CN105806808A - 自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法，该装置主要由气体预处理单元、光源单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元与数据处理单元组成。本发明除测量散射角由机械伺服控制外，其余元件参数全部实现电调，测量速度显著提升，光学元器件全部固化，测量过程不涉及元器件的增加或减少，测量程序大大简化，可为辐射传输模拟提供准确的自然大气气溶胶散射参数，也为大气海洋遥感、气候学研究提供准确的基础实验数据。

Description

自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于气象观测领域，涉及一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法。

背景技术

气溶胶的光散射特性是影响辐射传输过程的重要因素。一方面，气溶胶散射特性的变化可改变地球大气系统的行星反照率，是影响地气系统能量收支平衡的重要因子，另一方面，气溶胶散射特性的准确描述，是实现辐射传输准确模拟的关键，是实施大气海洋遥感的重要物理基础。穆勒散射矩阵是描述气溶胶散射特性的重要参数，不仅表征了散射能量的空间分布特征，同时也建立起了入射光Stokes矢量与不同角度散射光Stokes矢量的转换关系，是矢量辐射传输模式的核心参数之一。

长期以来穆勒散射矩阵是通过Mie散射理论模拟的，但由于实际气溶胶形状复杂多样，Mie理论在侧后向散射角的模拟误差极为显著；为解决非球形气溶胶粒子散射特性模拟，目前也发展许多非球形散射理论，如T矩阵法，DDA及FDTD等，但实际实验结果发现，这些模型的模拟结果也存在一定程度的不确定性，同时由于真实大气气溶胶粒子的复折射率、尺度谱、粒子形状及取向等微物理参数是未知的，导致这些散射理论的实际应用受限。

针对以上问题，逐步发展了气溶胶穆勒散射矩阵测量技术，基本测量原理是利用步进电机带动光学探测器，如光电倍增管(PMT)等，在散射主平面上，以有效散射区域为圆心旋转180°或360°对不同散射角上散射光强及其偏振特性进行测量，进而反算穆勒散射矩阵。目前发展的技术体制包括两类：一类是在入射光源和散射光接收端设置偏振片和1/4或1/2波片等元件，通过这些光学元器件的机械旋转，改变光的偏振状态，进而将不同的穆勒矩阵元素调制到散射光强度信号上进行测量，这种体制下，一个散射角的穆勒散射矩阵测量涉及了光学元器件多次组合机械旋转，因此整个过程耗时相对较长，无法监视气溶胶散射特性的快速变化，由于机械控制较多，测量精度也相对较低；另一类体制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，将不同穆勒矩阵元素调制到不同频率谐波信号上，在散射光测量端通过偏振片和1/4波片的光轴与散射平面夹角的组合实现不同矩阵元素的筛选，然后通过锁相放大技术实现穆勒矩阵的元素的测量，这种体制部分克服了光学元器件的机械旋转，但为实现穆勒散射矩阵16个元素的测量，需要对部分光学器件手动添加或移除，自动化程度不足，也存在测量周期过长的缺点，同时该体制测量装置主要用于实验样本气溶胶的观测，尚未实现对自然气溶胶穆勒散射矩阵的测量。总体而言，穆勒散射矩阵测量仪器尚处于试验样机阶段，存在自动化程度不足，测量耗时长的缺点，同时测量对象主要针对实验室粒子，针对自然大气气溶胶的观测实验仪器极少，不能满足高精度辐射传输模拟及气候学研究的需求，因此，若能构建并研发全自动的穆勒散射矩阵测量装置，实现自然大气条件下的气溶胶穆勒散射矩阵快速、准确测量，无论是对于大气环境监测、大气辐射传输模拟及其它领域的研究都有应用价值。

发明内容

本发明的目的是解决自然大气气溶胶穆勒散射矩阵全要素的快速、准确、自动化测量，为辐射传输模拟提供更为精准的散射参数，为大气海洋遥感、气候学研究提供准确的基础实验数据，由此提出了一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法。

为达成上述目的，本发明的技术方案是：一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其包括用于产生不同偏振状态的入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。

所述光源单元包括激光器和入射光偏振调制系统；所述光散射单元包括密封罩、旋转伺服系统、光阱及监视器；所述散射光采集与测量单元包括偏振解调系统、和光子计数器；所述数据采集与控制单元包括CPLD数据采集电路、单片机控制电路、以及光偏振调制及解调系统控制电路；所述数据处理单元为对数据进行后续处理，其中数据处理内容至少包括测量数据的存储、不同散射角穆勒矩阵的反算、矩阵的归一化处理。

