气溶胶散射相函数观测装置及观测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种气溶胶散射相函数观测装置及观测方法，该装置采用激光器作为光源，发射激光光束照射待测环境中的大气和气溶胶，并采用成像设备作为接收端，采集激光光束照射大气和气溶胶后产生的散射光，继而形成灰度图像，通过对所述灰度图像进行处理，以计算出气溶胶散射光序列，利用气溶胶散射相函数满足归一化的特性，便可反演计算出气溶胶散射相函数。本发明专利技术所提出的溶胶散射相函数观测方法不同于现有技术，灵敏度高，实时性强，装置结构简单，成本低，可广泛应用于气溶胶观测装置中，如气溶胶激光雷达、大气能见度仪、气溶胶粒谱仪等，以提供数据对比和数据参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体检测
，具体地说，是涉及一种用于检测大气环境中的气溶胶的装置和方法。
技术介绍
大气气溶胶是气体和重力场中具有一定稳定性的、沉降速度小的粒子的混合系统，同时也指悬浮在大气中直径在0.001～100μm之间的尘埃、烟粒、微生物以及由水和冰组成的云雾、冰晶等固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶作为地气系统重要的组成部分，是气候效应中的重要影响因子，不仅直接影响地气系统辐射能的收支状况，而且还可以通过改变大气中云的寿命间接影响气候。同时，大气气溶胶的散射、吸收等光学特性和气溶胶的时、空分布特性研究更是当今国际科技界气候效应和环境效应研究中的热门课题。气溶胶散射相函数是气溶胶粒子散射光能量随散射角变化的归一化函数，是研究气溶胶光学特性的重要参数，通过研究气溶胶散射相函数可以进一步确定出气溶胶的类型(如沙尘型、海洋型或化学燃料燃烧型等)、反演气溶胶谱分布和复折射率等光学参数。研究这些参数有利于了解环境中的气溶胶，进而有针对性地防治气溶胶污染。经过长期的理论研究，球形粒子散射相函数可以采用瑞利散射和米散射理论计算,而非球形粒子可使用M.I.Mishchenko提出的T矩阵等方法计算。现有的这些理论计算需要预先假设气溶胶粒形、粒子谱分布、复折射率和相对湿度等参数，但是这些参数会随时间、地点的变化而改变，因此无法获取真实环境中的气溶胶散射相函数。目前，实验观测法是获取真实环境中的气溶胶散射相函数的有效手段。通过
实验法得到气溶胶散射相函数的方式也有多种，例如遥感方式和采样观测法等。其中，遥感方式采用太阳辐射计反演气溶胶日-地之间整层大气的散射相函数，但是无法实现实时实地的观测。与遥感相比，采样观测法可以对大气环境进行实时实地的测量，并且依照观测功能的不同可以分为三部分：发射端、接收端和数据采集与处理部分。其中，发射端用于发射光源，照射大气环境中的气溶胶粒子团。接收端用于接收光源在照射到大气分子和气溶胶后产生的光学散射，通常采用光电二极管作为探测器接收散射光，并根据接收到的光线强弱生成不同的电流信号，传输至数据采集与处理部分，以形成气溶胶散射相函数。目前，根据探测器的使用个数和布设方式不同，将测量方式分为以下三种：单探测器扫描法，其采用将测量探测器安装在半圆形导轨上，沿着导轨移动扫描，接收来自圆心处气溶胶粒子团在各个角度上产生的散射光。这种单探测器扫描法需要的测量时间比较长，约数分钟，对于较快的气溶胶变化过程，反应不够灵敏，因此，实时性不强。多探测器分布采样法，其将多个探测器排布在圆弧周围，接收来自圆弧中心处的气溶胶粒子团在各个角度上产生的散射光。此测量方法可有效减少采集数据的时间，可实现实时测量，但角分辨率与探测器数目相关，探测器太少，角分辨率不高；探测器太多，会导致成本和测控复杂度的升高。椭圆镜面与阵列探测器组合法，其利用了椭圆镜面的光学性质，从椭圆镜面的一个焦点发出光线，与焦点处的气溶胶粒子相互作用产生散射光线，经过椭圆镜面反射后，反射光线交于椭圆镜面的第二个焦点。在第二焦点处设置小孔光阑，在光阑后面布设探测器，接收来自气溶胶粒子各个散射角度的散射光。此方法弥补了前两种测量方式的缺陷，但是从结构上看，采样气溶胶与椭圆镜面距离较近，长时间工作容易污染镜面，此外非球面镜面加工困难，造价高，因此不宜推广。
技术实现思路
