CN113791006A - 环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，属于环境检测领域，包括多层环境模拟系统、穆勒矩阵测试起偏系统、穆勒矩阵测试接收系统、环境干扰抑制起偏系统和环境干扰抑制接收系统，利用大气颗粒物模拟系统和水雾环境模拟系统模拟表面覆盖有水雾介质的大气颗粒物环境，同时进行垂直方向穆勒矩阵测试和水平方向干扰环境的出射偏振态测试，通过确保均匀水雾环境模拟系统长度和高度相等的方式，将水平路径上干扰环境出射偏振态等效为垂直路径上干扰环境出射偏振态，解决干扰环境无法测量的缺陷，本发明能够测试被遮挡颗粒物环境的穆勒矩阵，解决了穆勒矩阵测试过程中环境干扰抑制的问题。
Description
技术领域
本发明属于环境检测领域，更具体地，涉及一种环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统。
背景技术
严重的大气污染对公众健康、生态环境和社会经济都会产生巨大的威胁与损害。近年来，随着我国经济高速发展，城市化和工业化进程不断加快，由于汽车尾气、道路扬尘和建筑施工扬尘、工厂的二次污染、冬季取暖燃烧煤炭低空排放的污染物等原因，城市空气中的液滴和固体小颗粒浓度大幅升高，而占主要地位的环境问题多是人为活动产生的颗粒物，而且室内的废气污染也比人们想象地要严重得多，由于人类活动和自然过程引起室外某些物质进入室内，达到足够的浓度，持续足够的时间，对人体产生危害。因此，对大气颗粒物进行有效地实时测量监控，进而控制和减少颗粒物的排放，是一项具有重大经济价值和社会价值的任务。
大气颗粒物测量研究主要集中于两个方面，一个方面是测量颗粒物的粒径分布，从而获取颗粒物在选定的粒径区间的浓度，另外一个方面是分析颗粒物的成分组成来解析颗粒物的污染源，颗粒物的成分组成具有粒径分布的相关性。基于不同的测量原理，对大气颗粒物的检测所用到的方法主要有β射线吸收法、重量法、微震荡天平法、光散射法等，其中光学探测具有无损、快速和实时在线的特点。随着激光光源和探测器技术的发展，光学探测方法在大气方面的应用越来越广泛。偏振散射探测是在非偏振方法上的一个发展，其具有获取颗粒物信息量大、对现有非偏振装置兼容度高、对小粒径粒子敏感的特点。然而，仅仅通过研究偏振态的变化不可能获得介质全部光学特性，穆勒矩阵是一种能充分表征介质偏振特性的方法，也称为描述光偏振状态的Stokes矢量的传递函数，因此研究颗粒物穆勒矩阵的测量具有重要意义。
在实际垂直方向对大气颗粒物的检测中，通常待测颗粒物表面覆盖有其他环境的遮挡，如云、雾等，使得颗粒物的穆勒矩阵不能直接被测量。因此，针对垂直方向上对颗粒物进行穆勒矩阵测试时表面有其他环境干扰的情况，亟需一种环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统。
发明内容
本发明的目的是针对垂直方向对大气颗粒物的检测中遮挡环境对测试结果的影响问题，而提出了一种环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，其特征在于，包括：多层环境模拟系统、穆勒矩阵测试起偏系统、穆勒矩阵测试接收系统、环境干扰抑制起偏系统和环境干扰抑制接收系统；
所述多层环境模拟系统呈上下两层，下层为大气颗粒物模拟系统，上层为水雾环境模拟系统，大气颗粒物模拟系统和水雾环境模拟系统的外部形状为长方体箱体结构，大气颗粒物模拟系统和水雾环境模拟系统长度相同，并以长度对齐布置；水雾环境模拟系统的长度和高度相同，于垂直方向大气颗粒物模拟系统和水雾环境模拟系统上均开有垂直光学窗口，且大气颗粒物模拟系统和水雾环境模拟系统的垂直光学窗口中心轴重合，于水平方向水雾环境模拟系统上开设有水平光学窗口；
所述穆勒矩阵测试起偏系统位于多层环境模拟系统的垂直路径光入射侧，穆勒矩阵测试起偏系统由沿着光的传播方向依次布置的第一激光器、第一衰减片、扩束器、第一线偏振片和第一四分之一波片组成，穆勒矩阵测试起偏系统用于产生扩束后的水平、垂直、+45度、-45度的线偏振光，以及左旋和右旋圆偏振光；
