CN105628653A - 气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法，其包括定标实验设备模块和控制处理终端模块，其中定标实验设备模块主要包括进样单元、积分浊度计、气泵、流速计、出气通道等，其功能是实现浊度计和穆勒矩阵测量仪对同一大气样本光散射过程的同时观测，获取对应的观测数据，控制处理终端模块包括数据采集与控制单元及数据处理及显示单元，其功能包括数据采集及预处理、数据的完整性补充与加密、标定系数的计算及测量结果的显示。本发明使得传统的穆勒矩阵测量仪器可输出散射系数值，标定装置结构简单，方案实用易行。

Description

气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法
技术领域
本发明属于气象观测领域，涉及一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法。
背景技术
气溶胶的散射系数和穆勒矩阵是描述气溶胶散射特性的重要参数，其中散射系数表征了气溶胶的整体散射能力，而穆勒矩阵不仅表征了散射能量的空间分布，同时也是定量描述入射光偏振状态和不同方向散射光Stokes矢量转换关系的物理量。
随着对穆勒矩阵准确获取问题的日益关注，逐步发展了气溶胶穆勒矩阵测量技术。目前发展的技术包括两类：一类是在入射光源和散射光接收端设置偏振片和1/4和1/2波片，通过这些光学元器件的机械旋转，改变光的偏振状态，进而将不同的穆勒散射矩阵元素调制到散射光强信号上进行测量；另一类采用的是光电相位调制技术，入射光经过起偏器后，采用光电相位调制器对其进行高频相位调制，从而将穆勒矩阵元素加载至不同频率的谐波信号上，然后在散射光测量端通过偏振片和1/4波片的机械旋转组合，结合锁相放大技术实现穆勒矩阵元素的测量，由此部分克服了光学元器件的机械旋转问题。在这两种仪器设计中，通常还在特定散射角上(如30°)增加了一个监视器，其用途是通过对散射光强度的测量来监视气流稳定性。
这两类穆勒矩阵测量仪器实现了气溶胶散射光强度和偏振信息的高角度分辨率测量，因此从原理上讲，通过这些测量数据，不仅可以计算得到穆勒矩阵，同时对散射光强进行空间球面积分还极有可能获得气溶胶散射系数(许多实验证明，散射光空间积分值和散射系数存在强相关性)，但目前穆勒矩阵测量仪器并没有实现该测量功能，其原因主要包括两个方面：一方面，散射光空间积分值需要通过对应的散射体体积订正后才能获得散射系数，但测量得到的穆勒矩阵需要进行归一化处理，所以无需特别关注散射体体积，因此这些仪器本身并不输出有效散射体积值；另一方面，由于受入射激光源、探测器和吸收光阱体积的限制，导致散射角0°及180°附近存在部分测量盲区，测量数据存在不完整性，同时受测量角度个数的限制，数据是在一定角度范围内离散分布的，这导致散射光强直接空间积分可能存在一定误差。基于以上问题的思考，设想能否通过实验定标的方式解决有效散射体体积不确定性的问题，能否基于实测穆勒矩阵数据及矩阵元素随散射角的变化规律，实现对缺测散射角处数据的补充及可测散射角区间的数据加密，进而结合定标实验，获取散射光空间积分值的校正系数，进而实现气溶胶散射系数的测量。
发明内容
本发明的目的是提出一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法，通过该散射系数标定装置的标定过程与后续的测量数据处理，使得气溶胶穆勒矩阵测量仪可实现散射系数的实时输出，进一步拓展其测量功能。
为实现上述目的，本发明的第一技术方案如下：一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其包括定标实验设备模块和控制处理终端模块，其中定标实验设备模块包括进样单元、与进样单元输出相连的积分浊度计、位于积分浊度计下游的气泵、与气泵输出相连的流速计、以及与流速计输出相连的出气通道，控制处理终端模块包括数据采集与控制单元、及数据处理及显示单元。
在第一技术方案的基础上进一步包括如下附属技术方案：
所述积分浊度计与气泵之间设置有与气溶胶穆勒矩阵测量仪相连的接入口。
所述进样单元至少包括进气管道、设置在进气管道入口的滤网、及控制进气管道进气速度的气阀，其中气阀、流速计、数据采集与控制单元构成实现气流流速控制的负反馈控制系统。
所述气溶胶穆勒矩阵测量仪的光源波长与积分浊度计一致。
所述积分浊度计为积分球式的浊度计。
