[发明专利]利用镀膜玻璃管测量大气气溶胶消光系数的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及气溶胶消光系数测量领域，具体涉及一种直接测量大气气溶胶消光系数的新方法，它可以实时测量多个波长的大气气溶胶消光系数。

背景技术

大气气溶胶是大气的重要组成部分，是大气物理化学过程中的一个重要因素，大气气溶胶对气候变化有重要的直接和间接的影响，通过气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射，直接改变地-气系统的能量收支。建立在大气光散射基础上，测量气溶胶光学特性特别是不同波长上的消光系数以及建立波长转换关系，能够加深对气溶胶光学特性的了解，拓展激光在大气中的辐射传输研究，更为准确的评估大气气溶胶的辐射强迫与气候影响，具有重要的学术意义和潜在的应用价值。

测量气溶胶消光系数的方法大体上可以分为如下几种，1，前向探测法：一端主动发射激光光源，在一定距离上（50m~2000m）的另一端接受透射光，透射光和入射光的比值就是透过率进而转化为消光系数，2后向探测法：激光雷达等属于主动探测法，测量气溶胶的后向散射信号反演得到消光系数，3侧向探测法：能见度仪就是测量探测法，测量气溶胶的侧向（33°）散射信号反演得到消光系数，4反射法：通过某一物体对自然光的反射以及周边物体的对比度也可以反演消光系数。以上这些方法都有一定的局限性，例如：前向探测方法需要一定的测量距离（光程），而后向和侧向以及反射法都是反演法，不是直接测量，另外上述的方法一般都是测量某一波长的消光系数。很多波长上的消光系数也只能靠模式推导得到^[7]，因此研究气溶胶在不同波长上的消光系数是很有意义的。

利用镀膜玻璃管测量大气气溶胶消光系数的新方法,克服了上述方法的缺点，其采用直接前向测量的方法，在一米长的玻璃管内可以实现几十米的光传输，达到长程传输的目的，真实反映了光在大气中传输以及与气溶胶的相互作用。使用半导体激光器作为入射光光源，波长可选532nm、635 nm、650 nm、660 nm、808 nm和980 nm，只要市场上有的波长都可以选用，也可以是连续激光光源，这些优势将极大的拓展气溶胶的消光研究及其应用领域。

发明内容

本发明的目的在于针对现有大气气溶胶消光系数测量技术的不足，提供一种结构巧妙、精度高和实时测量的新方法。该方法可以有效测量多种波长上的大气气溶胶消光系数；该方法具有原理简单、操作方便、检测灵敏度高等特点。

本发明采用的技术方案是：

利用镀膜玻璃管测量大气气溶胶消光系数的新方法，其特征在于：包括玻璃管，所述的玻璃管内外壁镀有高反射膜，设有气溶胶入口、出口和光束入口、出口，所述气溶胶入口、出口分别位于玻璃管的两端且均垂直于玻璃管，气溶胶入口设有气阀，气溶胶出口设有抽气泵，所述光束入口、出口分别位于玻璃管的两端且均与玻璃管成一定角度的夹角，光束入口设有多个波长的激光二极管作为光源，激光二极管与光束入口之间的光路上设有平行光管、分光镜，激光二极管发射出的光束经过平行光管使光束准直，再通过分光镜产生两束光束质量完全相同的准直光束，分别作为参考光和入射光，所述的参考光全部能量进入光电探测器一，转化为对应的电信号，光束出口设有光电探测器二，所述的入射光在玻璃管内进行反射后进入光电探测器二，光电探测器一、光电探测器二的电信号输出端接入AD转换器的单片机，单片机还控制连接激光二极管、气阀、抽气泵，单片机通过连接的USB接口连接计算机；具体测量过程包括以下步骤：

（1）在玻璃管的气溶胶入口装上过滤器，让波长为λ的入射光以某一角度进入玻璃管，通过没有气溶胶的干净大气传输，并记录光电探测器二检测的入射光在玻璃管中无气溶胶粒子时的电信号为i₂(λ)，同时波长为λ的参考光直接进入光电探测器一，记录光电探测器一检测的波长λ对应的电信号为i₁(λ)；

（2）拿掉玻璃管的气溶胶入口的过滤器，让气溶胶均匀进入玻璃管内，开启玻璃管的气溶胶出口的抽气泵，用抽气泵进行抽气使气溶胶粒子在玻璃管内均匀流动，让波长为λ的入射光以某一角度进入玻璃管，穿过待测大气气溶胶，气溶胶粒子的散射光光强微弱，经玻璃管内壁反射被消耗掉，气溶胶粒子的吸收转化为分子热运动，入射光被气溶胶粒子散射和吸收后到达光电探测器二转化为相应的电信号，记录此时光电探测器二检测的电信号为i₃(λ)；

（3）步骤（1）、（2）中，光电探测器一、光电探测器二中检测到的电信号分别转化为数字信号并经过单片机处理后接入计算机，计算机内部软件建立了不同波长的气溶胶消光系数测量公式：