CN102507499A - 采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气气溶胶吸收系数光电测量装置，具体涉及一种采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置。本发明采用低相干光源作为光源，并采用由分光板、光束调节板、第一、二角反射镜所组成的光学部分，同时采用了参考室和测量室以消除空气不均匀和空气流动的影响；本发明还使用激光照射测量室中的大气气溶胶产生光热效应，从而导致参考室和测量室中的空气折射率产生差异，本测量装置可测量这种空气折射率差，进而通过数据处理装置计算出大气气溶胶的吸收系数。本装置具有直接测量大气气溶胶吸收系数而不受散射光的影响、精度高、在线等优点，同时结构简单且测量成本低。

Description

采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶吸收系数光电测量装置，具体涉及一种采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置。

背景技术

大气气溶胶在吸收地球大气直接和间接辐射强迫及能见度影响中发挥着重要的作用。气溶胶吸收光能量并将电磁能转化成热能，加热吸收性粒子及其周围，从而减少了太阳对地面的辐射能量。吸收性气溶胶的加热会改变局部大气温度，并影响相对湿度、大气环流及稳定性，以及云的运动形成和寿命。常用的大气气溶胶吸收系数的测量方法有：基于过滤的方法(如积分片法、PSAP、MAAP等)、消光减散射(又叫差分方法)、遥感方法、光声法、激光诱导的热辐射法等，然而上述测量方法均存在着结构复杂和测量成本高的问题，因此亟待改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，本装置具有直接测量大气气溶胶吸收系数而不受散射光的影响、精度高、在线等优点，同时结构简单且测量成本低。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，光源所发出的低相干的光通过分光板分成第一光束和第二光束；

所述第一光束由分光板处出射至第一角反射镜处，并经第一角反射镜反射后通过测量室，自测量室穿过的第一光束再次被所述分光板分成第三光束和第四光束，所述第三光束出射至第一光电探测器，第四光束出射至第二光电探测器；

所述第二光束由分光板处出射至第二角反射镜处，并经第二角反射镜反射后通过参考室，自参考室穿过的第二光束再次被所述分光板分成第五光束和第六光束，所述第五光束出射至第一光电探测器，第六光束出射至第二光电探测器；

所述第一光束和/或第二光束的经由路径上设置有用于调整光程的光束调节装置；

所述第三光束和第五光束在第一光电探测器中发生干涉并产生干涉条纹，所述第四光束和第六光束在第二光电探测器中发生干涉并产生干涉条纹；

所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端均与数据处理装置的输入端相连，所述数据处理装置用于计算出大气气溶胶的吸收系数；

所述参考室和测量室中具有相同的大气气溶胶成分；

本装置还包括对测量室中的大气进行加热以引起测量室中的空气折射率变化的加热装置。

本采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置还可以通过以下方式得以进一步实现：

所述光源为超辐射发光二极管SLD或发光二极管。

所述光束调节装置为光束调节板，且所述第一光束通过光束调节板后出射至第一角反射镜处；所述第二光束通过参考室后，再经由光束调节板出射至分光板处，并被所述分光板分成第五光束和第六光束。所述第二光束通过用于调整光程的光束调节板后出射至第二角反射镜处。

所述加热装置包括调制器和半导体激光器，调制器向半导体激光器输出调制信号以激发半导体激光器发出对测量室中的气溶胶进行加热的调制激光。

所述分光板为两侧均呈板状或框架结构，且分光板的两侧板面彼此平行；所述分光板的一侧板面也即第一板面的上侧设置为第一透射板面，下侧为反射板面；分光板的另一侧板面也即第二板面的上侧设置为分束板面，下侧为第二透射板面；光源所发出的低相干的光自第一透射板面进入分光板并入射至分束板面处，所述低相干的光经过分束板面分成两部分，一部分为自分束板面穿过的第一光束，另一部分为自分束板面处反射至反射板面处的第二光束，所述第二光束再经过第二透射板面出射至分光板的外侧；自测量室穿过的第一光束经过第二透射板面再次进入分光板并入射至反射板面处，所述第二光束经反射板面反射至分束板面处并被分成第三光束和第四光束，所述第三光束穿过分束板面并出射至第一光电探测器，第四光束自分束板面反射至第一透射板面并出射至第二光电探测器；自参考室穿过的第二光束出射至分束板面处并被分成第五光束和第六光束，所述第五光束自分束板面反射至第一光电探测器，第六光束依次穿过分束板面和第一透射板面并出射至第二光电探测器。

