CN108844865A - 一种双波长偏振光散射测量颗粒物的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种双波长偏振光散射测量颗粒物的方法及装置，所述方法包括：1)将待测颗粒物样品以恒定速度流过散射腔测试区，激光经偏振处理后照射测试区；使入射激光偏振态为水平线偏振，测量入射光经当前颗粒物散射后特定角度散射光的Stokes向量(S0,S1,S2,S3)T，计算Hdop作为反映颗粒物形态的主指标，计算Pdop作为反映颗粒物吸收的主指标，计算Rdop作为反映颗粒物成分的主指标；3)使入射激光偏振态为45°线偏振，其余操作同步骤2)；4)使入射激光偏振态为右旋圆偏振，其余操作同步骤2)；5)通过获得的指标集，分析出当前颗粒物的综合属性。本发明的方法可实现对颗粒物的综合属性进行在线快速全方位分析。此外，本发明的装置可以最大化减少探测器的数量。
Description
【技术领域】
本发明涉及空气中颗粒物的实时在线检测，特别是涉及一种双波长偏振光散射测量颗粒物的方法及装置。
【背景技术】
大气颗粒物对环境的影响日益严重，其成分复杂、来源多样，研究者需要根据颗粒物的物理化学特征对其来源进行判别分析。形状和复折射率可以描述大气颗粒物形态和成分的物理特征，其中复折射率的虚部可以反映物质对光的吸收属性。不同类型的颗粒物通常具有不同的形状，较为简单的形状包括球(水、燃煤颗粒等)和柱(纤维)，也有较为复杂的形状，比如汽车尾气通常为不规则的絮状或片状。不同的化学成分和分子结构体现在光学属性上就是复折射率不同，虽然不同的物质成分和不同的折射率之间不一定是严格的一一对应关系，但复折射率确是最能反映物质成分的物理属性。测量大气颗粒物的形状和复折射率可以为研究其种类和来源提供线索，并且对研究粒子特征有重要帮助。
目前，测量颗粒物形态的方法，有显微镜法等；测量颗粒物成分的方法，包括质谱、能谱、光谱等方法。它们共同的特点是需要先对颗粒物进行富集，再送至实验室进行检测，耗时久、成本高。在大气环境动态变化较大的区域，相关研究需要发展实时、原位的颗粒物快速检测与分析技术。基于光散射原理的粒子弹性光散射检测法具有快速、灵敏和成本低等特点，是进行快速在线测量的常用技术手段。目前，基于光散射原理的颗粒物测量仪主要应用于颗粒物粒径和质量浓度的检测，而且由于指标单一和探测器误差等原因，其测量精度一直得不到提高。而在颗粒物形态和成分测量方面，国内外目前没有比较成熟的产品，相关的研究也开展的比较少。
【发明内容】
本发明的目的在于，弥补现有光散射技术在颗粒物形态和成分测量方面的不足，并将对颗粒物的多维物理属性测量整合到一起，提出一种双波长偏振光散射测量颗粒物的方法及装置，可实现多种偏振散射参量的同时性测量，进而对颗粒物综合属性进行全方位分析。
本发明采用如下技术解决方案：
一种双波长偏振光散射测量颗粒物的方法，包括以下步骤：1)将待测颗粒物样品以恒定速度流过散射腔测试区，使用不同波长的两路激光经偏振处理后照射所述测试区；2)使入射激光偏振态为水平线偏振，测量入射光经当前颗粒物散射后特定角度散射光的Stokes向量(S0,S1,S2,S3)T，计算Hdop作为反映颗粒物形态的主指标，计算Pdop作为反映颗粒物吸收的主指标，计算Rdop作为反映颗粒物成分的主指标；3)使入射激光偏振态为45°线偏振，其余操作同步骤2)；4)使入射激光偏振态为右旋圆偏振，其余操作同步骤2)；5)通过获得的指标集，分析出当前颗粒物的综合属性。
所述Stokes向量为：
其中，S0表示散射光的总光强，为水平线偏振光的光强I0与垂直线偏振光的光强I90之和；S1为散射光中水平线偏振光的光强I0与垂直线偏振光的光强I90之差；S2表示散射光中45°线偏振光的光强I45与135°线偏振光的光强I135之差；S3表示散射光中右旋圆偏振光的光强IR与左旋圆偏振光的光强IL之差。
