[發(fā)明專利]氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x的散射系數(shù)標(biāo)定裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610180441.3
• 申請(qǐng)日: 2016-03-25
• 公開（公告）號(hào): CN105628653B
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡帥;高太長(zhǎng);李浩;劉磊;翟東力;程天際
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/47
• 分類號(hào): G01N21/47
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11548
• 代理人: 黃玉玨

本發(fā)明公開了一種氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x的散射系數(shù)標(biāo)定裝置及方法，其包括定標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊和控制處理終端模塊，其中定標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊主要包括進(jìn)樣單元、積分濁度計(jì)、氣泵、流速計(jì)、出氣通道等，其功能是實(shí)現(xiàn)濁度計(jì)和穆勒矩陣測(cè)量?jī)x對(duì)同一大氣樣本光散射過(guò)程的同時(shí)觀測(cè)，獲取對(duì)應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，控制處理終端模塊包括數(shù)據(jù)采集與控制單元及數(shù)據(jù)處理及顯示單元，其功能包括數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、數(shù)據(jù)的完整性補(bǔ)充與加密、標(biāo)定系數(shù)的計(jì)算及測(cè)量結(jié)果的顯示。本發(fā)明使得傳統(tǒng)的穆勒矩陣測(cè)量?jī)x器可輸出散射系數(shù)值，標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方案實(shí)用易行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣象觀測(cè)領(lǐng)域，涉及一種氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x的散射系數(shù)標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)

氣溶膠的散射系數(shù)和穆勒矩陣是描述氣溶膠散射特性的重要參數(shù)，其中散射系數(shù)表征了氣溶膠的整體散射能力，而穆勒矩陣不僅表征了散射能量的空間分布，同時(shí)也是定量描述入射光偏振狀態(tài)和不同方向散射光Stokes矢量轉(zhuǎn)換關(guān)系的物理量。

隨著對(duì)穆勒矩陣準(zhǔn)確獲取問(wèn)題的日益關(guān)注，逐步發(fā)展了氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量技術(shù)。目前發(fā)展的技術(shù)包括兩類：一類是在入射光源和散射光接收端設(shè)置偏振片和1/4和1/2波片，通過(guò)這些光學(xué)元器件的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，改變光的偏振狀態(tài)，進(jìn)而將不同的穆勒散射矩陣元素調(diào)制到散射光強(qiáng)信號(hào)上進(jìn)行測(cè)量；另一類采用的是光電相位調(diào)制技術(shù)，入射光經(jīng)過(guò)起偏器后，采用光電相位調(diào)制器對(duì)其進(jìn)行高頻相位調(diào)制，從而將穆勒矩陣元素加載至不同頻率的諧波信號(hào)上，然后在散射光測(cè)量端通過(guò)偏振片和1/4波片的機(jī)械旋轉(zhuǎn)組合，結(jié)合鎖相放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)穆勒矩陣元素的測(cè)量，由此部分克服了光學(xué)元器件的機(jī)械旋轉(zhuǎn)問(wèn)題。在這兩種儀器設(shè)計(jì)中，通常還在特定散射角上(如30°)增加了一個(gè)監(jiān)視器，其用途是通過(guò)對(duì)散射光強(qiáng)度的測(cè)量來(lái)監(jiān)視氣流穩(wěn)定性。

這兩類穆勒矩陣測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)了氣溶膠散射光強(qiáng)度和偏振信息的高角度分辨率測(cè)量，因此從原理上講，通過(guò)這些測(cè)量數(shù)據(jù)，不僅可以計(jì)算得到穆勒矩陣，同時(shí)對(duì)散射光強(qiáng)進(jìn)行空間球面積分還極有可能獲得氣溶膠散射系數(shù)(許多實(shí)驗(yàn)證明，散射光空間積分值和散射系數(shù)存在強(qiáng)相關(guān)性)，但目前穆勒矩陣測(cè)量?jī)x器并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)該測(cè)量功能，其原因主要包括兩個(gè)方面：一方面，散射光空間積分值需要通過(guò)對(duì)應(yīng)的散射體體積訂正后才能獲得散射系數(shù)，但測(cè)量得到的穆勒矩陣需要進(jìn)行歸一化處理，所以無(wú)需特別關(guān)注散射體體積，因此這些儀器本身并不輸出有效散射體積值；另一方面，由于受入射激光源、探測(cè)器和吸收光阱體積的限制，導(dǎo)致散射角0°及180°附近存在部分測(cè)量盲區(qū)，測(cè)量數(shù)據(jù)存在不完整性，同時(shí)受測(cè)量角度個(gè)數(shù)的限制，數(shù)據(jù)是在一定角度范圍內(nèi)離散分布的，這導(dǎo)致散射光強(qiáng)直接空間積分可能存在一定誤差。基于以上問(wèn)題的思考，設(shè)想能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的方式解決有效散射體體積不確定性的問(wèn)題，能否基于實(shí)測(cè)穆勒矩陣數(shù)據(jù)及矩陣元素隨散射角的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺測(cè)散射角處數(shù)據(jù)的補(bǔ)充及可測(cè)散射角區(qū)間的數(shù)據(jù)加密，進(jìn)而結(jié)合定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，獲取散射光空間積分值的校正系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣溶膠散射系數(shù)的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x的散射系數(shù)標(biāo)定裝置及方法，通過(guò)該散射系數(shù)標(biāo)定裝置的標(biāo)定過(guò)程與后續(xù)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理，使得氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)散射系數(shù)的實(shí)時(shí)輸出，進(jìn)一步拓展其測(cè)量功能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一技術(shù)方案如下：一種氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x的散射系數(shù)標(biāo)定裝置，其包括定標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊和控制處理終端模塊，其中定標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊包括進(jìn)樣單元、與進(jìn)樣單元輸出相連的積分濁度計(jì)、位于積分濁度計(jì)下游的氣泵、與氣泵輸出相連的流速計(jì)、以及與流速計(jì)輸出相連的出氣通道，控制處理終端模塊包括數(shù)據(jù)采集與控制單元、及數(shù)據(jù)處理及顯示單元。

在第一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步包括如下附屬技術(shù)方案：

所述積分濁度計(jì)與氣泵之間設(shè)置有與氣溶膠穆勒矩陣測(cè)量?jī)x相連的接入口。

所述進(jìn)樣單元至少包括進(jìn)氣管道、設(shè)置在進(jìn)氣管道入口的濾網(wǎng)、及控制進(jìn)氣管道進(jìn)氣速度的氣閥，其中氣閥、流速計(jì)、數(shù)據(jù)采集與控制單元構(gòu)成實(shí)現(xiàn)氣流流速控制的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。