所述光源单元包括激光器、第一偏振片以及第一、二液晶相位延迟器，其中第一偏振片光轴与水平面夹角为0°，作为入射光的起偏器，第一液晶相位延迟器(LCVR1)的光轴与水平面呈45°夹角，第二液晶相位延迟器(LCVR2)的光轴与水平面呈0°，其中第一偏振片和第一、二液晶相位延迟器构成了入射光的偏振调制系统，激光器出射的激光依次经过第一偏振片、第一液晶相位延迟器和第二液晶相位延迟器射出，通过第一、二液晶相位延迟器的相位延迟量δ₁和δ₂的组合设置，改变入射光Stokes矢量；光源单元应至少产生四种Stokes矢量互不相关的入射光，且四种光Stokes矢量组成的矩阵条件数小。入射激光功率可根据不同的测量散射角处的散射光强度进行动态调整。

所述散射光采集与测量单元包括第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片以及光子计数器，其中第三、第四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中第三液晶相位延迟器(LCVR3)光轴与水平面呈0°夹角，第四液晶相位延迟器(LCVR4)的光轴与水平面呈45°夹角，第二偏振片的光轴与水平面呈0°夹角；在第三液晶相位延迟器LCVR3前端添加一个准直小口或光阑，以用于限制散射光采集与测量单元的接收立体角并抑制杂散光对测量过程的干扰。其中散射光依次通过准直小口、LCVR3、LCVR4和第二偏振片(检偏器)进入光子计数器进行测量；通过偏振调制系统将散射光Stokes矢量的Q，U和V分量调制到I分量上，然后通过设置LCVR3和LCVR4的相位延迟量，对I分量进行四次组合测量，构造线性方程组，实现对散射光Stokes矢量的求解。

所述光散射单元包括监视器、旋转伺服系统、光阱及密封罩，其中监视器对气流稳定性进行监视，并用于对散射光测量信号做归一化处理，该监视器放置于散射角30°～40°之间，其前端放置有准直小口或光阑，密封罩主要实现实验测量区域和外界的隔离，防止外界杂散光与大气的干扰，密封罩内部涂黑色涂料来抑制散射光的反射。

所述气体预处理单元包括喷嘴、接收管道、气流计及气泵，其中喷嘴的直径小于接收管道口径，且喷嘴与接收管道有一定距离，但不能太大，气体抽样采用出口端气泵抽气的方式进行，以防止气溶胶粒子污染散射区域外的其它区域。

所述数据采集与控制系统包括CPLD数据采集电路，单片机控制电路及光偏振调制及解调系统控制电路等部分，主要实现光源功率的调节，液晶相位延迟器的延迟量的调整、旋转伺服系统的控制、光散射数据采集及与上位机的通信等功能。

所述数据处理单元主要实现与下位机的通信和测量数据的处理，其中数据处理内容包括测量数据的存储、不同散射角穆勒矩阵的反算、矩阵的归一化处理。

由此本发明的基本工作原理是在不同散射角处，产生四组Stokes矢量互不相关的入射光，并精确测量对应的四组散射光Stokes矢量，进而实现不同散射角处穆勒散射矩阵的反算。

与现有技术相比，本发明所提出的基于多相位延迟组合测量方式的自然大气气溶胶穆勒散射矩阵的全要素自动测量装置与方案具有以下几个方面的优势：

(1)实现了穆勒散射矩阵的自动化观测，除旋转伺服机构外需通过步进电机调整外，其余测量部件全部实现电调，测量速度显著提升(液晶相位调制器的相位调整时间仅为2ms～5ms)；

(2)光学元器件全部固化，测量过程不涉及元器件的增加或减少；

(3)采用光子计数测量技术和入射激光功率动态调整技术，既可实现微弱散射光的测量，又可扩展散射光强度测量动态范围，可适用于自然气溶胶穆勒散射矩阵的测量。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的结构框图。

图3是本发明中光源单元的结构框图。

图4是本发明中散射光采集与测量单元的结构框图。

图5是本发明中监视器的光路结构图。

图6是本发明中气体预处理单元的结构图。

图7是本发明中数据采集与控制单元的执行流程图。

具体实施方式

实施例：如图1-7所示，本发明提供一种基于多相位延迟组合测量方式的自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法，其包括用于产生不同偏振状态的入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细介绍。

