CN107490546A - 实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置及方法，包括有探测光激光器、矩形玻璃块、三棱镜、道威棱镜、环形压电陶瓷片、压电控制器、激励激光器、第一、二、三反射镜、第一、二光电探测器和相位解调器。本发明基于光的干涉原理和光热干涉原理，可以同时测量气溶胶吸收和大气湍流，为两者的测量研究提供了新的思路，具有测量精度高、噪声小、易于集成化和使用方便等优点。

Description

实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置及方法

技术领域

本发明涉及测量大气气溶胶吸收和大气湍流光学参数技术领域，具体是一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置及方法。

背景技术

目前测量大气气溶胶吸收的方法主要有滤膜采样技术和在线原位测量技术。滤膜采样将气溶胶粒子沉积在滤膜上，再通过对比前后通过的探测光强的衰减量即可得出大气气溶胶的吸收系数。基于滤膜的技术发展较早，目前市场上具有多款成熟的商业化产品。基于滤膜的技术操作简单、易于实现、价格低廉，但该技术改变了气溶胶粒子的自然悬浮态，且多次散射产生的误差无法准确评估。原位测量代表方法有光声光谱法，该方法以光声效应为基础，当气溶胶粒子受激励激光照射时，粒子将吸收部分激励激光能量，加热周围大气产生压力波或声波，通过麦克风可以探测到声波信号，从而实现吸收系数的测量，但光声光谱法的共振频率容易受外界温度的干扰而产生误差。

目前测量大气湍流光学参数的方法主要有温度脉动法和光传播效应法。温度脉动法是人们无法直接用光学手段在近距离获得湍流信息时所采取的替代方法，是目前最常用的湍流光学参数测量方法，但随着研究的深入，该方法的缺陷日益突出，比如，实际空气折射率是温度、湿度、大气压强和光波波长的函数，当空气中水汽含量较高或者当红外波段的光波通过湍流大气时，利用温度脉动法难以获得准确的湍流折射率起伏信息；再者，温度脉动法使用的金属铂丝容易被折断或被环境污染等。基于光传播效应的路径平均测量法主要利用激光大气传输时的湍流效应来反演光学湍流的特征参数，包括激光闪烁法和到达角度起伏法等。短距离传播路径上，大气折射率的微小起伏引起的光强或相位起伏非常微弱，激光必须经过较长的传播路径后方可产生易于检测的湍流效应，因此根据湍流效应原理的光学方法测得的湍流光学参数是路径平均的结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置及方法，可以同时测量气溶胶吸收和大气湍流，为两者的测量研究提供新的思路。

本发明的技术方案如下：

一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置，其特征在于：包括有探测光激光器、矩形玻璃块、斩波器、三棱镜、道威棱镜、环形压电陶瓷片、压电控制器、激励激光器、第一、二、三反射镜、第一、二光电探测器和相位解调器，所述的矩形玻璃块呈倾斜状设置，所述矩形玻璃块前侧的上半部分连接有半透半反膜，矩形玻璃块后侧的下半部分连接有全反膜，所述的探测光激光器设置于所述半透半反膜的后方，所述的三棱镜和道威棱镜呈一前一后依次设置于所述矩形玻璃块的前方，并通过所述环形压电陶瓷片相连接，所述的半透半反膜和全反膜与所述三棱镜和道威棱镜之间形成大气湍流探测区域，所述的环形压电陶瓷片与所述压电控制器电连接，所述的第一、二光电探测器分别设置于所述半透半反膜的上方和后方，并分别与所述相位解调器电连接；所述的探测光激光器发射激光，一方面依次经所述矩形玻璃块后侧的上半部分和所述半透半反膜折射，再依次经所述道威棱镜反射、所述矩形玻璃块前侧的下半部分折射和所述全反膜反射后分成二路，其中一路经所述半透半反膜折射后，由所述第一光电探测器接收，另一路依次经所述半透半反膜反射和所述矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由所述第二光电探测器接收；另一方面依次经所述半透半反膜和全反膜反射和所述矩形玻璃块前侧的下半部分折射，再经所述道威棱镜透射和所述三棱镜反射后分成二路，其中一路经所述半透半反膜反射后，由所述第一光电探测器接收，另一路依次经所述半透半反膜和所述矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由所述第二探测光激光器接收；

