自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法，该装置主要由气体预处理单元、光源单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元与数据处理单元组成。本发明专利技术除测量散射角由机械伺服控制外，其余元件参数全部实现电调，测量速度显著提升，光学元器件全部固化，测量过程不涉及元器件的增加或减少，测量程序大大简化，可为辐射传输模拟提供准确的自然大气气溶胶散射参数，也为大气海洋遥感、气候学研究提供准确的基础实验数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气象观测领域，涉及一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法。
技术介绍
气溶胶的光散射特性是影响辐射传输过程的重要因素。一方面，气溶胶散射特性的变化可改变地球大气系统的行星反照率，是影响地气系统能量收支平衡的重要因子，另一方面，气溶胶散射特性的准确描述，是实现辐射传输准确模拟的关键，是实施大气海洋遥感的重要物理基础。穆勒散射矩阵是描述气溶胶散射特性的重要参数，不仅表征了散射能量的空间分布特征，同时也建立起了入射光Stokes矢量与不同角度散射光Stokes矢量的转换关系，是矢量辐射传输模式的核心参数之一。长期以来穆勒散射矩阵是通过Mie散射理论模拟的，但由于实际气溶胶形状复杂多样，Mie理论在侧后向散射角的模拟误差极为显著；为解决非球形气溶胶粒子散射特性模拟，目前也发展许多非球形散射理论，如T矩阵法，DDA及FDTD等，但实际实验结果发现，这些模型的模拟结果也存在一定程度的不确定性，同时由于真实大气气溶胶粒子的复折射率、尺度谱、粒子形状及取向等微物理参数是未知的，导致这些散射理论的实际应用受限。针对以上问题，逐步发展了气溶胶穆勒散射矩阵测量技术，基本测量原理是利用步进电机带动光学探测器，如光电倍增管(PMT)等，在散射主平面上，以有效散射区域为圆心旋转180°或360°对不同散射角上散射光强及其偏振特性进行测量，进而反算穆勒散射矩阵。目前发展的技术体制包括两类：一类是在入射光源和散射光接收端设置偏振片和1/4或1/2波片等元件，通过这些光学元器件的机械旋转，改变光的偏振状态，进而将不同的穆勒矩阵元素调制到散射光强度信号上进行测量，这种体制下，一个散射角的穆勒散射矩阵测量涉及了光学元器件多次组合机械旋转，因此整个过程耗时相对较长，无法监视气溶胶散射特性的快速变化，由于机械控制较多，测量精度也相对较低；另一类体制采用的是光电相位调制技术，入射光经过起偏器后，采用光电相位调制器对其进行高频相位调制，将不同穆勒矩阵元素调制到不同频率谐波信号上，在散射光测量端通过偏振片和1/4波片的光轴与散射平面夹角的组合实现不同矩阵元素的筛选，然后通过锁相放大技术实现穆勒矩阵的元素的测量，这种体制部分克服了光学元器件的机械旋转，但为实现穆勒散射矩阵16个元素的测量，需要对部分光学器件手动添加或移除，自动化程度不足，也存在测量周期过长的缺点，同时该体制测量装置主要用于实验样本气溶胶的观测，尚未实现对自然气溶胶穆勒散射矩阵的测量。总体而言，穆勒散射矩阵测量仪器尚处于试验样机阶段，存在自动化程度不足，测量耗时长的缺点，同时测量对象主要针对实验室粒子，针对自然大气气溶胶的观测实验仪器极少，不能满足高精度辐射传输模拟及气候学研究的需求，因此，若能构建并研发全自动的穆勒散射矩阵测量装置，实现自然大气条件下的气溶胶穆勒散射矩阵快速、准确测量，无论是对于大气环境监测、大气辐射传输模拟及其它领域的研究都有应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决自然大气气溶胶穆勒散射矩阵全要素的快速、准确、自动化测量，为辐射传输模拟提供更为精准的散射参数，为大气海洋遥感、气候学研究提供准确的基础实验数据，由此提出了一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置及方法。为达成上述目的，本专利技术的技术方案是：一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其包括用于产生不同偏振状态的入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。所述光源单元包括激光器和入射光偏振调制系统；所述光散射单元包括密封罩、旋转伺服系统、光阱及监视器；所述散射光采集与测量单元包括偏振解调系统、和光子计数器；所述数据采集与控制单元包括CPLD数据采集电路、单片机控制电路、以及光偏振调制及解调系统控制电路；所述数据处理单元为对数据进行后续处理，其中数据处理内容至少包括测量数据的存储、不同散射角穆勒矩阵的反算、矩阵的归一化处理。所述光源单元包括激光器、第一偏振片以及第一、二液晶相位延迟器，其中第一偏振片光轴与水平面夹角为0°，作为入射光的起偏器，第一液晶相位延迟器(LCVR1)的光轴与水平面呈45°夹角，第二液晶相位延迟器(LCVR2)的光轴与水平面呈0°，其中第一偏振片和第一、二液晶相位延迟器构成了入射光的偏振调制系统，激光器出射的激光依次经过第一偏振片、第一液晶相位延迟器和第二液晶相位延迟器射出，通过第一、二液晶相位延迟器的相位延迟量δ1和δ2的组合设置，改变入射光Stokes矢量；光源单元应至少产生四种Stokes矢量互不相关的入射光，且四种光Stokes矢量组成的矩阵条件数小。入射激光功率可根据不同的测量散射角处的散射光强度进行动态调整。