光源单元主要功能是产生不同偏振状态的入射光，在本实验装置中需要至少产生四组Stokes矢量互不相关的入射光，其基本结构如附图3所示，该单元由激光器、第一偏振片及第一、二液晶相位延迟器(LCVR1和LCVR2)构成，其中第一偏振片光轴与参考水平面夹角为0°，作为入射光的起偏器，LCVR1和LCVR2的光轴与水平面的夹角分别为45°和0°，其中第一偏振片(起偏器)、第一、二液晶相位延迟器LCVR1和LCVR2构成了入射光的偏振调制系统，通过第一、二液晶相位延迟器的相位延迟量δ₁和δ₂的组合设置(δ₁是LCVR1的相位延迟量，δ₂是LCVR2的相位延迟量)，可实现入射光Stokes矢量的控制。基于Stokes矢量运算法则及各器件的穆勒矩阵运算功能，入射激光依次经过偏振片(起偏器)、LCVR1和LCVR2后，出射激光的Stokes矢量S_LCVR2可表示为：

S_LCVR2＝M_LCVR2·M_LCVR1·M_P·S_unpolarized(1)

其中M_P,M_LCVR1,M_LCVR2分别为第一偏振片与LCVR1，LCVR2的穆勒矩阵，S_unpolarized＝(I₀,0,0,0)为激光原始发射的非偏振激光的Stokes矢量，I₀为入射光强度。将各矩阵具体形式依次代入式(1)，因此，从LCVR2射出激光的Stokes矢量S_LCVR2可进一步表示为：

$S_{LCVR2}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{cos\δ}}_2& {\mathrm{sin\δ}}_2\\ 0& 0& -{\mathrm{sin\δ}}_2& {\mathrm{cos\δ}}_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\δ}}_1& 0& -{\mathrm{sin\δ}}_1\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& {\mathrm{sin\δ}}_1& 0& {\mathrm{cos\δ}}_1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1/2& 1/2& 0& 0\\ 1/2& 1/2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)S_{unpolarized}---\left(2\right)$

整理上式可得到

$S_{LCVR2}=\frac{I_0}{2}\left(\begin{array}{c}1\\ cos{\mathrm{\δ}}_1\\ {\mathrm{sin\δ}}_1{\mathrm{sin\δ}}_2\\ {\mathrm{sin\δ}}_1{\mathrm{cos\δ}}_2\end{array}\right)---\left(3\right)$

由上式可知，通过相位延迟量δ₁、δ₂的组合设置，可实现不同Stokes矢量入射光的产生，即可满足本实验装置的要求。在此处给出一组δ1和δ2的组合，可保证产生4种Stokes矢量不相关的入射光，具体参数设置如表1所示；该表反映入射光单元的δ1和δ2的组合及相应输出激光Stokes矢量的关系。

表1

除此之外，为实现大动态散射光的测量，采用了激光器功率动态调整方案。当测量前向散射光时，由于散射光能量较强，为防止光子计数器的饱和现象，可控制激光器将入射光功率适当调小；对于能量较弱的侧后向散射光，则适当增加入射光功率以提高散射能量值。

散射光采集与测量单元主要实现散射光Stokes矢量的测量。其基本思想是通过偏振调制系统将散射光Stokes矢量的Q，U和V分量调制到I分量上，然后通过I分量的多次组合测量，构造线性方程组，实现对散射光Stokes矢量各分量的求解。如附图4所示，该单元由第三、四液晶相位延迟器(LCVR3和LCVR4)、第二偏振片(检偏器)及光子计数器组成，第三、四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中LCVR3和LCVR4的光轴与参考水平面的夹角分别为0°和45°，对应的相位延迟量δ3和δ4，第二偏振器与水平面呈0°角(检偏振功能)，光子计数器用于实现对微弱散射光的测量。为限制散射光测量单元的接收角度并抑制杂散光的干扰，在前端添加一个准直小口或光阑，保证较高的测量角度分辨率。

同时一个散射角处散射光Stokes矢量的测量原理如下：

散射光依次经过LCVR3、LCVR4和第二偏振片后，到达光子计数器。同样，基于Stokes矢量运算法则及各器件的穆勒矩阵，到达光子计数器的散射光Stokes矢量S_measurement可用式(4)表示，其中M_P1，M_LCVR3，M_LCVR4分别为第二偏振片(检偏器)、LCVR3和LCVR4的穆勒矩阵，S_sc＝(I,Q,U,V)是散射光的Stokes矢量。将各矩阵的具体形式代入式(4)可得到式(5)，进一步化简可得到式(6)。