所述定标实验设备模块主要功能是实现积分浊度计和气溶胶穆勒矩阵测量仪对同一大气样本的光散射过程的同时观测，获取对应的观测数据，其中积分浊度计输出散射系数，气溶胶穆勒矩阵测量仪输出穆勒矩阵和监视器测量的散射光强。
所述的数据采集与控制单元的功能是在定标实验过程中，控制气体流速，同步对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集。所述数据处理及显示单元的功能是测量数据的预处理(数据平均，异常值剔除等)、数据的完整性补充和加密、显示积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪随时间动态变化的测量数据和输出仪器定标系数。
为实现上述目的，本发明的第二技术方案如下：一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定方法，其执行步骤如下：
(S1)开启积分浊度计、气溶胶穆勒矩阵测量仪，并进行预热，确保仪器工作正常；
(S2)开启气阀及气泵，结合流速计数据，采用PID技术调节气阀，使流速计示值保持在一个稳定值；
(S3)同步对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集，并将数据传输至数据处理及显示单元进行存储；
(S4)设定一定的时间区间，对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪所获得的测量数据进行平均处理；
(S5)针对气溶胶穆勒矩阵测量仪测量数据存在不完整性的缺陷，对得到的测量数据进行完整性补充和加密，通过散射光强的空间积分获取散射能量积分值D0；
(S6)将积分浊度计测量值与散射能量积分值D0进行比较，获取对应定标系数。
在第二技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
步骤S5中依据实际穆勒矩阵元素随散射角的变化特征，提出了采用基于修正H-G公式的拟合外推方法实现散射角0°附近测量盲区的数据外推，采用多项式拟合方法实现180°附近测量盲区的数据外推，基于三次样条插值方法实现可测散射角区间的数据加密。
步骤S5中采用辛普森积分或梯形积分公式对散射光的空间积分获取散射能量积分值。
步骤S6中在散射系数对比定标过程中，采用积分浊度计与气溶胶穆勒矩阵测量仪对同一大气样本进行同步观测实验，通过散射光空间积分值与散射系数的对比获取定标系数。
值得注意的是，气溶胶散射函数或散射相函数测量装置也可采用本装置定标，实现散射系数的测量与输出，实施原理相似。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)通过本发明所提出的标定装置的定标实验，可使得传统的气溶胶穆勒矩阵测量仪可输出散射系数值；
(2)标定装置结构简单，方案易行。
附图说明
图1是本发明的结构组成框图；
图2是本发明的整个控制流程图；
图3是本发明的数据完整性补充与加密流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明具体实施步骤做进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置的第一实施例，其包括定标实验设备模块及控制处理终端模块，其中定标实验设备模块包括进样单元、与进样单元输出相连的积分浊度计、位于积分浊度计下游的气泵、与气泵输出相连的流速计、以及与流速计输出相连的出气通道，其中积分浊度计与气泵之间设置有与穆勒矩阵测量仪相连的接入口；定标实验设备模块的功能是实现积分浊度计和气溶胶穆勒矩阵测量仪对同一大气样本光散射过程的同时观测，获取对应的观测数据，其中积分浊度计输出散射系数，穆勒矩阵测量仪输出穆勒矩阵和监视器测量的散射光强；进样单元至少包括进气管道、设置在进气管道入口的滤网、及控制进气流速的气阀等部件，其中滤网是为了防止沙粒等大颗粒物的进入，造成实验设备的污染与堵塞。气泵、流速计置于出气管道端，目的是防止气体样本经过气泵和流速计后，气溶胶的物理化学特性发生改变。
控制处理终端模块包括数据采集与控制单元、及数据处理及显示单元。其中数据采集与控制单元的功能是在定标实验过程中，控制气体流速，同步对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集；其中流速计、气阀及数据采集与控制单元构成控制气流流速的负反馈系统，采用PID技术进行控制。数据处理及显示单元的功能是测量数据的预处理(例如：数据平均及异常值剔除)、数据的完整性补充和加密、显示积分浊度计与穆勒矩阵测量仪随时间动态变化的测量数据、及输出仪器定标系数，具体数据处理步骤如后文所示。