所述光束调节板调节第一光束和第二光束之间的光程差并使得第一光电探测器和/或第二光电探测器工作在本测量装置的最大灵敏度状态。

所述光束调节板沿光束前进方向上的截面形状呈矩形；光束调节板自光束的入射侧至光束的出射侧由若干层折射率相异的光学材料拼合而成，且各层光学材料所在的层面彼此平行。

所述由半导体激光器发出的调制激光经第一直角棱镜反射后进入测量室，调制激光自测量室穿射后经第二直角棱镜出射至反射镜处，出射至反射镜处的调制激光经反射镜反射回至第二直角棱镜处，并经第二直角棱镜反射再次进入测量室后出射。

所述分束板面上设置有振幅型分束膜或偏振型分束膜；所述振幅型分束膜的入射角为45度，所述偏振型分束膜的入射角为56度。

所述经第一直角棱镜反射后进入测量室的调制激光与穿设于测量室中的第一光束交汇于测量室的中部。

光热干涉法的基本原理是：气溶胶吸收光辐射引起气溶胶粒子及其周围空气被加热，从而引起气溶胶粒子周围空气的折射率变化，通过干涉方法测量气溶胶粒子周围空气的折射率，以确定气溶胶吸收系数。

低相干干涉与激光干涉的不同之处在于：(1)激光干涉采用单色或准单色光源(相干长度很长)，而低相干干涉采用宽带光源(如超辐射发光二极管、发光二极管等，相干长度较短)。(2)二者产生的干涉图也有差别，激光干涉产生的干涉图是光程差的余弦函数，没有零级条纹，只能实现相位变化的相对测量；而低相干干涉存在零级条纹，可实现相位变化的绝对测量；(3)激光干涉测量微小相位变化必须采用单稳频激光器，成本高；而低相干干涉则采用廉价的宽带光源，成本低。

通过上述可知，与激光干涉法相比，低相干干涉方法具有成本低、可实现相位变化的绝对测量等特点，本发明在光热干涉法原理基础上提出采用低相干干涉法实现气溶胶吸收系数的测量，并采用光束位置调节板即光束调节板实现往返光路间距的调整，以达到降低成本目的。

本发明和现有技术相比具有以下有益效果：

1)、本发明采用低相干光源如SLD、LED等相干长度较低的光源作为测量光源，并采用激光照射测量室中的大气气溶胶，测量室中的大气气溶胶由于吸收激发光源而导致其温度升高，进而导致气溶胶周围的空气加热膨胀，最终导致空气折射率变化，通过采用低相干光源的干涉仪测量空气折射率变化而得到大气气溶胶的吸收系数，从而达到降低测量装置成本的目的。

采用低相干光热干涉取代光热激光干涉并不是简单的光源的替换，二者产生的干涉条纹也不同，并导致测量装置的标定以及数据处理方法上都有明显的不同。光热激光干涉法产生的干涉条纹是Acos(2πd/λ)函数，而光热低相干干涉生产的条纹是一个经过调制的cos函数，具有A(λ)cos(2πd/λ)的形式，如对于SLD光源，具有高斯包络的cos函数。

本发明中的分光板、光束位置调节板也即光束调节板、第一角反射镜、第二角反射镜组成本装置的光学部分。本发明中的光源采用低相干长度的超辐射发光二极管SLD(波长635nm或其它波长)，并采用0.5W半导体激光器(波长532nm或其它波长)激发出的激光以加热测量室中的大气气溶胶。为实现本装置的高灵敏度探测，本装置采用调制器对半导体激光器进行调制，采用相位敏感的探测方法从干涉图中获取相位变化，并由光热数学模型计算出吸收系数。

2)、为了实现大气吸收系数的高灵敏探测，本发明采用了光束调节板，而在现有的光热干涉法中，一般采用调整内外两路光束对应的角反射镜的相对位置来实现两路光之间的光程的调节。相比之下，本发明提出的方案降低了对角反射镜调节结构的要求，简化了光机结构。

