[發明專利]一種沙塵氣溶膠湍流通量測量系統及其測量方法

在審

• 申請號: 201811587663.2
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109632716A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 鞠婷婷;張宏昇;任燕;康凌;蔡旭輝;宋宇;高迎鵬;王鵬飛
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種沙塵氣溶膠湍流通量的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括：消光系數測量儀、沙塵測量儀和超聲風溫儀；其中，消光系數測量儀包括發射器和接收器，發射器的光源采用白光光源，在白光光源前安裝周期轉動的遮光器；提高消光系數測量儀的采樣頻率f，f為1～10HZ，遮光器的頻率亦為f，即在一個采樣點，光源沒有被遮擋，在下一個采樣點，光源被遮擋，分別得到不遮光的散射消光系數和遮光的散射消光系數，取二者的差，起到實時校準的目的，從而得到消除外界光源影響的高頻的氣溶膠的散射消光系數，然后得到瞬時的能見度脈動；通過沙塵測量儀得到沙塵氣溶膠的質量濃度，依據沙塵氣溶膠的質量濃度與能見度之間存在近似的冪指數關系，利用瞬時的能見度脈動得到沙塵氣溶膠的質量濃度脈動C′，結合超聲風溫儀測量得到垂直速度脈動w′，得到沙塵氣溶膠湍流通量F。

2.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于，所述遮光器連接至控制器，通過控制器控制遮光器轉動的周期。

3.如權利要求2所述的測量系統，其特征在于，所述控制器采用電磁閥。

4.一種如權利要求1所述的沙塵氣溶膠湍流通量系統的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟：

1)發射器的光源采用白光光源，在白光光源前安裝周期轉動的遮光器，提高消光系數測量儀的采樣頻率f，遮光器的頻率為f，即在一個采樣點，光源被遮擋，下一個采樣點，光源沒有被遮擋，在第2i和第2i-1個采樣點，分別得到不遮光的散射消光系數b_spi1和遮光的散射消光系數b_spi0，二者做差，得到高頻的氣溶膠的散射消光系數b_spi＝b_spi1-b_spi0，i＝1，2，3，……，N/2，N為采樣個數，為偶數，b_spi為第2i個采樣點的氣溶膠的散射消光系數；

2)對高頻的氣溶膠的散射消光系數b_sp做雷諾分解，得到氣溶膠的散射消光系數脈動：氣溶膠的散射消光系數在一段時間的均值；

3)以氣溶膠的散射消光系數作為大氣總的消光系數，得到第2i個采樣點的能見度v_i：

v_i＝3.912/b_spi

得到第2i個采樣點的能見度脈動為能見度在一段時間的均值；

4)將氣溶膠的散射消光系數脈動和能見度脈動做頻譜分析，利用傅里葉變換得到消光系數譜S_b(n)和能見度譜S_v(n)；

5)根據湍流科爾莫戈羅夫理論，氣溶膠的散射消光系數和能見度作為標量，其譜函數S_b(n)和S_v(n)與頻率n之間在慣性副區滿足-2/3冪次關系，并且在譜圖上譜線上翹處即為噪聲信號，從而得到噪聲信號所在頻率n；

6)根據傅里葉變換關系，將低于頻率n的數據重構，得到處理后的氣溶膠的散射消光系數脈動和能見度脈動，自此得到的數據就是去掉噪聲的真實的高頻的能見度脈動V′；

7)沙塵測量儀測得沙塵氣溶膠的質量濃度在一段時間的均值在強沙塵的條件下，沙塵氣溶膠的質量濃度與能見度之間存在近似的冪指數關系：

其中，為真實的高頻的能見度在一段時間的均值，a和b均為一次強沙塵事件的擬合系數，根據上式通過非線性擬合得到擬合系數a和b；

8)通過真實的高頻的能見度脈動V′得到沙塵氣溶膠的質量濃度脈動C′：

9)通過超聲風溫儀測量得到垂直速度脈動w′；

10)利用渦動相關法，通過沙塵氣溶膠的質量濃度脈動C′和垂直速度脈動w′，得到沙塵氣溶膠湍流通量F：

5.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，在步驟1)中，氣溶膠的散射消光系數的采樣頻率f為1～10HZ。

6.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，采樣個數N與采樣頻率f有關，其范圍為1200f～3600f。