结合第一实施例的结构，如图2所示，本发明提供一种气溶胶穆勒矩阵测量仪器的散射系数标定方法，具体步骤如下：
(1)开启积分浊度计、气溶胶穆勒矩阵测量仪，并进行预热，确保各仪器工作正常；
(2)开启气阀及气泵，结合流速计数据，通过PID技术调节气阀，使得进样气流保持某一稳定的流速，气流稳定性通过流速计的测量值进行判定，气流流速的波动性应小于10％；
(3)同步对积分浊度计的散射系数测量值、气溶胶穆勒矩阵测量仪测量的穆勒矩阵数据及监视器输出的散射光强信号进行采集，并将数据传输至数据处理及显示单元进行存储；
(4)由于两仪器的数据输出频率的不同，测量结果还受气流稳定性的影响，因此选取一时间区间，对两仪器测量数据进行平均处理，其中对于积分浊度计，将该时间区间内的散射系数输出值做算术平均，对于气溶胶穆勒矩阵测量仪，将测量的穆勒矩阵测量值和监视器输出的散射光强分别作算术平均；
(5)针对气溶胶穆勒矩阵测量仪测量数据存在不完整性的缺陷，对得到的测量数据进行完整性补充和加密，通过散射光强的空间积分获取散射能量积分值D0；
(6)对比积分浊度计测量值与散射能量积分值D0，获取对应定标系数。
其中第(5)和(6)步骤的具体实施过程如下：
在对所得测量数据进行时间平均后，对其进行进一步处理，具体过程可分为两步：
步骤一：穆勒散射矩阵元素F11(θ)的完整性补充与数据加密步骤。(F11(θ)表示散射角θ处穆勒矩阵F(θ)的第一行第一列的元素)
穆勒散射矩阵测量仪输出的F11(θ)表示是散射能量的空间分布函数，而通过监视器可以获得一个固定散射角处的散射光强(监视器通常固定在某一特定散射角θs，如θs＝30°，监视该角度散射光强I(θs))，因此只要采用监视器的散射光强值对各角度的F11值进行比对标定，便可获得每个角度的散射光强度I(θ)(如公式1)，所以数据处理的关键是获取完整而准确的F11(θ)数据。
在技术背景中已经介绍，F11(θ)数据在散射角0°和180°附近是缺测的，因此需要对数据进行完整性补充及加密处理，具体方案如图3所示。基于可测散射角区间的数据(可测散射角区间需要视不同的仪器而定，一般在0°～10°和170°～180°之间)，按照如下方案对数据进行外推和完善：
(1)在小散射角区间，F11(θ)动态变化范围大，传统的插值拟合方法无法取得较好的效果，本发明提出了基于修正型H-G公式的拟合外推法，其中修正H-G公式的形式如公式2所示。H-G公式是辐射传输模式中常用的散射相函数近似公式，理论与实验结果均证明，在前向散射角度区间内，H-G公式能够一定程度上拟合前向散射峰。与H-G公式相比，公式2增加一修正参数K0，其原因是由于F11(θ)的测量值是未归一化。选取前向散射角小于40°的F11(θ)测量数据，采用修正H-G公式对其进行非线性拟合，确定修正参数K0和g，然后基于这个拟合好的修正H-G公式关系式，实现0°附近F11(θ)数据的外推。
修正H-G公式的拟合可采用以下方案：首先将拟合问题转化为极小值最优化问题，该过程的首要问题是确定相应优化目标函数f(K0,g)，本实施例给出两个目标函数，如公式3和公式4所示，式中为第i散射角θi处的F11的实测数据(i＝1,2,…M)，M为被选取用于拟合的数据点总数，上标m表示测量的意思，即measurement的首字母。公式3适用于前向散射较弱情形下的F11拟合，公式4适用于具有较强前向散射峰的情形。在实际标定过程中，由于气溶胶散射特性并不确定，可分别对两式进行拟合，然后依据拟合误差的大小选取较优的目标函数方案。
接下来，通过常规最优化求解方法，如牛顿法、拟牛顿法、共轭梯度法及遗传算法等，对目标函数的输入参数K0和g进行优化，使目标函数值趋于0，便可得到理想的拟合系数。
(2)在180°散射角附近采用多项式拟合法进行数据外推。选取散射角大于150°的F11(θ)测量数据，采用最小二乘法对其进行多项式拟合，如公式5所示。其中n表示多项式拟合的阶数；aj(j＝0,1…n)表示多项式拟合的系数，该系数是通过最小二乘法进行确定。拟合好的多项式函数是F11关于散射角θ的函数，因此基于该拟合公式可实现矩阵元素数据在180°附近散射角区间F11值的外推。
(3)在可测量散射角范围内，通过三次样条插值等插值方法对测量数据结果进行加密操作，提高数据的角度分辨率，为下一步空间数值积分过程打下基础，由于此处为一般性数学知识，已经有了成熟的软件包，不做详细介绍。