所述步骤2)执行时，入射光偏振态为水平线偏振，经颗粒物散射后，测量所述散射光的Stokes向量，计算Hdop、Pdop和Rdop，其中，Hdop＝S1/S0，Pdop＝S2/S0，Rdop＝S3/S0，因为入射光为水平线偏振，这3个参量命名为H-Hdop、H-Pdop和H-Rdop。
所述步骤3)执行时，入射光偏振态为45°线偏振，经颗粒物散射后，测量所述散射光的Stokes向量，计算Hdop、Pdop和Rdop，因为入射光为45°线偏振，这3个参量命名为P-Hdop、P-Pdop和P-Rdop。
所述步骤4)执行时，入射光偏振态为右旋圆偏振，经颗粒物散射后，测量所述散射光的Stokes向量，计算Hdop、Pdop和Rdop，因为入射光为右旋圆偏振，这3个参量命名为R-Hdop、R-Pdop和R-Rdop。
通过所述指标Hdop可以反映颗粒物形态；通过所述指标Pdop可以反映颗粒物的吸收属性，可将颗粒物根据其吸收属性分为强吸收(炭黑等)、弱吸收(生物质燃烧产物等)和极弱吸收(水、水溶性盐、沙尘等)；通过所述指标Rdop可以反映颗粒物的成分，如部分物质带有旋光性，通过圆偏振检测可以将这类物质识别出来。
所述步骤5)执行时，指标集中的指标不局限于本发明所提出的三类指标Hdop、Pdop和Rdop，分析方法并不拘泥于某一种特定的方法，既包括传统的关系式法、读图法等方法，也包括现代的机器学习、神经网络等方法。
一种双波长偏振光散射测量颗粒物的装置，包括激光源、聚焦单元、起偏单元、散射腔、探测单元、光阱和计算处理单元；将待测颗粒物样品以恒定速度流过散射腔的测试区，所述激光源发出激光依次经所述起偏单元偏振处理、所述光束调制单元调整后照射到所述测试区；所述探测单元用于探测流过所述测试区的待测颗粒物样品中的当前颗粒物对激光散射后的散射光的Stokes向量；所述计算处理单元根据上述步骤2)至步骤4)由所述探测单元探测的散射光的Stokes向量计算出该入射偏振态下的偏振指标，进而分析得到当前颗粒物的形态和成分等信息。
所述激光源的两路激光波长分别为405nm和532nm，入射光的入射角度可调，而探测器的位置固定，改变激光器的入射角度就相当于探测器探测了不同角度的散射光。通过可调两台激光器的入射偏转角度以最大化减少探测器的数量。
所述起偏单元由半波片组成，可以通过转动来改变入射光的偏振态。
所述光束调制单元包括柱透镜和光阑，将入射光斑调制成扁平的“一”字形，以使光斑在颗粒物通过方向的长度尽量窄，保证光斑一次只照射一个颗粒物，而在垂直于颗粒物通过方向的长度尽量宽，保证最大限度不遗漏颗粒物。
所述探测单元包括二向色性分光镜、扩束镜、四象限检偏器、一分多光纤束、光电探测器，其中所述二向色分光镜负责将两种波长的散射光分开，所述扩束镜负责将散射光光斑大小扩大到能够覆盖所述四象限检偏器，所述四象限检偏器通过所述一分多光纤束与所述光电探测器连接在一起。
本发明较之现有技术的有益效果是：
本发明提出的测量方法，能够通过光的偏振散射特性实现颗粒物形态和成分的测量。由于偏振在光强的基础上增加了光矢量振动方向这一物理量，这样一来可用的指标就增加了，信息量就扩大了，弥补了现有光散射技术在粒径测量以外的空白，使分析颗粒物更多的物理属性成为可能。相比单波长测量，双波长能够进一步获得更多的信息，同时避免了单波长下部分物质吸收偏弱而导致指标分辨率不高的情况。本发明可实现对颗粒物的综合属性进行在线快速全方位分析。本发明提出的测量装置，与同类型的装置相比，最大化减少了探测器的数量，将成本控制到最低。
【附图说明】
图1是不同形态的颗粒物随双角度形态特异性指标Hdop的二维分布图；