所述的第一、二反射镜分别设置于所述半透半反膜的前侧和所述道威棱镜的后侧，其中第一反射镜位于经所述半透半反膜折射后射向所述道威棱镜的光线的下方，第二反射镜位于经所述半透半反膜折射后射向所述道威棱镜的光线的上方，所述的斩波器和激励激光器呈一下一上分别设置于所述第一反射镜的上方，所述的第三反射镜设置于所述第二反射镜的上方；所述的激励激光器发射激励激光，经过所述斩波器并依次经所述第一、二反射镜反射后射向所述第三反射镜；经所述第一反射镜反射后射向所述第二反射镜的激励激光与经所述半透半反膜折射后射向所述道威棱镜的光线之间具有夹角。

一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：

(1)、将矩形玻璃块倾斜设置并予以固定，再将半透半反膜连接在矩形玻璃块前侧的上半部分，将全反膜连接到矩形玻璃块后侧的下半部分；

(2)、将三棱镜和道威棱镜呈一前一后依次设置于矩形玻璃块的前方，三棱镜与道威棱镜之间通过环形压电陶瓷片相胶合，使得三棱镜、道威棱镜和环形压电陶瓷片的中心线处于同一条直线上，并对准矩形玻璃块之间的中点；半透半反膜和全反膜与三棱镜和道威棱镜之间形成大气湍流探测区域；同时将环形压电陶瓷片与压电控制器电连接；

(3)、固定三棱镜和道威棱镜其中的一个，开启压电控制器，使得环形压电陶瓷片按照所探测大气湍流的频率最大值确定符合要求的周期性振动信号，从而使得三棱镜或道威棱镜能够在环形压电陶瓷片的推力作用下作振幅稳定的周期性振动；

(4)、将探测光激光器设置于半透半反膜的后方，并将第一、二光电探测器分别设置于半透半反膜的上方和后方，同时将第一、二光电探测器分别与相位解调器电连接；

(5)、开启探测光激光器，探测光激光器发射激光，一方面依次经矩形玻璃块后侧的上半部分和半透半反膜折射，再依次经道威棱镜反射、矩形玻璃块前侧的下半部分折射和全反膜反射后分成二路，其中一路经半透半反膜折射后，由第一光电探测器接收，另一路依次经半透半反膜反射和矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由第二光电探测器接收；另一方面依次经半透半反膜和全反膜反射和矩形玻璃块前侧的下半部分折射，再经道威棱镜透射和三棱镜反射后分成二路，其中一路经半透半反膜反射后，由第一光电探测器接收，另一路依次经半透半反膜和矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由第二探测光激光器接收；

(6)、调节探测光激光器的准直头，使得探测光激光器所发射的激光尽量靠近矩形玻璃块上侧的边缘，并保持光线平直，使得经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1与经三棱镜反射后射向半透半反膜的光线，即光线2之间的距离l₁大于2cm，同时使得经三棱镜反射后射向半透半反膜的光线，即光线2与三棱镜、道威棱镜和环形压电陶瓷片的中心线之间的距离l₂小于环形压电陶瓷片的内半径；

(7)、将第一、二反射镜分别设置于半透半反膜的前侧和道威棱镜的后侧，其中第一反射镜位于经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1的下方，第二反射镜位于经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1的上方，将激励激光器设置于第一反射镜的上方，将第三反射镜设置于第二反射镜的上方；

(8)、开启激励激光器，激励激光器发射激励激光，依次经第一、二反射镜反射后射向第三反射镜；经第一反射镜反射后射向第二反射镜的激励激光与经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1之间形成夹角；

(9)、设置斩波器的斩波频率，调节激励激光器所发射的激励激光与经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即与光线1之间的夹角，使该夹角尽可能的小；

(10)、调节第一、二光电探测器的位置，使其能最大接收激光所产生的干涉信号，第一、二光电探测器接收到的激光所产生的干涉信号的强弱可以在相位解调器的相位解调算法软件的界面上直接观察到，当观察到第一、二光电探测器接收到的激光所产生的干涉信号最强时，固定住第一、二光电探测器的位置；

(11)、相位解调器通过相位生成载波算法解调大气湍流探测区域的气溶胶吸收和大气湍流产生的相位改变量信息，利用激励激光器所发射的激励激光所对应的周期性信息计算出大气湍流探测区域的气溶胶吸收系数，结合湍流的功率谱特征，计算出同一时刻的大气湍流信息。

本发明的有益效果：

本发明基于光的干涉原理和光热干涉原理，可以同时测量气溶胶吸收和大气湍流，为两者的测量研究提供了新的思路，具有测量精度高、噪声小、易于集成化和使用方便等优点。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明光路结构示意图。

