CN101241068A - 多光路光学吸收大气测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种多光路的光学吸收大气测量仪。它包括4光路光学发射和接收装置、石英光纤、面阵探测器、分光光谱仪等。光源位于发射和接收装置中，石英光纤的4个入射端口分别在发射和接收装置的4个会聚焦点上，出射端口在光谱仪的入射窗口处；光谱仪由准直系统、光栅构成；面阵探测器连接在光谱仪的出射窗口处，接收4条测量光路上的光谱信号，同时通过电缆线与计算机相连接；计算机存储和分析光谱信号，反演污染物浓度，并用于显示测量区域上空的污染物浓度平面分布。该装置结构紧凑，集成化程度高，可以同时在4个方向的测量光路上测量大气污染物浓度，适合于对大面积区域大气环境多种污染物进行连续、在线测量。

Description

多光路光学吸收大气测量仪

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种光学吸收大气测量仪，用于对大气污染物大范围平面浓度分布实时监测。

背景技术

目前对大气中污染气体如二氧化氮、二氧化硫、臭氧的测量主要有空气二氧化氮、二氧化硫、臭氧自动监测仪，以及长程差分吸收光谱气体污染监测装置。自动监测仪在监测时，通过采样管先将待测气体抽入到仪器内，使其与某些物质进行化学反应，或用紫外光照射或利用紫外吸收原理进行测量，比如二氧化氮分析仪工作时，先将二氧化氮转化成一氧化氮，再让一氧化氮与过量的臭氧反应，产生激发态的二氧化氮，该激发态的二氧化氮很不稳定，很快跃迁回基态，并发射波长范围为600～3000nm的光，根据测得的发射光强来确定一氧化氮的浓度，最后由一氧化氮浓度推算出二氧化氮浓度。对臭氧分析仪利用紫外吸收法，首先将样气通入吸收池，然后用紫外光照射，对比被紫外吸收和没有紫外吸收的光，可以分析样气中臭氧的浓度。对二氧化硫是采用紫外荧光法，仪器一般由样品池、紫外光源、探测器构成，监测时，将二氧化硫通入样品池，然后用波长190～300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光后跃迁至激发态，处于激发态的二氧化硫分子回到基态时，发射出峰值波长在330nm附近的紫外荧光，该荧光强度与二氧化硫浓度呈线性关系，进而再推算出二氧化硫浓度。但这类仪器的不足之处是每种仪器只能测量一种污染物，仪器维护工作量大。长程差分吸收光谱气体污染监测装置是利用气体分子对某些波长光的特征吸收原理工作的，其工作过程是发射接/收望远镜固定在一端，在距离500m左右的地方放置一角反射镜，望远镜发射出去的光经过角反射镜反射后再被望远镜接收，然后通过光纤将光传输到光谱仪进行分光，光信号由探测器检测，并送入计算机进行光谱分析，反演出光路经过区域中污染物的浓度。

上面提到的自动分析仪由于需要通过采样管抽取样气，因而只能进行点测量，长程差分吸收光谱气体污染监测装置有一条测量光路，其测量结果反映的是测量光路上污染物浓度值，是线测量。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的不足处而提供一种多光路的光学吸收大气测量仪。

本发明提出的多光路光学吸收大气测量仪包括：

可以同时向4个方向发射光并接收4个方向反射光的4光路发射和接收装置；

一根石英光纤；

一个分光光谱仪；

一个面阵探测器；

一台分析浓度用的计算机。

其中，4光路发射和接收装置共有4个光路，每个光路的结构一致，分别由设置于该光路入口端的一个球面反射镜(如图中15、21、16、22)、设置于该光路后部且与该球面反射镜成45°角的平面反射镜和设置于该光路中间且与该球面反射镜垂直的另一平面反射镜组成。4光路发射和接收装置工作时可以将光源发出的光沿4个不同方向发射出去，并且接收这4个方向反射回来的光；石英光纤有4个入射端口，分别在4光路发射和接收装置的4个会聚焦点上，其出射端口在分光光谱仪的入射窗口处，石英光纤将4光路中由4个方向返回的光会聚到一个光纤出射端送入分光光谱仪的入射窗口；面阵探测器与分光光谱仪连接，输出与计算机连接，面阵探测器同时探测经分光光谱仪分光后的4条光谱，并将他们输入到计算机进行分析。