图2是4种不同吸收性的物质Pdop的差异性图；
图3是本发明实施例的检测流程图；
图4是本发明实施例双波长偏振光散射测量颗粒物的装置的结构示意图；
图5是本发明实施例中探测单元的结构示意图；
图6(a)和图6(b)是本发明实施例中四象限检偏器的主视图和左视图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明，分为测量方法和装置两部分，但下述说明仅仅是示例性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明中的测量方法是一种基于双波长偏振光散射特性的颗粒物测量方法，使待测样品以恒定流速流过散射腔测试区，采用双波长偏振光照射测试区，测量特定散射角出射的散射光的偏振特征，从而可以得到传统光散射方法所不能测量的颗粒物形态和成分等属性。根据理论，颗粒物尺寸主要反映在前向散射光的变化上，而形态、成分和结构等信息主要反映在侧向及背向散射光的变化上，因此探测角度往往选择在侧向或背向。传统光散射法测量仪由于只有光强这一个可用的信息量，因此向多角度多波长的方向发展，引入偏振测量一方面增加了散射光携带的信息量，另一方面可以有效降低传统光散射法中对多角度和多波长的要求，从而降低了仪器成本。由Mie散射理论分析得到，较小粒径的颗粒物其对偏振光的散射作用大于大粒子，更适合通过计算散射光的偏振特征得到小粒径的结构分布信息。偏振散射技术继承了光散射法较其他方法成本低，操作简单快捷，测量范围广，局限性小的优点。
下面结合图示对偏振指标的有效性作简要分析，图1为固定短轴为1μm的椭球，在水平偏振光入射下探测角为60°时，H-Hdop的扩展指标(S0-S1)/S0的方差随椭球长轴变化的曲线，可以看出，在曲线的起始段随着长轴的增加，曲线变化的很快，说明此指标可以有效区分球与非球。
图2为吸收性不同的4种样本碳粉、亚利桑那尘、硫酸铵、氯化钠，在入射光为45°线偏振，探测角为115°时，Pdop即S2/S0的差异，图中4种颗粒物的吸收性从左到右依次减弱，说明该指标对吸收性具有良好的反映。
本具体实施方式的颗粒物检测流程如图3所示，包括以下步骤：
1)将待测颗粒物样品以恒定速度流过散射腔测试区，激光经偏振处理后照射所述测试区。
2)使入射激光偏振态为水平线偏振，测量入射光经当前颗粒物散射后特定角度散射光的Stokes向量(S0,S1,S2,S3)T，计算Hdop作为反映颗粒物形态的主指标，计算Pdop作为反映颗粒物吸收的主指标，计算Rdop作为反映颗粒物成分的主指标。
3)使入射激光偏振态为45°线偏振，其余操作同步骤2)。
4)使入射激光偏振态为右旋圆偏振，其余操作同步骤2)。
步骤2)中，Stokes向量的数学表达形式是：
其中，S0表示散射光的总光强，为水平线偏振光的光强I0与垂直线偏振光的光强I90之和；S1为散射光中水平线偏振光的光强I0与垂直线偏振光的光强I90之差；S2表示散射光中45°线偏振光的光强I45与135°线偏振光的光强I135之差；S3表示散射光中右旋圆偏振光的光强IR与左旋圆偏振光的光强IL之差。
Stokes向量可以表示光的偏振态，通过改变入射光的偏振态，而测量出射光的偏振态，可以测得反映散射体本身光学属性的Mueller矩阵：
在同时性测量中，往往无法测量Mueller矩阵，因此我们试图在不断的实验中寻找某一入射光的偏振态，能够使散射光的Stokes向量尽可能的反映Mueller矩阵的主要阵元，从而反映颗粒物的某一属性。
5)通过获得的指标集，分析出当前颗粒物的综合属性。
该步骤中，利用获取的指标集来考察颗粒物的属性，如形态、复折射率等。考察时，通过查找标准库进行比对，获取属性信息。标准库由用户事先通过模拟计算和对标准样本的多次测量总结得到。