3)、本发明采用了参考室和测量室以消除空气不均匀和空气流动的影响，实现了动态测量。

附图说明

图1、2均是本发明的结构示意图。

图2是本发明中取样段的结构示意图。

图3是分光板的结构示意图。

图4a～4j均是光束调节板的沿光束前进方向上的截面形状示意图。

图中标记的含义如下：

1-光源   2-分光板   3-第一光电探测器   4-光束调节板

5-1-第一角反射镜   5-2-第二角反射镜   5-3-连接机构

6-第二直角棱镜   7-第一直角棱镜   8-反射镜

9-半导体激光器   10-调制器   11-第二光电探测器

12-参考室   13-测量室21-第一板面   22-第二板面

211-第一透射板面   212-反射板面   221-分束板面

222-第二透射板面   A-第一光束   B-第二光束

n1/n2/n3/n4/n5-光学材料的折射率。

具体实施方式

如图1、2所示，一种采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，光源1所发出的低相干的光通过分光板2分成第一光束A和第二光束B；所述第一光束A通过用于调整光程的光束调节板4后出射至第一角反射镜5-1处，并经第一角反射镜5-1反射后通过测量室13，自测量室13穿过的第一光束A再次被所述分光板2分成第三光束和第四光束，所述第三光束出射至第一光电探测器3，第四光束出射至第二光电探测器11；所述第二光束B出射至第二角反射镜5-2处，并经第二角反射镜5-2反射后通过参考室12，自参考室12穿过的第二光束B再次被所述分光板2分成第五光束和第六光束，所述第五光束出射至第一光电探测器3，第六光束出射至第二光电探测器11；所述第三光束和第五光束在第一光电探测器3中发生干涉并产生干涉条纹，所述第四光束和第六光束在第二光电探测器11中发生干涉并产生干涉条纹；所述第一光电探测器3和第二光电探测器11的输出端均与数据处理装置的输入端相连，所述数据处理装置用于计算出大气气溶胶的吸收系数；所述参考室12和测量室13中具有相同的大气气溶胶成分；本装置还包括对测量室13中的大气进行加热以引起测量室13中的空气折射率变化的加热装置。

图1、2中空心箭头的指向即为光源1所发出的低相干的光的前进方向，实心箭头的指向即为第一光束A的前进方向，燕尾状实心箭头的指向即为第二光束B的前进方向，通向第一光电探测器3的线状箭头的指向即为第三光束和第五光束的前进方向，通向第二光电探测器11的线状箭头的指向即为第四光束和第六光束的前进方向。

所述光源1为超辐射发光二极管SLD或发光二极管，波长为635nm或其它波长。

如图2所示，第二光束B可以直接经由参考室12出射至分光板2处。作为本发明的优选方案，如图1所示，所述第二光束B通过参考室12后，再经由光束调节板4出射至分光板2处，并被所述分光板2分成第五光束和第六光束。

优选的，如图1～3所示，所述分光板2为两侧均呈板状或框架结构，且分光板2的两侧板面彼此平行；所述分光板2的一侧板面也即第一板面21的上侧设置为第一透射板面211，下侧为反射板面212；分光板2的另一侧板面也即第二板面22的上侧设置为分束板面221，下侧为第二透射板面222；光源1所发出的低相干的光自第一透射板面211进入分光板2并入射至分束板面221处，所述低相干的光经过分束板面221分成两部分，一部分为自分束板面221穿过的第一光束A，另一部分为自分束板面221处反射至反射板面212处的第二光束B，所述第二光束B再经过第二透射板面222出射至分光板2的外侧；自测量室13穿过的第一光束A经过第二透射板面222再次进入分光板2并入射至反射板面212处，所述第二光束B经反射板面212反射至分束板面221处并被分成第三光束和第四光束，所述第三光束穿过分束板面221并出射至第一光电探测器3，第四光束自分束板面221反射至第一透射板面211并出射至第二光电探测器11；自参考室12穿过的第二光束B出射至分束板面221处并被分成第五光束和第六光束，所述第五光束自分束板面221反射至第一光电探测器3，第六光束依次穿过分束板面221和第一透射板面211并出射至第二光电探测器11。

进一步的，所述分束板面221上设置有振幅型分束膜或偏振型分束膜；所述振幅型分束膜的入射角为45度，所述偏振型分束膜的入射角一般为56度。

所述分光板2的材料一般是石英玻璃等透射材料，外型可以是矩形也可以是菱形，其中第一透射板面211是经过抛光处理的光学表面或镀增透膜，反射板面212一般是镀铝、银、金的金属膜；第二透射板面222是普通的光学表面或镀增透膜，光束一般直接透射，分束板面221处设置分束膜，用于将光束分成两束。所述分束膜有两种选择，一种是普通的45度入射角的振幅型分束膜，另外一种是偏振型分束膜，偏振型分束膜的入射角与与偏振膜的材料及结构有关，优选为56度入射角。