所述穆勒矩阵测试接收系统位于多层环境模拟系统的垂直路径光出射侧，穆勒矩阵测试接收系统由沿着光的传播方向依次布置的第二四分之一波片、第二线偏振片和CCD探测器组成，穆勒矩阵测试接收系统用于接收水平、垂直、+45度、-45度的线偏振检偏方向，以及左旋和右旋圆偏振检偏方向所接收到的光强图样；
所述环境干扰抑制起偏系统位于多层环境模拟系统的水平路径光入射侧，环境干扰抑制起偏系统由沿着光的传播方向依次布置的第二激光器、第二衰减片、第三线偏振片和第三四分之一波片组成，环境干扰抑制起偏系统用于产生水平、垂直、+45度、-45度的线偏振光，以及左旋和右旋圆偏振光，作为干扰环境测试的起偏；
所述环境干扰抑制接收系统位于多层环境模拟系统的水平路径光出射侧，环境干扰抑制接收系统包括偏振态测量仪，用于测试干扰环境的各Stokes(斯托克斯)分量。
进一步，所述多层环境模拟系统的垂直光学窗口和水平光学窗口中心轴不交叉。
根据本发明具体的实例，所述第一激光器选用532nm激光器。
根据本发明具体的实例，所述第二激光器选用532nm激光器。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，利用大气颗粒物模拟系统和水雾环境模拟系统模拟表面覆盖有水雾介质的大气颗粒物环境，同时进行垂直方向穆勒矩阵测试和水平方向干扰环境的出射偏振态测试，通过确保均匀水雾环境模拟系统长度和高度相等的方式，将水平路径上干扰环境出射偏振态等效为垂直路径上干扰环境出射偏振态，解决干扰环境无法测量的缺陷，得到六组起偏、六组检偏共三十六种组合的光强图样，根据穆勒矩阵与光强的关系式得到大气颗粒物的穆勒矩阵，该系统使得被遮挡颗粒物环境的穆勒矩阵测试成为可能，解决了穆勒矩阵测试过程中环境干扰抑制的问题，为介质穆勒矩阵的高精度测试提供技术支撑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统的结构示意图。
图中各标记如下：1-多层环境模拟系统、2-穆勒矩阵测试起偏系统、3-穆勒矩阵测试接收系统、4-环境干扰抑制起偏系统、5-环境干扰抑制接收系统、11-大气颗粒物模拟系统、12-水雾环境模拟系统、21-第一激光器、22-第一衰减片、23-扩束器、24-第一线偏振片、25-第一四分之一波片、31-第二四分之一波片、32-第二线偏振片、33-CCD探测器、41-第二激光器、42-第二衰减片、43-第三线偏振片、44-第三四分之一波片、51-偏振态测量仪。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
如图1所示，环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，包括：多层环境模拟系统1、穆勒矩阵测试起偏系统2、穆勒矩阵测试接收系统3、环境干扰抑制起偏系统4和环境干扰抑制接收系统5。
所述多层环境模拟系统1由大气颗粒物模拟系统11和水雾环境模拟系统12组成，大气颗粒物模拟系统11和水雾环境模拟系统12的外部形状为长方体箱体结构，大气颗粒物模拟系统11置于多层环境模拟系统1的下层，水雾环境模拟系统12置于上层，两箱体长度相同，并以长度对齐布置，于垂直方向大气颗粒物模拟系统11和水雾环境模拟系统12上均开有垂直光学窗口，用于垂直方向上介质穆勒矩阵的测试，于水平方向水雾环境模拟系统12上开设有水平光学窗口，用于水平方向上环境干扰系统的测试。
所述穆勒矩阵测试起偏系统2由沿着光的传播方向依次布置的第一激光器21、第一衰减片22、扩束器23、第一线偏振片24和第一四分之一波片25组成，穆勒矩阵测试起偏系统2用于产生扩束后的水平、垂直、+45度、-45度的线偏振光，以及左旋和右旋圆偏振光，第一激光器21选用532nm激光器，对于水雾有很好的穿透效果。
所述穆勒矩阵测试接收系统3由沿着光的传播方向依次布置的第二四分之一波片31、第二线偏振片32和CCD探测器33组成，穆勒矩阵测试接收系统3用于接收水平、垂直、+45度、-45度的线偏振检偏方向，以及左旋和右旋圆偏振检偏方向所接收到的光强图样。
