本发明专利技术公开了一种基于相位微扰测量大气吸收系数的装置及方法，含有机械补偿变焦距系统、储样管、光纤干涉仪和消光管，其中储样管还包括样品入口和样品出口。本发明专利技术建立了相位微扰和大气吸收系数之间的关系，将散射和吸收对大气的作用有效分离开来，能够在保持大气原有性质的基础上非接触测量不同波长的平行激光束对应的大气吸收系数，能够检测大气吸收系数随时间的演变规律，具有检测速度快、灵敏度高、操作简单的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种实时测定大气吸收系数的新方法，它可以有效测量不同波长对应 光束的大气吸收系数，可以观察大气吸收系数随时间的变化规律。
技术介绍
大气的存在直接影响了光的传播，造成光在大气中的衰减。大气对光的衰减由散 射和吸收两个部分组成，散射改变光的空间分布，其效果是改变到达地表的辐射从而增加 了辐射能量空间分布的复杂性，吸收则一方面减少了到达地表的辐射能量，另一方面被吸 收的辐射能量随即释放，对大气进行加热，直接导致气温变化乃至改变正常的大气层结，影 响了地区和全球的辐射平衡，是全球气候变化的重要原因之一。到目前为止，世界范围内仍 十分缺乏大气折射率虚部的资料，而折射率虚部的精确测定依赖于吸收系数的可靠测量。 当强激光在大气中传输时，大气因吸收激光而被加热膨胀，密度降低，导致局部折射率减 小，对于初始光强分布为高斯或类高斯分布的激光束，光束中心区域的光向周围折射率较 大的区域折射而发散，产生激光束的波前畸变和光束扩展，形成热晕现象。因此，测量大气 的光吸收系数对气溶胶辐射气候效应及全球气候变化研究将起到重要作用，对研究光在大 气中的传输也有着重大的实际意义。已有大气吸收系数的测量方法，无论是基于光传输还是基于能量收支，出发点大 都是围绕两个方面一、解决吸收系数小的问题，二、解决吸收总是和散射一起出现的问题。解决吸收系数小的问题通常采用富集气溶胶样品的方法。把较大体积中的粒子通 过抽气泵以速度ν收集到滤膜上，通过测量透射光的电压获得总的吸收。测量时将一束光 通过分光镜分为两路平行光，一路作为参考光，直接通过大气传输，另一路作为信号光，通 过半径为r的光管传输。用真空泵抽气使气溶胶粒子聚集在过滤膜上，过滤膜相当于一个 漫反射基片，过滤膜后面的光管镀高反射膜以收集前向散射光，这样散射对光吸收测量的 影响可忽略。测出参考光路和信号光路进样前后的电压Uic^uiciW,U2tl，即可得到所测气溶胶的吸收系数&=4·1η，。 vt UwU20解决吸收总是和散射一起出现的问题通常采用积分方法。Hagon提出的“滤膜反 射法”就是如此设有三个面积为A的不透明滤膜一白色滤膜(空白)、富集有气溶胶粒子 的灰色样品滤膜和黑色滤膜，以一光源照射并在光源一侧某点用光电元件分别测量来自三 个滤膜表面的反射光强Iw、Is和L。在光源光强一定情况下，1 和L的值是一定的，而Is随粒子富集量多少而定。来自样品灰色表面的反射部分为W = Jz^f-，气溶胶的吸收系数』IV 丄B为五= i^。 v-t/A毫无疑问，上述方法不存在实时性方面的考虑，处于沉缩状态的待测粒子和它在 大气中的状态不同；粒子中有些是吸湿性的盐类，它随环境温度和湿度会发生变化，粒子中也有可能含有一些易挥发性物质，在采集过程中可能挥发，甚至收集起来的粒子相互还会 发生一些化学变化等等，另外多重粒子的重叠，其作用目前尚无法估计。粒子吸收的热效应会造成空气温度的微小变化，温度变化可转换为声信号加以检 测和处理，通过光-声信号和粒子吸收的联系可以测量大气的吸收系数，这种方法一般不 需要样品浓集，消除了散射光对吸收系数测量的影响，也比较接近实际大气的情况，但不同 粒径范围的大气气溶胶粒子用光声法测量吸收系数时对声谱仪的选择性，限制了该方法的 测量精度。总之，测量大气吸收系数对光在大气中的传输研究意义重大，对气溶胶辐射气候 效应及全球气候变化研究也有重要作用，但现有测量方法远远不能满足应用上的需要，勿 庸置疑，大气吸收系数快速简便的测量方法探讨已经成为一个急需深入研究的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有大气吸收系数测量手段的不足，提供一种实时测量大 气吸收系数的新方法，通过简单采样，该方法可以有效测量多种天气条件下的大气吸收系 数。