本具体实施方式中，还提供一种偏振光散射测量颗粒物的装置。装置的结构示意图如图4所示，包括激光源S1和S2、起偏单元PSG1和PSG2、光束调制单元M1和M2、探测单元D和计算处理单元C。
将待测样品以恒定速度流过测试区，所述激光源S1和S2(半导体激光器，S1波长405nm，S2波长532nm，输出功率均为100mW)发出激光分别依次经所述起偏单元PSG1和PSG2(半波片)偏振处理、所述光束调制单元M1和M2(包括柱透镜、光阑)调整后照射到所述测试区；所述S1、PSG1和M1组成的入射光发生、起偏与调制单元角度可调，图4中α角可在30-115°范围内变化，S2、PSG2和M2组成的整体也具有同样的功能；所述探测单元D用于探测流过所述测试区的待测颗粒物样品中的当前颗粒物对激光散射后的散射光的偏振指标；所述计算处理单元C根据上述步骤2)至步骤4)由所述探测单元探测的散射光的指标1和2分析得到当前颗粒物的形态和成分等信息。图4中，测试区示意了颗粒物O，颗粒物的流向为垂直纸面的方向，颗粒物对激光散射后，通过探测单元探测散射光的光强和偏振特性。在散射腔上还示意了光阱T，用于衰减和吸收前向剩余的照明光束。探测单元D用于探测流过所述测试区的待测样品中的当前颗粒物对激光散射后的散射光的Stokes向量，所述Stokes向量为表示散射光光强和偏振态的向量。
图5是探测单元的结构示意图，包括二向色性分光镜、扩束镜、四象限检偏器、一分多光纤束、光电探测器。二向色分光镜负责将两种波长的散射光分开，扩束镜负责将散射光光斑大小扩大到能够覆盖四象限检偏器，四象限检偏器通过一分多光纤束与光电探测器连接在一起。
图6是四象限检偏器示意图，在图6(b)中，按坐标系习惯给四个象限编号，每个通道分别检测一种偏振态，进而得到Stokes向量的分量，分别是：
通道1：不加检偏，得到散射光光强，即分量S0；
通道2：0度方向检偏，得到0°线偏振处理后的光强I0。结合分量S0，计算得到90°线偏振处理后的光强I90＝S0-I0，然后由I0-I90计算得到分量S1；
通道3：45度方向检偏，得到45°线偏振处理后的光强I45。结合分量S0，计算得到135°线偏振处理后的光强I135＝S0-I45，然后由I45-I135计算得到分量S2；
通道4：右旋圆偏振检偏，得到右旋圆偏振处理后的光强IR。结合分量S0，计算得到左旋圆偏振处理后的光强IL＝S0-IR，然后由IR-IL计算得到分量S3。
这样可以同时得到Stokes向量的四个分量。Stokes向量的同时性测量，可确保测量的四个分量是对应同一颗粒物散射的，而非分多次测量存在关联性较差的问题。即使计算指标时不需要用到完整的Stokes向量，但是这种设计具有很强的完备性，对于后续采用新的指标也是有帮助的。
探测到Stokes向量后，计算处理单元C根据前述测量方法中的步骤2)至步骤4)由散射光的Stokes向量计算得到的指标集分析得到当前颗粒物的综合属性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双波长偏振光散射测量颗粒物的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将待测颗粒物样品以恒定速度流过散射腔测试区，使用不同波长的两路激光经偏振处理后照射所述测试区；2)使入射激光偏振态为水平线偏振，测量入射光经当前颗粒物散射后特定角度散射光的Stokes向量(S0,S1,S2,S3)T，计算Hdop作为反映颗粒物形态的主指标，计算Pdop作为反映颗粒物吸收的主指标，计算Rdop作为反映颗粒物成分的主指标；3)使入射激光偏振态为45°线偏振，其余操作同步骤2)；4)使入射激光偏振态为右旋圆偏振，其余操作同步骤2)；5)通过获得的指标集，分析出当前颗粒物的综合属性。