S_measurement＝M_P1·M_LCVR4·M_LCVR3·S_sc(4)

$S_{measurement}=\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\δ}}_4& 0& -{\mathrm{sin\δ}}_4\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& {\mathrm{sin\δ}}_4& 0& {\mathrm{cos\δ}}_4\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{cos\δ}}_3& {\mathrm{sin\δ}}_3\\ 0& 0& -{\mathrm{sin\δ}}_3& {\mathrm{cos\δ}}_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}I\\ Q\\ U\\ V\end{array}\right)---\left(5\right)$

$S_{measurement}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}I+cos{\mathrm{\δ}}_4\·Q+sin{\mathrm{\δ}}_{3}sin{\mathrm{\δ}}_4\·U-cos{\mathrm{\δ}}_{3}sin{\mathrm{\δ}}_4\·V\\ I+cos{\mathrm{\δ}}_4\·Q+sin{\mathrm{\δ}}_3\sin {\mathrm{\δ}}_4\·U-cos{\mathrm{\δ}}_{3}sin{\mathrm{\δ}}_4\·V\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

从上式可知，光子计数器测量得到的光强I_m(I_m表示被光子计数器测量的散射光Stokes矢量S_measurement的第一个元素，m下标表示测量的意思，即measure的首字母)可写为

$\begin{array}{c}{I}_m=\frac{1}{2}(1,{\mathrm{cos\δ}}_4,{\mathrm{sin\δ}}_3{\mathrm{sin\δ}}_4,-{\mathrm{cos\δ}}_3{\mathrm{sin\δ}}_4)\left(\begin{array}{c}I\\ Q\\ U\\ V\end{array}\right)\\ =x^T\·S_{sc}\end{array}---\left(7\right)$

式中向量(^T表示矩阵转置)。式(8)给出了一个可通过设置相位延迟量δ₃和δ₄而改变系数的线性方程，因此可通过对δ₃和δ₄组合设置(共四组)，构造线性方程组，便可实现S_sc四个分量的求解，具体方法如下：设置四组不同的δ₃和δ₄的组合，确定一组向量使之互不相关，由式(8)可知，对于中的第i个向量[i表示测量的次数(i＝1,2,3,4)]均有下式成立：

$I_m^i=x_i^T\·S_{sc}---\left(8\right)$

联立以上四个线性方程，可组成矩阵一个矩阵方程

I_measurement＝X·S_sc(9)

其中为测量向量，称为测量系数矩阵，因此由简单的矩阵知识可知

S_sc＝X^-1·I_measurement(10)

由式(11)可知，通过四次LCVR3和LCVR4的相位延迟量δ₃和δ₄的组合控制，便可实现对散射光Stokes矢量S_sc的测量，但值得注意的是，由于此处涉及矩阵逆运算，因此矩阵X的条件数要小。此处给出散射光采集与测量单元相位延迟器的一组δ₃和δ₄的组合及相应的x^T矢量，如表2所示。

表2

光散射单元包括监视器、旋转伺服系统、光阱及密封罩。监视器主要用于气流稳定性的监视和散射光测量信号的归一化处理，该监视器放置于散射角30°位置处。与散射光采集与测量单元类似，前端放置与之相同的准直小口或光阑，如附图5所示。光阱用于吸收直接透射光，以防止透射光反射形成干扰。旋转伺服系统为一个高精度的旋转平台，旋转角度由步进电机精确控制，其功能是带动散射光采集与测量单元以有效散射体为中心旋转并到达指定的测量散射角。密封罩主要实现实验测量区域和外界的隔离，防止外界空气的进入及外部杂散光的干扰，密封罩内部涂有黑色涂料来抑制散射光的反射。

气体预处理单元包括喷嘴、与喷嘴相对设置的接收管道、对接收管道的气流进行测量的气流计、以及与接收管道相连的气泵，如图6所示，喷嘴的直径为2mm，接收管道口径在2cm，喷嘴末端与接收管道的轴向距离为1cm。本单元采用出口端的气泵抽气的方式，这样好处在于可以在喷嘴和接收管道之间产生副压，防止采样气流向非散射区域扩散，污染工作区域。接收管道内径远大于入气口直径，其原因是气流经过喷嘴后，采样气流的截面会突然增大，增大接收端的截面有利于完全接收采样气流，防止含气溶胶的气流吹入非散射区域。