具体实施方式

参见图1、2，一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置，包括有探测光激光器1、矩形玻璃块2、斩波器3、三棱镜4、道威棱镜5、环形压电陶瓷片6、压电控制器7、激励激光器8、第一、二、三反射镜9、10、11、第一、二光电探测器12、13和相位解调器14，矩形玻璃块2呈倾斜状设置，矩形玻璃块2前侧的上半部分连接有半透半反膜15，矩形玻璃块2后侧的下半部分连接有全反膜16，探测光激光器1设置于半透半反膜15的后方，三棱镜4和道威棱镜5呈一前一后依次设置于矩形玻璃块2、3的前方，并通过环形压电陶瓷片6相连接，半透半反膜15和全反膜16与三棱镜4和道威棱镜5之间形成大气湍流探测区域，环形压电陶瓷片6与压电控制器7电连接，第一、二光电探测器12、13分别设置于半透半反膜15的上方和后方，并分别与相位解调器14电连接；探测光激光器1发射激光，一方面依次经矩形玻璃块2后侧的上半部分和半透半反膜15折射，再依次经道威棱镜5反射、矩形玻璃块2前侧的下半部分折射和全反膜16反射后分成二路，其中一路经半透半反膜15折射后，由第一光电探测器12接收，另一路依次经半透半反膜15反射和矩形玻璃块2后侧的上半部分折射后，由第二光电探测器13接收；另一方面依次经半透半反膜15和全反膜16反射和矩形玻璃块2前侧的下半部分折射，再经道威棱镜5透射和三棱镜4反射后分成二路，其中一路经半透半反膜15反射后，由第一光电探测器12接收，另一路依次经半透半反膜15和矩形玻璃块2后侧的上半部分折射后，由第二探测光激光器13接收；

第一、二反射镜9、10分别设置于半透半反膜15的前侧和道威棱镜5的后侧，其中第一反射镜9位于经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线的下方，第二反射镜10位于经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线的上方，斩波器3和激励激光器8呈一下一上分别设置于第一反射镜9的上方，第三反射镜11设置于第二反射镜10的上方；激励激光器8发射激励激光，经过斩波器3并依次经第一、二反射镜9、10反射后射向第三反射镜11；经第一反射镜9反射后射向第二反射镜10的激励激光与经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线之间具有夹角。

一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制方法，具体包括有以下步骤：

(1)、将矩形玻璃块2倾斜设置并予以固定，再将半透半反膜15连接在矩形玻璃块2前侧的上半部分，将全反膜16连接到矩形玻璃块2后侧的下半部分；

(2)、将三棱镜4和道威棱镜5呈一前一后依次设置于矩形玻璃块2、3的前方，三棱镜4与道威棱镜5之间通过环形压电陶瓷片6相胶合，使得三棱镜4、道威棱镜5和环形压电陶瓷片6的中心线处于同一条直线上，并对准矩形玻璃块2、3之间的中点；半透半反膜15和全反膜16与三棱镜4和道威棱镜5之间形成大气湍流探测区域；同时将环形压电陶瓷片6与压电控制器7电连接；

(3)、固定三棱镜4和道威棱镜5其中的一个，开启压电控制器7，使得环形压电陶瓷片6按照所探测大气湍流的频率最大值确定符合要求的周期性振动信号，从而使得三棱镜4或道威棱镜5能够在环形压电陶瓷片6的推力作用下作振幅稳定的周期性振动；

(4)、将探测光激光器1设置于半透半反膜15的后方，并将第一、二光电探测器12、13分别设置于半透半反膜15的上方和后方，同时将第一、二光电探测器12、13分别与相位解调器14电连接；

(5)、开启探测光激光器1，探测光激光器1发射激光，一方面依次经矩形玻璃块2后侧的上半部分和半透半反膜15折射，再依次经道威棱镜5反射、矩形玻璃块2前侧的下半部分折射和全反膜16反射后分成二路，其中一路经半透半反膜15折射后，由第一光电探测器12接收，另一路依次经半透半反膜15反射和矩形玻璃块2后侧的上半部分折射后，由第二光电探测器13接收；另一方面依次经半透半反膜15和全反膜16反射和矩形玻璃块2前侧的下半部分折射，再经道威棱镜5透射和三棱镜4反射后分成二路，其中一路经半透半反膜15反射后，由第一光电探测器12接收，另一路依次经半透半反膜15和矩形玻璃块2后侧的上半部分折射后，由第二探测光激光器13接收；