步骤二：散射能量空间积分与定标系数获取步骤。首先根据F11(θ)完整性补充与数据加密后的结果及监视器的值I(θs)，通过式(1)获得各散射角θ的散射光强I(θ)，进而对其进行空间球面积分，获取散射能量积分值D0。由于步骤一所得到的数据集是离散的，D0必须采用数值积分的方法获得，如公式6所示，在该式中，数值积分方法采用复合梯形积分公式，式6中dΩ表示立体角的微分，表示方位角的微分，N表示经过数据外推及加密后F11(θ)数据的总个数，Δθi为第i个与第i+1个数据点间散射角度间隔(单位：弧度)。当然数值积分方法不仅局限于此，其他方法如复合辛普森积分公式及龙贝格求积公式均可用于本方法。
然后求取积分浊度计输出的散射系数Ksc与散射能量积分值D0的比值，将其作为修正参数kcalibration(如公式7)。采用该参数kcalibration实时对穆勒散射矩阵仪输出的D0进行订正，便可实现散射系数的实时输出。
kcalibration＝Ksc/D0公式7
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：气溶胶散射函数或散射相函数测量装置也可采用本装置定标，实现散射系数的测量与输出。装置中的积分浊度计采用积分球式的浊度计。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于其包括定标实验设备模块和控制处理终端模块，其中定标实验设备模块包括进样单元、与进样单元输出相连的积分浊度计、位于积分浊度计下游的气泵、与气泵输出相连的流速计、以及与流速计输出相连的出气通道，控制处理终端模块包括数据采集与控制单元、及数据处理及显示单元。
2.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于：所述积分浊度计与气泵之间设置有与气溶胶穆勒矩阵测量仪相连的接入口。
3.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于：所述进样单元至少包括进气管道、设置在进气管道入口的滤网、及控制进气管道进气速度的气阀，其中气阀、流速计、数据采集与控制单元构成实现气流流速控制的负反馈控制系统。
4.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于：所述气溶胶穆勒矩阵测量仪的光源波长与积分浊度计一致。
5.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于：所述积分浊度计为积分球式的浊度计。
6.一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定方法，其特征在于其执行步骤如下：
(S1)开启积分浊度计、气溶胶穆勒矩阵测量仪，并进行预热，确保仪器工作正常；
(S2)开启气阀及气泵，结合流速计数据，采用PID技术调节气阀，使流速计示值保持在一个稳定值；
(S3)同步对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集，并将数据传输至数据处理及显示单元进行存储；
(S4)设定一定的时间区间，对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪所获得的测量数据进行平均处理；
(S5)针对气溶胶穆勒矩阵测量仪测量数据存在不完整性的缺陷，对获得的测量数据进行完整性补充和加密，通过对散射光强的空间积分获取散射能量积分值D0；
(S6)将积分浊度计测量值与散射能量积分值D0进行对比，获取对应定标系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S5中依据实际穆勒矩阵元素随散射角的变化特征，提出采用基于修正H-G公式的拟合外推方法实现散射角0°附近测量盲区的数据外推，采用多项式拟合方法实现180°附近测量盲区的数据外推，基于三次样条插值方法实现可测散射角区间的数据加密。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S5中采用的散射光空间积分方法为辛普森积分或梯形积分公式。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S6中在散射系数对比定标过程中，采用积分浊度计与气溶胶穆勒矩阵测量仪对同一大气样本进行同步观测实验，通过散射光空间积分值与散射系数的对比获取定标系数。
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