本专利技术的技术方案如下一种基于相位微扰测量大气吸收系数的装置，包括有储样管，其特征在于所述储 样管的前、后端分别设有样品入、出口，所述的样品入口与储样管的接合处设有滤网，根据 所测样品所含粒子的大小更换不同目数的滤网，所述的样品出口处安装有抽气泵；所述储 样管的前端设有入光口并安装有机械补偿变焦距系统，所述的机械补偿变焦距系统将波长 在400 IOOOnm内的激光束转变为直径30mm的平行光束，所述入光口的外侧设有激光光 源，所述储样管的后端设有出光口并安装有消光管；包括有光纤干涉仪，所述光纤干涉仪具 有测量臂和参考臂，所述测量臂的两个端口伸入到所述的储样管内且其间隔略大于光束直 径。一种基于相位微扰测量大气吸收系数的方法，其特征在于其具体包括以下步 骤(1)、校正光纤干涉仪的测量臂端口位置，使其能够接收能量达到极大值，从而实 现测量臂端口的严格对准；O)、在储样管的样品出入口封闭的情况下，储样管内部大气可视为静止大气，通 过调节光纤干涉仪处于Q点；(3)、选定能量已知的激光光源，反复调节机械补偿变焦距系统，直至获得符合要 求的最佳平行光束，然后将光束直径约束为30mm，并使得光束轴心线与储样管的轴心线重 合，光束在通过储样管后全部通过出光孔进入消光管；0)、关闭激光光源，打开样品出入口，根据待测大气选择合适目数的滤网并保证 其干净，开启样品出口处的抽气泵；抽气泵的抽速为31/min，2分钟内即可置换储样管内的 所有大气为环境大气；(5)、关闭抽气泵，密封样品入口，再次微调光纤干涉仪Q点至最佳；(6)、开启激光光源，大气吸收系数会在短暂的时间内迅速上升，选择曲率降为初始曲率的1点作为吸收系数的测量值，此时吸收的热量已开始扩散，不可再等效为等压过 e程；(7)、关闭激光光源，等待光纤干涉仪回到初始值且平稳后，重复4次步骤6，总的 测量时间实验估算值在1分钟以内；(8)、如果在上述测量过程中，某一次的测量数据出现明显偏离，则再次重复测量， 最少有5次测量值较为接近为止；(9)、求得上述5次测量的平均值，作为待测大气的吸收系数；(10)、更换其他波长的激光束，按照上述步骤操作，总结不同波长之间的规律；(11)、上述10个步骤构成大气吸收系数的静态测量，开启样品入口，重新启动抽 气泵并一直运行，重复步骤6，所测值形成与测量时间的谱图，此过程为大气吸收系数的动 态测量。所述的基于相位微扰测量大气吸收系数的装置，其特征在于所述储样管的内径 为80mm，长度为IOOOmm ；所述样品入口的内径为30mm，它的中轴线距A端面30mm，所述样品 出口的的内径为15mm，它的中轴线距B端面15mm。所述的基于相位微扰测量大气吸收系数的装置，其特征在于在非实验条件下，所 述的样品入口和样品出口均处于封闭状态。所述的基于相位微扰测量大气吸收系数的装置，其特征在于所述的机械补偿变 焦距系统为两个移动组元的正组补偿变焦系统，包括补偿组、后固定组、变倍组和前固定组。所述的基于相位微扰测量大气吸收系数的装置，其特征在于所述的储样管采用 铸铝制成，保持储样管内表面的粗糙并做发黑处理，单位时间内储样管的进样量小于储样 管体积，所述的储样管可近似视为缓冲池，即新进样品的流动对储样管内已有待测样品的 影响较小。所述的基于相位微扰测量大气吸收系数的方法，其特征在于对大气吸收系数可 以静态检测，也可以动态检测，静态检测为误差范围内5次测量结果的平均，更换不同波长 的本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于相位微扰测量大气吸收系数的装置，包括有储样管，其特征在于：所述储样管的前、后端分别设有样品入、出口，所述的样品入口与储样管的接合处设有滤网，根据所测样品所含粒子的大小更换不同目数的滤网，所述的样品出口处安装有抽气泵；所述储样管的前端设有入光口并安装有机械补偿变焦距系统，所述的机械补偿变焦距系统将波长在４００～１０００ｎｍ内的激光束转变为直径３０ｍｍ的平行光束，所述入光口的外侧设有激光光源，所述储样管的后端设有出光口并安装有消光管；包括有光纤干涉仪，所述光纤干涉仪具有测量臂和参考臂，测量臂的两个端口伸入到所述储样管内且其间隔略大于光束直径。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邵士勇，梅海平，肖树妹，饶瑞中，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：34
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