相对于现有技术，本仪器采用4光路发射和接收装置，将光源的光沿4个不同方向发射出去，这样就同时有4条测量光路，可以测量4条光路上污染物浓度，因此测量范围覆盖到一个面，克服了现有技术中只能进行点测量和线测量的不足。由于使用了面阵探测器，本系统可以同时采集4个方向上的测量光谱，因此可以用较高的时间分辨率对一个区域上空进行大面积测量，提高了测量效率和覆盖区域。

该仪器集成程度高，将以前需要多套设备才能完成的污染物面分布测量任务集中到一个系统中，大大提高了测量效率，提高了仪器的性能价格比，非常适合于对大面积区域大气环境多种污染物进行连续、在线测量。

附图说明

图1是本发明的一种基本结构示意图(侧面)。

图2为4光路发射和接收装置的横剖面图示。

图中标号：1是4光路发射和接收装置，15、16、21、22是4块球面反射镜，11、12、17、18是4块与球面反射镜成45度角的平面反射镜，13、14、19、20是4块与球面反射镜垂直的平面反射镜，2是光源，3是石英光纤，4是分光光谱仪，5是面阵探测器，6是计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式进行进一步的描述。

参见图1，光源2采用高压氙灯，位于4光路光学发射和接收装置1中，可以被4光路的光学发射和接收装置向4个方向准直发射；发射和接收装置1中，第1光路由设置于该光路入口端的第1球面反射镜15、设置于该光路后部且与第1球面反射镜15成45°角的第1平面反射镜11和设置于该光路中间且与第1球面反射镜15垂直的第5平面反射镜13组成；第2光路由设置于该光路入口端的第2球面反射镜21、设置于该光路后部且与第2球面反射镜21成45°角的第2平面反射镜17和设置于该光路中间且与第2球面反射镜21垂直的第6平面反射镜19组成；

第3光路由设置于该光路入口端的第3球面反射镜16、设置于该光路后部且与第3球面反射镜16成45°角的第3平面反射镜12和设置于该光路中间且与第3球面反射镜16垂直的第7平面反射镜14组成；

第4光路由设置于该光路入口端的第4球面反射镜22、设置于该光路后部且与第4球面反射镜22成45°角的第4平面反射镜18和设置于该光路中间且与第4球面反射镜16垂直的第8平面反射镜20组成。

该石英光纤3具有4个入射端口，但只有一个出射端口，其功能是将发射和接收装置1与分光光谱仪4连接，分光光谱仪4由准直系统、光栅组成，可以将在入射窗口纵向排列的入射光在其出射窗口分解成纵向排列的光谱，面阵探测器5与分光光谱仪相连，同时面阵探测器5又通过电缆线与计算机6相连。

工作时，光源2发出的光被发射和接收装置1中的平面反射镜11、12、17、18和球面镜15、16、21、22准直后向4个不同的方向发射，同时平面镜13、14、19、20和球面镜15、16、21、22又将从这4个方向反射回来的光接收并汇聚在石英光纤3的4个入射端口上，石英光纤3将这些光传输到分光光谱仪4的入射端口，在分光光谱仪4中经过准直和分光后，4条光路上的光谱信号由面阵探测器5检测，并通过电缆线传输到计算机6进行光谱处理，在滤除大气中米散射、瑞利散射对测量光谱的影响后，得到大气污染物的吸收光谱，用待测大气污染物的标准吸收光谱对大气吸收光谱进行最小二乘法拟合，就能反演各条测量光路上的污染物浓度，最终结合计算机数值重建技术，描绘出监测区域上空污染物浓度的平面分布。

Claims (1)

1、一种多光路光学吸收大气测量仪，其特征在于包括：

一个可以同时向4个方向发射光并接收4个方向反射光的4光路发射和接收装置；

一根石英光纤；

一个分光光谱仪；

一个面阵探测器的光谱仪；

一台分析浓度用的计算机；

其中，4光路发射和接收装置共有4个光路，每个光路的结构一致，分别由设置于该光路入口端的一个球面反射镜、设置于该光路后部且与该球面反射镜成45°角的平面反射镜和设置于该光路中间且与该球面反射镜垂直的另一平面反射镜组成；石英光纤有4个入射端口，分别在4光路发射和接收装置的4个会聚焦点上，其出射端口在分光光谱仪的入射窗口处，石英光纤将4光路中由4个方向返回的光会聚到一个光纤出射端，送入分光光谱仪的入射窗口；面阵探测器与分光光谱仪连接，输出与计算机连接，面阵探测器同时探测经分光光谱仪分光后的4条光谱，并将他们输入到计算机进行分析。

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