(6)、调节探测光激光器1的准直头，使得探测光激光器1所发射的激光尽量靠近矩形玻璃块2上侧的边缘，并保持光线平直，使得经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线，即光线1与经三棱镜4反射后射向半透半反膜15的光线，即与光线2之间的距离l₁大于2cm，同时使得经三棱镜4反射后射向半透半反膜15的光线，即光线2与三棱镜4、道威棱镜5和环形压电陶瓷片6的中心线之间的距离l₂小于环形压电陶瓷片6的内半径；

(7)、将第一、二反射镜9、10分别设置于半透半反膜15的前侧和道威棱镜5的后侧，其中第一反射镜9位于经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线，即光线1的下方，第二反射镜10位于经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线，即光线1的上方，将激励激光器8设置于第一反射镜9的上方，将第三反射镜11设置于第二反射镜10的上方；

(8)、开启激励激光器8，激励激光器8发射激励激光，依次经第一、二反射镜9、10反射后射向第三反射镜11；经第一反射镜9反射后射向第二反射镜10的激励激光与经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线，即光线1之间形成夹角；

(9)、设置斩波器3的斩波频率，调节激励激光器8所发射的激励激光与经半透半反膜15折射后射向道威棱镜5的光线，即与光线1之间的夹角，使该夹角尽可能的小；

(10)、调节第一、二光电探测器12、13的位置，使其能最大接收激光所产生的干涉信号，第一、二光电探测器12、13接收到的激光所产生的干涉信号的强弱可以在相位解调器14的相位解调算法软件的界面上直接观察到，当观察到第一、二光电探测器12、13接收到的激光所产生的干涉信号最强时，固定住第一、二光电探测器12、13的位置；

(11)、相位解调器14通过相位生成载波算法解调大气湍流探测区域的气溶胶吸收和大气湍流产生的相位改变量信息，利用激励激光器8所发射的激励激光所对应的周期性信息计算出大气湍流探测区域的气溶胶吸收系数，结合湍流的功率谱特征，计算出同一时刻的大气湍流信息，具体计算公式如下：

标准大气压下，脉冲时间Δt内，脉冲能量E＝P·Δt，由激励激光加热样品引起的温度升高ΔT为：

其中p为激励光能量，a为激励光半径，c_p和ρ分别为大气的密度和比热容，α为气溶胶的吸收系数；

根据Gladstone-Dale公式，温度改变量ΔT与折射率改变量Δn相关，两者关系为：

当干涉仪的探测光穿过上述光热效应区域时，光波将随折射率起伏形成相应的相位调制，相位变化量Δφ：

其中λ为探测光波长，l为激励光与探测光的有效作用距离，对于稳定系统来说，l为定值，大气湍流的测量则直接由公式(3)得到。

联立上述公式，可以得到气溶胶吸收系数与光相位信号的关系：

Claims (2)

1.一种实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置，其特征在于：包括有探测光激光器、矩形玻璃块、斩波器、三棱镜、道威棱镜、环形压电陶瓷片、压电控制器、激励激光器、第一、二、三反射镜、第一、二光电探测器和相位解调器，所述的矩形玻璃块呈倾斜状设置，所述矩形玻璃块前侧的上半部分连接有半透半反膜，矩形玻璃块后侧的下半部分连接有全反膜，所述的探测光激光器设置于所述半透半反膜的后方，所述的三棱镜和道威棱镜呈一前一后依次设置于所述矩形玻璃块的前方，并通过所述环形压电陶瓷片相连接，所述的半透半反膜和全反膜与所述三棱镜和道威棱镜之间形成大气湍流探测区域，所述的环形压电陶瓷片与所述压电控制器电连接，所述的第一、二光电探测器分别设置于所述半透半反膜的上方和后方，并分别与所述相位解调器电连接；所述的探测光激光器发射激光，一方面依次经所述矩形玻璃块后侧的上半部分和所述半透半反膜折射，再依次经所述道威棱镜反射、所述矩形玻璃块前侧的下半部分折射和所述全反膜反射后分成二路，其中一路经所述半透半反膜折射后，由所述第一光电探测器接收，另一路依次经所述半透半反膜反射和所述矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由所述第二光电探测器接收；另一方面依次经所述半透半反膜和全反膜反射和所述矩形玻璃块前侧的下半部分折射，再经所述道威棱镜透射和所述三棱镜反射后分成二路，其中一路经所述半透半反膜反射后，由所述第一光电探测器接收，另一路依次经所述半透半反膜和所述矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由所述第二探测光激光器接收；

