紫外波段和短波近红外波段、带宽为10nm；第二双频带通滤波片的中心波长为紫外波段和短波近红外波段、带宽为10nm；第三滤波片的带通波长为紫外波段、带宽为10nm。

优选地，所述光束调整系统包括第一光束扩束器、第二光束扩束器、第一光束反射器、第二光束反射器和第三光束反射器；第一光束扩束器和第一光束反射器依次设在紫外光束发射器发射光束的光路上，第二光束反射器设在第一光束反射器的反射光路上，第二光束反射器的反射光路朝向光合束器；第二光束扩束器和第三光束反射器依次设在短波近红外光束发射器发射光束的光路上，第三光束反射器的反射光路朝向光合束器。

优选地，第一透镜为短焦正透镜；第二透镜为长焦透镜，焦距>100mm；第三透镜为短焦正透镜。

优选地，第一双频带通滤波片和第一透镜与所述合束光的夹角为32°-38°；第三滤波片和第三透镜与所述合束光的夹角为12°±1°；所述两个前向散射光信号与所述合束光的夹角分别为1°±1°和2°±1°。

优选地，所述探测模块包括第一探测器、光纤法兰、双孔光纤、第二探测器、第三探测器和第四探测器；第一探测器设在第一焦面上；光纤法兰设在第二焦面上，光纤法兰通过双孔光纤分别与第二探测器和第三探测器连接；第四探测器设在第三焦面上。

优选地，所述处理及分析模块包括滤波器、处理器、存储器、显示器和通讯模块，滤波器、存储器、显示器和通讯模块分别与处理器连接，滤波器与探测模块连接。

本发明公开的上述大气颗粒物尺度谱分布探测装置的工作方法，包括：

紫外光束发射器和短波近红外光束发射器交替发射的光束经光束调整系统和光合束器后从出射光孔射出，经大气空间中的颗粒物散射后由入射光孔射入，分别经第一双频带通滤波片和第一透镜后汇聚到第一焦面上、经第二双频带通滤波片和第二透镜后汇聚到第二焦面上、经第三滤波片和第三透镜后汇聚到第三焦面上；探测模块分别探测第一焦面、第二焦面和第三焦面上的光信号，转换成电信号后输出至处理及分析模块；处理及分析模块对电信号数据进行去噪处理后，利用反演算法得到大气中的粒子谱分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种大气颗粒物尺度谱分布探测装置，采用多个角度的光散射方法，光源发射组件发射的光束进入大气空间，经大气中的颗粒物(气溶胶或雾滴粒子)散射后通过光信号探测及分析组件进行接收，同时通过计算分析得到气溶胶粒径谱分布。本发明实现了大气开放环境下不同粒径的探测，无需抽气，不改变被探测对象的自然环境，能够得到反映实际情况的真实数据。本发明的用于探测开放大气环境中颗粒物的探测装置能够快速、准确、无扰的获得颗粒物尺度谱分布信息，探测粒径范围宽、可覆盖0.5微米到30微米，探测精度高、系统环境适应性强。

进一步地，紫外光束发射器发出紫外波段短波光束、主要用于大气中气溶胶及雾滴小颗粒的探测、短波近红外波段光束主要用于较大颗粒的探测。滤波片的使用主要是为了提取有用信号、抑制背景杂散光、降低信号噪声。系统中采用透镜将各个方向的光束汇聚，便于探测器接收。接收前向散射光的透镜采用长焦距透镜以便于将小角度的前向散射光在空间上分离开。系统选用前向和侧向四个角度来实现不同粒径的感知和探测，前向小角度主要用来实现大粒径的探测、前向小角度和侧向角度的配合使用主要是为避免能量起伏导致系统探测误差，同时多个角度实现不同粒径的探测。