整个测量过程的实施方式如附图7所示，具体实施操作步骤如下：

(1)实验装置初始化。对激光器、光子计数器、监视器及偏振调制和解调单元等预热，预热时间30min左右；进行旋转伺服系统的启动测试，确定其工作正常后，并带动光散射测量单元至最小测量散射角位置。

(2)伺服旋转控制。控制步进电机带动散射光采集与测量单元高精度旋转，到达指定散射角θ后停止。

(3)控制光源单元的入射光偏振调制系统，通过LCVR1和LCVR2相位延迟量δ₁和δ₂的组合，产生某一特定偏振态(选取至表1中的一种)的入射光，设其Stokes矢量的

(4)控制散射光采集与测量单元的偏振解调系统，实现指定散射角处散射光Stokes矢量的测量，测量值记为值得注意的是，每次偏振解调系统状态改变并开始测量时，需要停留100ms左右，其原因是光子计数器测量过程需要一定积分时间。

(5)在同一散射角θ处，控制入射光偏振调制系统，依次生成表1中另外三种不同Stokes矢量的入射光，然后每种入射光条件下，依次执行步骤(4)。由此可以得到四组不同入射光的Stokes矢量(记为)和对应散射光的Stokes矢量，记为与此同时记录监视器的测量值。重复该过程50次，得到50组不同的测量数据，进行平均作为最终的测量结果。然后将相应测量数据发送至上位机，发送的数据包括：所测量的散射角、入射光的Stokes矢量、监视器光强平均测量值I_scan、散射光Stokes矢量。

(6)重复执行(2)至(5)的步骤，在同样的四组入射光条件下，实现每个散射角处四组散射光Stokes矢量的测量，并将数据进行存储，然后通过串口(如RS232)或网线通信(如TCP/IP)将数据传送至上位机，进行下一步数据处理。

值得注意的是，一次完整测量过程中，步骤(2)至(6)需要进行两次，一次是在纯氮气条件下进行，得到散射背景值，另一次是在含气溶胶大气通入的条件下进行，两组数据相减得到气溶胶的散射光分布特性。

(7)在上位机上，对测得的数据以文本格式或二进制文件形式按照规律进行存储，由于散射光的Stokes矢量是通过穆勒散射矩阵M(θ)对入射光Stokes矢量线性变换得到，因此入射光Stokes矢量S_inc矩阵与散射光Stokes矢量矩阵存在以下关系式：

S_sc＝M(θ)S_inc(10)

因此通过矩阵运算，可很容易求解得到穆勒散射矩阵为保证逆矩阵操作，必须保证四组入射光的Stokes矢量互不相关，且矩阵S_inc的条件数不能太大，防止求解过程的病态。

接下来对矩阵进行归一化，其中矩阵元素M₁₁(θ)(穆勒矩阵M(θ)第一行第一列的元素)采用监视器平均值I_scan进行归一化，其它矩阵元素采用M₁₁(θ)进行归一化。

本发明不仅可用于自然气溶胶穆勒矩阵的测量，还可用于样品气溶胶的测量。

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)

1.一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于其包括用于产生不同偏振状态入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所述光源单元包括激光器和入射光偏振调制系统；所述光散射单元包括密封罩、旋转伺服系统、光阱及监视器；所述散射光采集与测量单元包括偏振解调系统、和光子计数器；所述数据采集与控制单元包括CPLD数据采集电路、单片机控制电路、以及光偏振调制及解调系统控制电路；所述数据处理单元为对数据进行后续处理，其中数据处理内容至少包括测量数据的存储、不同散射角穆勒矩阵的反算、矩阵的归一化处理。

3.根据权利要求2所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所述光源单元包括激光器、第一偏振片、以及第一、二液晶相位延迟器，其中第一偏振片光轴与水平面夹角为0°，作为入射光的起偏器，第一液晶相位延迟器的光轴与水平面呈45°夹角，第二液晶相位延迟器的光轴与水平面呈0°，其中第一偏振片和第一、二液晶相位延迟器构成了入射光的偏振调制系统，激光器出射的激光依次经过第一偏振片、第一液晶相位延迟器和第二液晶相位延迟器射出，通过第一、二液晶相位延迟器的相位延迟量δ₁和δ₂的组合设置，改变入射光Stokes矢量；光源单元应至少产生四种Stokes矢量互不相关的入射光，且四种光Stokes矢量组成矩阵的条件数小。