所述的第一、二反射镜分别设置于所述半透半反膜的前侧和所述道威棱镜的后侧，其中第一反射镜位于经所述半透半反膜折射后射向所述道威棱镜的光线的下方，第二反射镜位于经所述半透半反膜折射后射向所述道威棱镜的光线的上方，所述的斩波器和激励激光器呈一下一上分别设置于所述第一反射镜的上方，所述的第三反射镜设置于所述第二反射镜的上方；所述的激励激光器发射激励激光，经过所述斩波器并依次经所述第一、二反射镜反射后射向所述第三反射镜；经所述第一反射镜反射后射向所述第二反射镜的激励激光与经所述半透半反膜折射后射向所述道威棱镜的光线之间具有夹角。

2.基于权利要求1所述实测气溶胶吸收和大气湍流的外调制装置的外调制方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：

(1)、将矩形玻璃块倾斜设置并予以固定，再将半透半反膜连接在矩形玻璃块前侧的上半部分，将全反膜连接到矩形玻璃块后侧的下半部分；

(2)、将三棱镜和道威棱镜呈一前一后依次设置于矩形玻璃块的前方，三棱镜与道威棱镜之间通过环形压电陶瓷片相胶合，使得三棱镜、道威棱镜和环形压电陶瓷片的中心线处于同一条直线上，并对准矩形玻璃块之间的中点；半透半反膜和全反膜与三棱镜和道威棱镜之间形成大气湍流探测区域；同时将环形压电陶瓷片与压电控制器电连接；

(3)、固定三棱镜和道威棱镜其中的一个，开启压电控制器，使得环形压电陶瓷片按照所探测大气湍流的频率最大值确定符合要求的周期性振动信号，从而使得三棱镜或道威棱镜能够在环形压电陶瓷片的推力作用下作振幅稳定的周期性振动；

(4)、将探测光激光器设置于半透半反膜的后方，并将第一、二光电探测器分别设置于半透半反膜的上方和后方，同时将第一、二光电探测器分别与相位解调器电连接；

(5)、开启探测光激光器，探测光激光器发射激光，一方面依次经矩形玻璃块后侧的上半部分和半透半反膜折射，再依次经道威棱镜反射、矩形玻璃块前侧的下半部分折射和全反膜反射后分成二路，其中一路经半透半反膜折射后，由第一光电探测器接收，另一路依次经半透半反膜反射和矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由第二光电探测器接收；另一方面依次经半透半反膜和全反膜反射和矩形玻璃块前侧的下半部分折射，再经道威棱镜透射和三棱镜反射后分成二路，其中一路经半透半反膜反射后，由第一光电探测器接收，另一路依次经半透半反膜和矩形玻璃块后侧的上半部分折射后，由第二探测光激光器接收；

(6)、调节探测光激光器的准直头，使得探测光激光器所发射的激光尽量靠近矩形玻璃块上侧的边缘，并保持光线平直，使得经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1与经三棱镜反射后射向半透半反膜的光线，即光线2之间的距离l₁大于2cm，同时使得经三棱镜反射后射向半透半反膜的光线，即光线2与三棱镜、道威棱镜和环形压电陶瓷片的中心线之间的距离l₂小于环形压电陶瓷片的内半径；

(7)、将第一、二反射镜分别设置于半透半反膜的前侧和道威棱镜的后侧，其中第一反射镜位于经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1的下方，第二反射镜位于经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1的上方，将激励激光器设置于第一反射镜的上方，将第三反射镜设置于第二反射镜的上方；

(8)、开启激励激光器，激励激光器发射激励激光，依次经第一、二反射镜反射后射向第三反射镜；经第一反射镜反射后射向第二反射镜的激励激光与经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即光线1之间形成夹角；

(9)、设置斩波器的斩波频率，调节激励激光器所发射的激励激光与经半透半反膜折射后射向道威棱镜的光线，即与光线1之间的夹角，使该夹角尽可能的小；

(10)、调节第一、二光电探测器的位置，使其能最大接收激光所产生的干涉信号，第一、二光电探测器接收到的激光所产生的干涉信号的强弱可以在相位解调器的相位解调算法软件的界面上直接观察到，当观察到第一、二光电探测器接收到的激光所产生的干涉信号最强时，固定住第一、二光电探测器的位置；

(11)、相位解调器通过相位生成载波算法解调大气湍流探测区域的气溶胶吸收和大气湍流产生的相位改变量信息，利用激励激光器所发射的激励激光所对应的周期性信息计算出大气湍流探测区域的气溶胶吸收系数，结合湍流的功率谱特征，计算出同一时刻的大气湍流信息。