本发明公开的上述大气颗粒物尺度谱分布探测装置的工作方法，操作简便、结果精度高，不受操作者经验和技能水平的影响。

附图说明

图1为本发明的大气颗粒物尺度谱分布探测装置的整体结构示意图。

图中：1.光源发射组件，1-1.紫外光束发射器，1-2.短波近红外光束发射器，1-3.第一光束扩束器，1-4.第二光束扩束器，1-5.第一光束反射器，1-6.第二光束反射器，1-7.第三光束反射器，1-8.光合束器，1-9.出射光孔；2.光信号探测及分析组件，2-1.入射光孔，2-2.第一双频带通滤波片，2-3.第一透镜，2-4.第一焦面，2-5.第一探测器，2-6.第二双频带通滤波片，2-7.第二透镜，2-8.第二焦面，2-9.光纤法兰，2-10.双孔光纤，2-11.第二探测器，2-12.第三探测器，2-13.第三滤波片，2-14.第三透镜，2-15.第三焦面，2-16.第四探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1，本发明的大气颗粒物尺度谱分布探测装置，包括光源发射组件1和光信号探测及分析组件2；

光源发射组件1的外壳内设有紫外光束发射器1-1、短波近红外光束发射器1-2、光束调整系统和光合束器1-8，光源发射组件1的外壳上开设有出射光孔1-9；所述光束调整系统设在紫外光束发射器1-1和短波近红外光束发射器1-2发射光束的光路上，光合束器1-8设在所述光束调整系统的下游；

光信号探测及分析组件2的外壳内设有第一双频带通滤波片2-2、第一透镜2-3、第二双频带通滤波片2-6、第二透镜2-7、第三滤波片2-13、第三透镜2-14、探测模块和处理及分析模块，光信号探测及分析组件2的外壳上开设有与出射光孔1-9相对的入射光孔2-1；经光合束器1-8的合束光由出射光孔1-9出射，经大气空间射入入射光孔2-1；第二双频带通滤波片2-6和第二透镜2-7依次设在所述合束光的前向上；第一双频带通滤波片2-2和第一透镜2-3依次设在所述合束光的一个侧向上；第三滤波片2-13和第三透镜2-14依次设在所述合束光的另一个侧向上；探测模块分别接收第一透镜2-3后第一焦面2-4上的侧向散射光信号、第三透镜2-14后第三焦面2-15上的侧向散射光信号和第二透镜2-7后第二焦面2-8上的两个前向散射光信号；探测模块与处理及分析模块连接。

在本发明的一个较优的实施例中，紫外光束发射器1-1发射的光束的波长为200～400nm，短波近红外光束发射器1-2发射光束的波长为900～1100nm。优选地，第一双频带通滤波片2-2的中心波长为紫外波段和短波近红外波段、带宽为10nm；第二双频带通滤波片2-6的中心波长为紫外波段和短波近红外波段、带宽为10nm；第三滤波片2-13的带通波长为紫外波段、带宽为10nm。

在本发明的一个较优的实施例中，所述光束调整系统包括第一光束扩束器1-3、第二光束扩束器1-4、第一光束反射器1-5、第二光束反射器1-6和第三光束反射器1-7；第一光束扩束器1-3和第一光束反射器1-5依次设在紫外光束发射器1-1发射光束的光路上，第二光束反射器1-6设在第一光束反射器1-5的反射光路上，第二光束反射器1-6的反射光路朝向光合束器1-8；第二光束扩束器1-4和第三光束反射器1-7依次设在短波近红外光束发射器1-2发射光束的光路上，第三光束反射器1-7的反射光路朝向光合束器1-8。

在本发明的一个较优的实施例中，第一透镜2-3为短焦正透镜；第二透镜2-7为长焦透镜，焦距>100mm；第三透镜2-14为短焦正透镜。

在本发明的一个较优的实施例中，第一双频带通滤波片2-2和第一透镜2-3与所述合束光的夹角为32°-38°；第三滤波片2-13和第三透镜2-14与所述合束光的夹角为12°±1°；所述两个前向散射光信号与所述合束光的夹角分别为1°±1°和2°±1°。

在本发明的一个较优的实施例中，所述探测模块包括第一探测器2-5、光纤法兰2-9、双孔光纤2-10、第二探测器2-11、第三探测器2-12和第四探测器2-16；第一探测器2-5设在第一焦面2-4上；光纤法兰2-9设在第二焦面2-8上，光纤法兰2-9通过双孔光纤2-10分别与第二探测器2-11和第三探测器2-12连接；第四探测器2-16设在第三焦面2-15上。