所述环境干扰抑制起偏系统4由沿着光的传播方向依次布置的第二激光器41、第二衰减片42、第三线偏振片43和第三四分之一波片44组成，环境干扰抑制起偏系统4用于产生水平、垂直、+45度、-45度的线偏振光，以及左旋和右旋圆偏振光，作为干扰环境测试的起偏。第二激光器41选用532nm激光器，对于水雾有很好的穿透效果。
所述环境干扰抑制接收系统5包括偏振态测量仪51，用于测试干扰环境的各Stokes分量。
进一步，位于所述多层环境模拟系统1上层的水雾环境模拟系统12为长度和高度相同的长方体箱形结构，确保光在水平和垂直方向经过的路径相等。
进一步，所述大气颗粒物模拟系统11和水雾环境模拟系统12的垂直光学窗口中心轴重合，确保两束光束传播过程中互不干扰。
进一步，所述穆勒矩阵测试起偏系统2位于多层环境模拟系统1的垂直路径光入射侧，穆勒矩阵测试接收系统3位于多层环境模拟系统1的垂直路径光出射侧。所述环境干扰抑制起偏系统4位于多层环境模拟系统1的水平路径光入射侧，环境干扰抑制接收系统5位于多层环境模拟系统1的水平路径光出射侧。
上述环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统的工作过程包括如下步骤：
步骤一、打开穆勒矩阵测试起偏系统2中第一激光器21，调节第一衰减片22的亮度至穆勒矩阵测试接受系统3中CCD探测器33中的光斑成像清晰，移除第一四分之一波片25，调节第一线偏振片24产生水平线偏振光；
步骤二、打开环境干扰抑制起偏系统4中第二激光器41，第二调节衰减片42与第一衰减片22亮度相同，移除第三四分之一波片44，调节第三线偏振片43产生水平线偏振光；
步骤三、调节穆勒矩阵测试接收系统3中的第二四分之一波片31与第二线偏振片32，使得穆勒矩阵测试接收系统3与步骤一中的穆勒矩阵测试起偏系统2偏振态相同，测试水平起偏、水平检偏时所接收的光斑图样；
步骤四、在多层环境模拟系统1的下层大气颗粒物模拟系统11中充入待测颗粒物样本，上层水雾环境模拟系统12中充入不同浓度的水雾，用于模拟不同天气条件下的云、雾环境，大气颗粒物模拟系统11和水雾环境模拟系统12中介质都由风扇搅拌均匀，确保两层介质环境均为均匀介质环境；
步骤五、分别由穆勒矩阵测试接收系统3中CCD探测器33及环境干扰抑制接收系统5中偏振态测量仪51接收垂直方向上两层介质的光斑图样以及上层水雾干扰环境的出射斯托克斯矢量，并进行记录；
步骤六、重复以上步骤，调节穆勒矩阵测试起偏系统2中第一线偏振片24及第一四分之一波片25，依次产生水平、垂直、+45度、-45度线偏振光以及左旋、右旋圆偏振光；调节穆勒矩阵测试接收系统3中第二四分之一波片31与第二线偏振片32，依次检测水平、垂直、+45度、-45度线偏振光及右旋、左旋圆偏振光，共计三十六组起偏与检偏组合，由CCD探测器33接收光强图样；
步骤七、相应地，调节环境干扰抑制起偏系统4中第三线偏振片43和第三四分之一波片44，确保产生的偏振态与穆勒矩阵测试起偏系统2中偏振态相同，共计六种起偏状态，分别由偏振态测量仪51接收干扰环境传输后的六组斯托克斯矢量；
步骤八、将步骤六穆勒矩阵测试接收系统3中调节的检偏偏振态与颗粒物穆勒矩阵及步骤七中测得的六组斯托克斯矢量相乘，并由步骤六相应测得的三十六组CCD探测器33接收的光强图样进行求解，可解得大气颗粒物穆勒矩阵中十六个元素。
举例说明：
若步骤六中穆勒矩阵测试接收系统3中调节为水平检偏，则检偏产生的穆勒矩阵可表示为
若颗粒物穆勒矩阵表示为
S′11～S′44为穆勒矩阵中各元素，步骤七中环境干扰抑制接收系统5中偏振态测量仪51接收到的斯托克斯矢量为[I1 Q1U1 V1]T，其中I1为总光强，Q1表示x轴偏振和y轴偏振的强度之差，U1表示在xoy平面内与x轴成45°方向上的偏振强度和在xoy平面内与x轴成-45°方向上的偏振强度之差，V1则表示光的左旋和右旋圆偏振分量之间的强度差；且步骤六中穆勒矩阵测试接收系统3中CCD探测器33接收的光强图样为I′1，则有