作为本发明的另一种优选方案，所述光束调节板4调节第一光束A和第二光束B之间的光程差并使得第一光电探测器3和/或第二光电探测器11工作在本测量装置最大灵敏度状态。

进一步的，如图4所示，所述光束调节板4沿光束前进方向上的截面形状呈矩形；光束调节板4自光束的入射侧至光束的出射侧由若干层折射率相异的光学材料拼合而成，且各层光学材料所在的层面彼此平行。

光束调节板4具有多种结构形式，图4a～4j均是光束调节板4的可以选择的截面结构，其中图4a～4h是光束调节板4的基本截面结构，如矩形、菱形、单侧台阶式、凸字形、单侧阶梯式、双侧阶梯式、阶梯周期式等截面结构；而图4h～4j是比较复杂的截面结构，图4h是周期式台阶状，图4i和图4j则是具有不同折射率的玻璃或光学材料拼合而成的组合式光束调节板，且各种不同折射率的玻璃或光学材料所在的层面彼此平行；图4i和图4j中的n1、n2、n3、n4、n5是不同玻璃或光学材料的折射率，且所述n1、n2、n3、n4、n5的值相异，当然n2和n3的值可以彼此相同，n4和n5的值也可以彼此相同。

如果第一光束A和第二光束B均通过光束调节板4，则以图4i为例，可以选择让第一光束A通过光束调节板4的上层板面，即通过折射率分别为n1、n2、n1、n4的这四层光学材料组成的上层板面；而让第二光束B通过光束调节板4的下层板面，即通过折射率分别为n1、n3、n1、n5的这四层光学材料组成的下层板面。当然也可以让第一光束A和第二光束B均通过光束调节板4的上层板面或者下层板面。

如图1、2所示，所述加热装置包括调制器10和半导体激光器9，调制器10向半导体激光器9输出调制信号以激发半导体激光器9发出对测量室13中的气溶胶进行加热的调制激光。

进一步的，所述由半导体激光器9发出的调制激光经第一直角棱镜7反射后进入测量室13，调制激光自测量室13穿射后经第二直角棱镜6出射至反射镜8处，出射至反射镜8处的调制激光经反射镜8反射回至第二直角棱镜6处，并经第二直角棱镜6反射再次进入测量室13后出射。

所述半导体激光器9以方波形式的光出射，调制频率是由大气气溶胶的热平衡时间决定的，通常在100Hz以下，一般优选为20Hz左右。半导体激光器9所发出的激光的波长一般选择532nm、650nm、850nm、1064nm等。

所述经第一直角棱镜7反射后进入测量室13的调制激光与穿设于测量室13中的第一光束A交汇于测量室13的中部，以实现更好地加热效果。

参考室12和测量室13通常为圆柱形结构或者立方体结构，两侧均设有透光窗片，且都带有含有气溶胶粒子的空气进口和空气出口，所述参考室12和测量室13的空气出口分别与真空泵连接，参考室12和测量室13的空气进口均可连接比例阀和流量计、过滤器等空气流量控制器件，以实现动态测量。

参考室12和测量室13具有相同的大气气溶胶成分，不同的是测量室13中有激发半导体激光器9出射的激光通过，测量室13中的大气气溶胶吸收激光的光辐射后温度升高，并加热气溶胶周围的空气，导致测量室13内的气溶胶周围空气折射率发生变化；而参考室12内没有激发激光通过，参考室12内气溶胶周围的空气折射率保持基本不变。这种激发激光通过测量室13而不通过参考室12的差异，导致参考室12和测量室13中的空气折射率产生差异，本测量装置可测量出参考室12和测量室13中的空气折射率差值，进而通过数据处理装置计算出大气气溶胶的吸收系数。

Claims (10)

1.一种采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：光源（1）所发出的低相干的光通过分光板（2）分成第一光束（A）和第二光束（B）；

所述第一光束（A）由分光板（2）处出射至第一角反射镜（5-1）处，并经第一角反射镜（5-1）反射后通过测量室（13），自测量室（13）穿过的第一光束（A）再次被所述分光板（2）分成第三光束和第四光束，所述第三光束出射至第一光电探测器（3），第四光束出射至第二光电探测器（11）；

