[发明专利]探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪及探测方法

权利要求书

1.探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，包括光源(1)、光路控制器、光能量接收器和光谱分析器四部分；

其中，光路控制器包括第一离轴反射式望远镜(4)，所述第一离轴反射式望远镜(4)用于接收光源(1)发出的光束，并将光束调整为准直光后发出；

所述光能量接收器包括第二离轴反射式望远镜(10)，所述第二离轴反射式望远镜(10)用于接收到第一离轴反射式望远镜(4)发射的准直光，并将其汇聚至第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上；

所述光源(1)上连接有第一光纤(2)，所述第一光纤(2)的一端与光源(1)连接，所述第一光纤(2)的另一端与第一离轴反射式望远镜(4)的焦面相接，所述第一光纤(2)上配设有可调光纤衰减器(3)，所述可调光纤衰减器(3)的端面位于第一离轴反射式望远镜(4)的焦面上；

所述光谱分析器包括第一光谱仪(12)和第二光谱仪(9)，所述第一光谱仪(12)用于接收第二离轴反射式望远镜(10)在0°视场的光并对其进行分析，所述第二光谱仪(9)也用于第二离轴反射式望远镜(10)在1°视场的光并对其进行分析。

2.根据权利要求1所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述光路控制器还包括可变光阑(5)和两个固定光阑(8)，所述可变光阑(5)沿着第一离轴反射式望远镜(4)发出的准直光的光路设置；两个所述固定光阑(8)均位于第二离轴反射式望远镜(10)接收的准直光的光路上。

3.根据权利要求2所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述光路控制器还包括第一反射镜(6)和第二反射镜(7)，所述第一反射镜(6)与第二反射镜(7)的距离为500mm，所述第一反射镜(6)与第二反射镜(7)的中心高度差为30mm，所述第一反射镜(6)位于靠近第二离轴反射式望远镜(10)处，所述第一反射镜(6)的法线与经过可变光阑(5)后的准直光光路的夹角为1°，所述第二反射镜(7)位于靠近第一离轴反射式望远镜(4)处，所述第二反射镜(7)的法线与经过可变光阑(5)后的准直光光路垂直。

4.根据权利要求1所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述第一离轴反射式望远镜(4)包括次镜(4-1)和主镜(4-2)所述主镜(4-2)位于次镜(4-1)的斜上方，所述次镜(4-1)和主镜(4-2)的横向距离为233mm，所述次镜(4-1)和主镜(4-2)的中心高度差为20mm，所述次镜(4-1)是曲率为-300mm的非球面镜，所述主镜(4-2)是曲率为-666.5mm的非球面镜。

5.根据权利要求1所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测仪，其特征在于，所述第一光谱仪(12)上连接有第二光纤(11)，所述第二光纤(11)的一端与第一光谱仪(12)连接，所述第二光纤(11)的另一端位于第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上；

所述第二光谱仪(9)上连接有第三光纤(13)，所述第三光纤(13)的一端与第二光谱仪(9)连接，所述第三光纤(13)的另一端位于第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上。

6.探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：

步骤1，使用光源(1)发射出紫外到近红外的连续光谱的光束；

步骤2，使用可调光纤衰减器(3)调节光束的能量，通过第一光纤(2)将光束投射至第一离轴反射式望远镜(4)的焦面上，第一离轴反射式望远镜(4)将光束调整为准直光后将其发出；

步骤3，第一离轴反射式望远镜(4)发出的准直光穿过可变光栅(5)后投射至第一反射镜(6)，准直光在第一反射镜(6)和第二反射镜(7)间进行多次反射后依次穿过两个固定光栅(8)投射至第二离轴反射式望远镜(10)上；

步骤4，第二离轴反射式望远镜(10)将准直光汇聚在第二离轴反射式望远镜(10)的焦面上后，通过第二光纤(11)将0°视场的光传送至第一光谱仪(12)，同时通过第三光纤(13)将1°视场的光传送至第二光谱仪(9)中；

步骤5，根据第一光谱仪(12)接收到的0°视场的光和第二光谱仪(9)接收到的1°视场的光得到气溶胶的粒径谱分布信息。

7.根据权利要求6所述的探测大气中雾滴和气溶胶粒径谱分布的探测方法，其特征在于，所述步骤5中按照步骤得到气溶胶的粒径谱分布信息：

步骤5.1，根据第一光谱仪(12)接收到的0°视场的光得到不同波长处的消光系数α_λ1,α_λ2...α_λn；根据第二光谱仪(9)接收到的1°视场的光得到前向散射系数β_λ1,β_λ2...β_λn；

其中，为0°视场的光在不同波长处的光能量值，为1°视场的光在不同波长处的光能量值，C_k为0°视场的光不同波长处的系统常数，光源(1)发出的光束在不同波长处的能量，其中k∈(1,2,3,.....,n)，L为探测的距离；

步骤5.2，根据所述不同波长处的消光系数α_λ得到气溶胶的粒径谱分布n(r)：

其中，

Q(r,λ_k)表示气溶胶的消光效率，P(r,λ_k,θ)表示气溶胶的向前散射相函数，θ表示散射角度。