在本发明的一个较优的实施例中，所述处理及分析模块包括滤波器、处理器、存储器、显示器和通讯模块，滤波器、存储器、显示器和通讯模块分别与处理器连接，滤波器与探测模块连接。

在实际的装置中，光源发射组件1和光信号探测及分析组件2的外壳分别固定在支架上，便于稳定检测和携带。

上述大气颗粒物尺度谱分布探测装置在工作时：

紫外光束发射器1-1和短波近红外光束发射器1-2交替发射的光束经光束调整系统和光合束器1-8后从出射光孔1-9射出，经大气空间中的颗粒物散射后由入射光孔2-1射入，分别经第一双频带通滤波片2-2和第一透镜2-3后汇聚到第一焦面2-4上、经第二双频带通滤波片2-6和第二透镜2-7后汇聚到第二焦面2-8上、经第三滤波片2-13和第三透镜2-14后汇聚到第三焦面2-15上；探测模块分别探测第一焦面2-4、第二焦面2-8和第三焦面2-15上的光信号，转换成电信号后输出至处理及分析模块；处理及分析模块对电信号数据进行去噪处理后，利用反演算法得到大气中的粒子谱分布。

下面以一个具体实施例来对本发明的大气颗粒物尺度谱分布探测装置的原理和用法进行进一步地解释说明：

步骤1，使用紫外光束发射器1-1发射出355nm的光束；

步骤2，发射出的光束经过第一光束扩束器1-3扩束，然后经过由第一光束反射器1-5、第二光束反射器1-6及光合束器1-8后从出射光孔1-9射出；

步骤3，从出射光孔1-9出射的准直光束进入大气空间，经大气中的颗粒物(气溶胶或雾滴粒子)散射后通过入射光孔2-1进入光信号探测及分析组件2；

步骤4，35°散射光经过第一双频带通滤波片2-2、第一透镜2-3后汇聚到第一焦面2-4上，由第一探测器2-5探测光信号，输出电信号P

步骤5，前向散射光经过第二双频带通滤波片2-6、第二透镜2-7进入到第二焦面2-8；

步骤6，在第二焦面2-8上放置双孔光纤2-10，双孔芯径间距为1.75mm，第一个纤芯距离焦点之间距离为1.75mm；

步骤7，双孔光纤2-10的两个孔分别将前向散射1°和2°的光输出到第二探测器2-11和第三探测器2-12，转换为电信号P

步骤8，12°的散射光经过第三滤波片2-13、第三透镜2-14后汇聚到第三焦面2-15上，由第四探测器2-16探测光信号，输出电信号P

步骤9，使用短波近红外光束发射器1-2发射出波长为1064nm的光束；

步骤10，重复步骤2～8；

步骤11，处理第一探测器2-5、第二探测器2-11、第三探测器2-12和第四探测器2-16的数据，将所采集到的数据先进行去噪处理，再带入步骤12的反演算法，得到最终的反演谱；

步骤12，利用紫外光束发射器1-1发射出的355nm的光束和第二光束发射器1-2发射的1064nm的光束与四个前向小角度与侧向角度(1°、2°、12°、35°)的散射信息与消光信息相结合，以三参数的伽马分布为基本模型，设立如公式(1)所示的目标方程，得到粒子谱分布，按照步骤进行：

其中，δ

步骤12.1，任意一个散射角度的电信号P

步骤12.2，气溶胶谱的滴谱宽度的范围为0.1～1.2和0.4～2.0，雾滴谱的滴谱宽度的范围值为0.4～2.0，将滴谱宽度在这两个范围内以步长0.01取值，可得k个ε值，记为ε

其中，β'(m,r,θ,λ)是粒径为r的粒子在入射波长为λ，复折射率为m，散射角为θ时的散射系数，Q

步骤12.3，通过公式(4)计算得到相对应通道的系数n'

步骤12.4，依据步骤12.1求解得到的有效半径值r

以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。