所述第二光束（B）由分光板（2）处出射至第二角反射镜（5-2）处，并经第二角反射镜（5-2）反射后通过参考室（12），自参考室（12）穿过的第二光束（B）再次被所述分光板（2）分成第五光束和第六光束，所述第五光束出射至第一光电探测器（3），第六光束出射至第二光电探测器（11）；

所述第一光束（A）和/或第二光束（B）的经由路径上设置有用于调整光程的光束调节装置；

所述第三光束和第五光束在第一光电探测器（3）中发生干涉并产生干涉条纹，所述第四光束和第六光束在第二光电探测器（11）中发生干涉并产生干涉条纹；

所述第一光电探测器（3）和第二光电探测器（11）的输出端均与数据处理装置的输入端相连，所述数据处理装置用于计算出大气气溶胶的吸收系数；

所述参考室（12）和测量室（13）中具有相同的大气气溶胶成分；

本装置还包括对测量室（13）中的大气进行加热以引起测量室（13）中的空气折射率变化的加热装置。

2.根据权利要求1所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述光源（1）为超辐射发光二极管SLD或发光二极管。

3.根据权利要求2所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述光束调节装置为光束调节板（4），且所述第一光束（A）通过光束调节板（4）后出射至第一角反射镜（5-1）处；所述第二光束（B）通过参考室（12）后，再经由光束调节板（4）出射至分光板（2）处，并被所述分光板（2）分成第五光束和第六光束。

4.根据权利要求2所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述加热装置包括调制器（10）和半导体激光器（9），调制器（10）向半导体激光器（9）输出调制信号以激发半导体激光器（9）发出对测量室（13）中的气溶胶进行加热的调制激光。

5.根据权利要求1～4任一项所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述分光板（2）为两侧均呈板状或框架结构，且分光板（2）的两侧板面彼此平行；所述分光板（2）的一侧板面也即第一板面（21）的上侧设置为第一透射板面（211），下侧为反射板面（212）；分光板（2）的另一侧板面也即第二板面（22）的上侧设置为分束板面（221），下侧为第二透射板面（222）；

光源（1）所发出的低相干的光自第一透射板面（211）进入分光板（2）并入射至分束板面（221）处，所述低相干的光经过分束板面（221）分成两部分，一部分为自分束板面（221）穿过的第一光束（A），另一部分为自分束板面（221）处反射至反射板面（212）处的第二光束（B），所述第二光束（B）再经过第二透射板面（222）出射至分光板（2）的外侧；

自测量室（13）穿过的第一光束（A）经过第二透射板面（222）再次进入分光板（2）并入射至反射板面（212）处，所述第二光束（B）经反射板面（212）反射至分束板面（221）处并被分成第三光束和第四光束，所述第三光束穿过分束板面（221）并出射至第一光电探测器（3），第四光束自分束板面（221）反射至第一透射板面（211）并出射至第二光电探测器（11）；

自参考室（12）穿过的第二光束（B）出射至分束板面（221）处并被分成第五光束和第六光束，所述第五光束自分束板面（221）反射至第一光电探测器（3），第六光束依次穿过分束板面（221）和第一透射板面（211）并出射至第二光电探测器（11）。

6.根据权利要求3所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述光束调节板（4）调节第一光束（A）和第二光束（B）之间的光程差并使得第一光电探测器（3）和/或第二光电探测器（11）工作在本测量装置的最大灵敏度状态。

7.根据权利要求3所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述光束调节板（4）沿光束前进方向上的截面形状呈矩形；光束调节板（4）自光束的入射侧至光束的出射侧由若干层折射率相异的光学材料拼合而成，且各层光学材料所在的层面彼此平行。

8.根据权利要求4所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述由半导体激光器（9）发出的调制激光经第一直角棱镜（7）反射后进入测量室（13），调制激光自测量室（13）穿射后经第二直角棱镜（6）出射至反射镜（8）处，出射至反射镜（8）处的调制激光经反射镜（8）反射回至第二直角棱镜（6）处，并经第二直角棱镜（6）反射再次进入测量室（13）后出射。

9.根据权利要求5所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述分束板面（221）上设置有振幅型分束膜或偏振型分束膜；所述振幅型分束膜的入射角为45度，所述偏振型分束膜的入射角为56度。

10.根据权利要求8所述的采用光热干涉测量大气气溶胶吸收系数的装置，其特征在于：所述经第一直角棱镜（7）反射后进入测量室（13）的调制激光与穿设于测量室（13）中的第一光束（A）交汇于测量室（13）的中部。

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