所述散射光采集与测量单元包括第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片以及光子计数器，其中第三、第四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中第三液晶相位延迟器(LCVR3)光轴与水平面呈0°夹角，第四液晶相位延迟器(LCVR4)的光轴与水平面呈45°夹角，第二偏振片的光轴与水平面呈0°夹角；在第三液晶相位延迟器LCVR3前端添加一个准直小口或光阑，以用于限制散射光采集与测量单元的接收立体角并抑制杂散光对测量过程的干扰。其中散射光依次通过准直小口、LCVR3、LCVR4和第二偏振片(检偏器)进入光子计数器进行测量；通过偏振调制系统将散射光Stokes矢量的Q，U和V分量调制到I分量上，然后通过设置LCVR3和LCVR4的相位延迟量，对I分量进行四次组合测量，构造线性方程组，实现对散射光Stokes矢量的求解。所述光散射单元包括监视器、旋转伺服系统、光阱及密封罩，其中监视器对气流稳定性进行监视，并用于对散射光测量信号做归一化处理，该监视器放置于散射角30°～40°之间，其前端放置有准直小口或光阑，密封罩主要实现实验测量区域和外界的隔离，防止外界杂散光与大气的干扰，密封罩内部涂黑色涂料来抑制散射光的反射。所述气体预处理单元包括喷嘴、接收管道、气流计及气泵，其中喷嘴的直径小于接收管道口径，且喷嘴与接收管道有一定距离，但不能太大，气体抽样采用出口端气泵抽气的方式进行，以防止气溶胶粒子污染散射区域外的其它区域。所述数据采集与控制系统包括CPLD数据采集电路，单片机控制电路及光偏振调制及解调系统控制电路等部分，主要实现光源功率的调节，液晶相位延迟器的延迟量的调整、旋转伺服系统的控制、光散射数据采集及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于其包括用于产生不同偏振状态入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。

【技术特征摘要】
1.一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于其包括用于产生不同偏振
状态入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散
射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数
据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所
述光源单元包括激光器和入射光偏振调制系统；所述光散射单元包括密封罩、旋转伺服系
统、光阱及监视器；所述散射光采集与测量单元包括偏振解调系统、和光子计数器；所述数
据采集与控制单元包括CPLD数据采集电路、单片机控制电路、以及光偏振调制及解调系统
控制电路；所述数据处理单元为对数据进行后续处理，其中数据处理内容至少包括测量数
据的存储、不同散射角穆勒矩阵的反算、矩阵的归一化处理。
3.根据权利要求2所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所
述光源单元包括激光器、第一偏振片、以及第一、二液晶相位延迟器，其中第一偏振片光轴
与水平面夹角为0°，作为入射光的起偏器，第一液晶相位延迟器的光轴与水平面呈45°夹
角，第二液晶相位延迟器的光轴与水平面呈0°，其中第一偏振片和第一、二液晶相位延迟器
构成了入射光的偏振调制系统，激光器出射的激光依次经过第一偏振片、第一液晶相位延
迟器和第二液晶相位延迟器射出，通过第一、二液晶相位延迟器的相位延迟量δ1和δ2的组合
设置，改变入射光Stokes矢量；光源单元应至少产生四种Stokes矢量互不相关的入射光，且
四种光Stokes矢量组成矩阵的条件数小。
4.根据权利要求3所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所
述散射光采集与测量单元包括第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片以及光子计数器，其中
第三、四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中第三液晶相位延
迟器光轴与水平面呈0°夹角，第四液晶相位延迟器的光轴与水平面呈45°夹角，第二偏振片
的光轴与水平面呈0°角；在第三液晶相位延迟器前端设有准直小口或光阑；散射光依次经
过准直小口，第三、四液晶相位延迟器和第二偏振片进入光子计数器进行测量。
5.根据权利要求2所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所
述监视器对气流稳定性进行监视，并对散射光测量信号做归一化处理，该监视器放置于散
射角30°～40°之间，其前端放置有准直小口或光阑，密封罩内部涂有黑色涂料。
6.根据权利要求1所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于：所
述气体预处理单元包括喷嘴、接收管道、气流计及气泵，其中喷嘴的直径小于接收管道口
径，且喷嘴与接收管道之间有一距离，气体抽样采用出口端气泵抽气的方式进行。
7.一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量方法，其特征在于其包括以下步骤：
(1)实验装置初始化步骤：对激光器、光子计...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡帅，高太长，李浩，翟东力，刘磊，程天际，陈鸣，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32