其中，[I′1 Q′1 U′1 V1′]T为步骤六中经穆勒矩阵测试接收系统3中第二线偏振片32后出射的斯托克斯矢量，其中I′1为出射总光强，Q′1表示出射光的x轴偏振和y轴偏振的强度之差，U′1表示出射光强在45°方向上的偏振强度和在-45°方向上的偏振强度之差，V1′则表示出射光的左旋和右旋圆偏振分量之间的强度差；
则有
I′1＝(S′11-S′21)·I1+(S′12-S′22)·Q1+(S′13-S′23)·U1+(S′14-S′24)·V1其中，I′1及偏振态测量仪51接收到的斯托克斯矢量[I1 Q1 U1 V1]T已知，则通过由偏振态测量仪51接收干扰环境传输后的六组斯托克斯矢量及步骤六穆勒矩阵测试接收系统3中调节的六组检偏偏振态共得到三十六种组合，由CCD探测器33接收三十六组光强图样，通过三十六组方程联立求解，可得大气颗粒物模拟系统11中充入颗粒物的穆勒矩阵。
Claims (4)
1.环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，其特征在于，包括：多层环境模拟系统(1)、穆勒矩阵测试起偏系统(2)、穆勒矩阵测试接收系统(3)、环境干扰抑制起偏系统(4)和环境干扰抑制接收系统(5)；
所述多层环境模拟系统(1)呈上下两层，下层为大气颗粒物模拟系统(11)，上层为水雾环境模拟系统(12)，大气颗粒物模拟系统(11)和水雾环境模拟系统(12)的外部形状为长方体箱体结构，大气颗粒物模拟系统(11)和水雾环境模拟系统(12)长度相同，并以长度对齐布置；水雾环境模拟系统(12)的长度和高度相同，于垂直方向大气颗粒物模拟系统(11)和水雾环境模拟系统(12)上均开有垂直光学窗口，且大气颗粒物模拟系统(11)和水雾环境模拟系统(12)的垂直光学窗口中心轴重合，于水平方向水雾环境模拟系统(12)上开设有水平光学窗口；
所述穆勒矩阵测试起偏系统(2)位于多层环境模拟系统(1)的垂直路径光入射侧，穆勒矩阵测试起偏系统(2)由沿着光的传播方向依次布置的第一激光器(21)、第一衰减片(22)、扩束器(23)、第一线偏振片(24)和第一四分之一波片(25)组成，穆勒矩阵测试起偏系统(2)用于产生扩束后的水平、垂直、+45度、-45度的线偏振光，以及左旋和右旋圆偏振光；
所述穆勒矩阵测试接收系统(3)位于多层环境模拟系统(1)的垂直路径光出射侧，穆勒矩阵测试接收系统(3)由沿着光的传播方向依次布置的第二四分之一波片(31)、第二线偏振片(32)和CCD探测器(33)组成，穆勒矩阵测试接收系统(3)用于接收水平、垂直、+45度、-45度的线偏振检偏方向，以及左旋和右旋圆偏振检偏方向所接收到的光强图样；
所述环境干扰抑制起偏系统(4)位于多层环境模拟系统(1)的水平路径光入射侧，环境干扰抑制起偏系统(4)由沿着光的传播方向依次布置的第二激光器(41)、第二衰减片(42)、第三线偏振片(43)和第三四分之一波片(44)组成，环境干扰抑制起偏系统(4)用于产生水平、垂直、+45度、-45度的线偏振光，以及左旋和右旋圆偏振光，作为干扰环境测试的起偏；
所述环境干扰抑制接收系统(5)位于多层环境模拟系统(1)的水平路径光出射侧，环境干扰抑制接收系统(5)包括偏振态测量仪(51)，用于测试干扰环境的各Stokes分量。
2.根据权利要求1所述的环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，其特征在于：所述多层环境模拟系统(1)的垂直光学窗口和水平光学窗口中心轴不交叉。
3.根据权利要求1所述的环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，其特征在于：所述第一激光器(21)选用532nm激光器。
4.根据权利要求1所述的环境干扰抑制的大气颗粒物穆勒矩阵测量系统，其特征在于：所述第二激光器(41)选用532nm激光器。
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|---|---|
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