4.根据权利要求3所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所述散射光采集与测量单元包括第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片以及光子计数器，其中第三、四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中第三液晶相位延迟器光轴与水平面呈0°夹角，第四液晶相位延迟器的光轴与水平面呈45°夹角，第二偏振片的光轴与水平面呈0°角；在第三液晶相位延迟器前端设有准直小口或光阑；散射光依次经过准直小口，第三、四液晶相位延迟器和第二偏振片进入光子计数器进行测量。

5.根据权利要求2所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所述监视器对气流稳定性进行监视，并对散射光测量信号做归一化处理，该监视器放置于散射角30°～40°之间，其前端放置有准直小口或光阑，密封罩内部涂有黑色涂料。

6.根据权利要求1所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所述气体预处理单元包括喷嘴、接收管道、气流计及气泵，其中喷嘴的直径小于接收管道口径，且喷嘴与接收管道之间有一距离，气体抽样采用出口端气泵抽气的方式进行。

7.一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量方法，其特征在于其包括以下步骤：

(1)实验装置初始化步骤：对激光器、光子计数器、监视器及偏振调制和解调单元预热，再进行旋转伺服系统的启动测试，确定工作正常后，带动光散射测量单元至最小测量散射角位置；

(2)伺服旋转控制步骤：旋转伺服系统控制步进电机旋转，到达指定散射角θ后停止；

(3)控制光源单元的偏振调制系统，产生某一特定偏振态的入射光，设其Stokes矢量的

(4)控制散射光采集与测量单元的偏振解调系统，实现指定散射角处散射光Stokes矢量的测量，测量值记为其中每次调节偏振解调系统的液晶相位延迟器的相位延迟量后，需要停留一段时间；

(5)在同一散射角θ条件下，通过入射光偏振调制系统，依次生成另外三种不同偏振态的入射光，其中光束Stokes矢量与步骤3中产生光束的Stokes矢量互不相关，每种入射光条件下依次执行步骤4的操作；由此可以得到四组不同入射光的Stokes矢量(记为)和对应的散射光Stokes矢量，记为同时记录监视器测量值的变化，重复该过程不少于10次，可得到不少于10组不同的测量数据，求取平均值作为最终测量值；然后将相应测量数据发送至上位机，发送的数据包括：所测量的散射角、入射光的Stokes矢量、监视器光强平均测量值I_scan、散射光Stokes矢量；

(6)重复执行步骤2-5的过程，在同样的四组入射光条件下，实现其它散射角度处四组散射光Stokes矢量的测量，并将数据进行存储，然后传送至上位机进行进一步数据处理；其中这一过程需要进行两次，一次在纯氮气条件下进行测量，得到散射背景值，另一次是在含气溶胶大气通入的条件下进行测量，两组数据相减得到气溶胶的散射光强分布；

(7)在上位机上，对于测量得到的数据以文本或二进制文件形式进行存储；由于散射光的Stokes矢量是通过穆勒矩阵M(θ)对入射光Stokes矢量线性变换得到，因此入射光Stokes矢量矩阵S_inc与散射光Stokes矢量矩阵S_sc存在以下关系式：

S_sc＝M(θ)S_inc

因此通过矩阵运算，求解得到穆勒矩阵为保证逆矩阵操作，必须保证四组入射光Stokes矢量互不相关，且矩阵S_inc的条件数小，防止求解过程的病态；接下来对矩阵进行归一化处理至结束，其中M(θ)矩阵中的第一行第一列的元素M₁₁(θ)采用监视器平均值I_scan进行归一化，除M₁₁(θ)以外的其它矩阵元素采用M₁₁(θ)进行归一化。

8.根据权利要求7所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量方法，其特征在于：首先通过调整入射光单元两片液晶相位延迟器的相位延迟量产生Stokes矢量不相关的四组偏振光，然后在特定偏振态入射光条件下，测量大气气溶胶不同散射角处的散射光Stokes矢量，最后通过矩阵运算求解穆勒矩阵。

9.根据权利要求7所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量方法，其特征在于：步骤6测量过程需要分两次，第一次是针对纯气体散射的测量，第二次是针对自然大气的测量，前一次测量结果作为背景散射光。