2.根据权利要求1所述的双波长偏振光散射测量颗粒物的方法，其特征在于，所述Stokes向量为：
其中，S0表示散射光的总光强，为水平线偏振光的光强I0与垂直线偏振光的光强I90之和；S1为散射光中水平线偏振光的光强I0与垂直线偏振光的光强I90之差；S2表示散射光中45°线偏振光的光强I45与135°线偏振光的光强I135之差；S3表示散射光中右旋圆偏振光的光强IR与左旋圆偏振光的光强IL之差。
3.根据权利要求1所述的偏振光散射测量颗粒物的方法，其特征在于，所述步骤2)中，水平线偏振的入射光经颗粒物散射后，测量所述散射光的Stokes向量，计算Hdop、Pdop和Rdop，其中，Hdop＝S1/S0，Pdop＝S2/S0，Rdop＝S3/S0；所述步骤3)中，45°线偏振的入射光经颗粒物散射后，测量所述散射光的Stokes向量，计算相应的Hdop、Pdop和Rdop，这3个参量命名为P-Hdop、P-Pdop和P-Rdop；所述步骤4)中，右旋圆偏振的入射光经颗粒物散射后，测量所述散射光的Stokes向量，计算相应的Hdop、Pdop和Rdop，这3个参量命名为R-Hdop、R-Pdop和R-Rdop。
4.根据权利要求1至3任一项所述的偏振光散射测量颗粒物的方法，其特征在于，步骤5)中，通过指标Hdop反映颗粒物形态；通过指标Pdop反映颗粒物的吸收属性；通过所述指标Rdop反映颗粒物的成分。
5.根据权利要求1至3任一项所述的偏振光散射测量颗粒物的方法，其特征在于，所述步骤5)中，分析的方法采用关系式法、读图法、机器学习法、神经网络法中的任一者或多者。
6.根据权利要求1至5任一项所述的偏振光散射测量颗粒物的方法，其特征在于，所述激光源的两路激光波长分别为405nm和532nm。
7.一种双波长偏振光散射测量颗粒物的装置，其特征在于，包括激光源、起偏单元、光束调制单元、散射腔、探测单元、光阱和计算处理单元；将待测颗粒物样品以恒定速度流过散射腔的测试区，所述激光源发出激光依次经所述起偏单元偏振处理、所述光束调制单元调整后照射到所述测试区；所述探测单元用于探测流过所述测试区的待测颗粒物样品中的当前颗粒物对激光散射后的散射光的Stokes向量；所述计算处理单元根据如权利要求1至6任一项所述所述的方法中的步骤2)至步骤4)由所述探测单元探测的散射光的Stokes向量计算出该入射偏振态下的偏振指标，进而分析得到当前颗粒物的形态和成分等信息。
8.根据权利要求7所述的一种双波长偏振光散射测量颗粒物的装置，其特征在于，所述激光源的两路激光波长分别为405nm和532nm，入射光的入射角度可调，而探测器的位置固定，通过改变激光器的入射角度使探测器探测不同角度的散射光。
9.根据权利要求7所述的一种双波长偏振光散射测量颗粒物的装置，其特征在于，所述起偏单元包括半波片，通过转动来改变入射光的偏振态；所述光束调制单元包括柱透镜和光阑，将入射光斑调制成扁平的“一”字形，以使光斑在颗粒物通过方向的长度尽量窄，保证光斑一次只照射一个颗粒物，而在垂直于颗粒物通过方向的长度尽量宽，保证最大限度不遗漏颗粒物。
10.根据权利要求7至9任一项所述的一种双波长偏振光散射测量颗粒物的装置，其特征在于，所述探测单元包括二向色性分光镜、扩束镜、四象限检偏器、一分多光纤束、光电探测器，其中所述二向色分光镜负责将两种波长的散射光分开，所述扩束镜负责将散射光光斑大小扩大到能够覆盖所述四象限检偏器，所述四象限检偏器通过所述一分多光纤束与所述光电探测器连接在一起。
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