本专利技术提出了一种用于观测气溶胶散射相函数的装置和方法，以达到简化硬件结构、降低成本、提高测量实时性的目的。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一方面，本专利技术提出了一种气溶胶散射相函数观测装置，包括样品接收仓、激光器、成像设备和处理单元；所述样品接收仓形成密闭空间，接收待测环境的大气和气溶胶；所述激光器向所述样品接收仓发射激光光束，照射样品接收仓中的大气和气溶胶；所述成像设备采集所述激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成灰度图像；所述处理单元对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列E(θ)，从E(θ)中去除大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Eatm(θ)，从而得到气溶胶的散射光序列Eaer(θ)；利用积分公式计算出常数K，进而得到气溶胶散射相函数Paer(θ)＝2KE(θ)。为了获得更加准确的气溶胶散射相函数，所述处理单元在对所述灰度图像进行处理的过程中，首先从所述灰度图像中去除掉背景图像，从而得到总散射光所对应的灰度图像；然后将所述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相加，将灰度矩阵变为灰度行，从而形成所述总散射光随散射角变化的数据序列E(θ)。为了获得所述总散射光所对应的灰度图像，本专利技术提出以下两种优选获取方式：其一是，选用可调制激光器发射脉冲激光，照射样品接收仓中的大气和气溶胶；所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机，所述处理单元对所述激光器的发光时序进行控制，在控制所述激光器发射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成包含有散射光线的灰度图像；在控制所述激光器停止发射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成背景灰度图像；所述处理单元从所述包含有散射光线的灰度图像中去除所述的背景灰度图像，即进行求差运算，即可得到所述总散射光所对应的灰度图像。其二是，选用可调制激光器发射强度呈正弦波形变化的连续激光光束，照射样品接收仓中的大气和气溶胶；所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机，所
述处理单元对所述激光器发射的激光光束的强度进行控制，并控制所述成像设备在激光器发射不同强度的激光光束时分别进行拍摄，以形成不同强度散射光所对应的不同灰度图像；所述处理单元对多个所述的灰度图像中的灰度矩阵进行傅里叶变换，从展开式中去除掉常量，即可得到所述总散射光所对应的灰度图像。为了尽可能地获得0°-180°范围内的灰度图像，优选采用配置有鱼眼镜头的CCD相机作为所述的成像设备，所述鱼眼镜头的视场角大于170°，所述激光光束在所述鱼眼镜头的视场角范围内的传播方向垂直于所述鱼眼镜头的镜头轴线；所述处理单元在利用所述积分公式计算常数K的过程中，对于超出鱼眼镜头的视场角的气溶胶散射光予以忽略，即，将该部分气溶胶散射光序列Eaer(θ)置为0，继而在保证积分计算要求的前提下，尽量减小计算误差。进一步的，在所述气溶胶散射相函数观测装置中还设置有激光发射仓，所述激光发射仓形成密闭空间，内部安装有消光器和所述的激光器，所述激光发射仓与所述样品接收仓相邻，其邻接面上安装有两个透射镜片；经由所述激光器发射的激光光束通过其中一个所述的透射镜片入射到所述样品接收仓中，并经由安装在样品接收仓中的45°全反射镜改变激光光束的传播方向，使所述激光光束的传播方向垂直于所述成像设备的镜头轴线，然后入射到另外一个45°全反射镜，进而将所述激光光束射向另外一个所述的透射镜片，并经由另外一个所述的透射镜片返回到所述激光发射仓，进而经由所述消光器吸收；其中，两个所述45°全反射镜之间的距离大于所述成像设备所能涉及的视场范围在该距离方向上的跨度。优选的，所述成像设备安装在所述邻接面上，其机身位于所述激光发射仓中，镜头位于所述样品接收仓中，所述镜头到两个所述45°全反射镜之间的距离相等；在两个所述45°全反射镜之间传播的激光光束的传播路径平行于所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，包括：样品接收仓，其形成密闭空间，接收待测环境的大气和气溶胶；激光器，其向所述样品接收仓发射激光光束，照射样品接收仓中的大气和气溶胶；成像设备，其采集所述激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成灰度图像；处理单元，其对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列E(θ)，从E(θ)中去除大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Eatm(θ)，从而得到气溶胶的散射光序列Eaer(θ)；利用积分公式计算出常数K，进而得到气溶胶散射相函数Paer(θ)＝2KE(θ)。

【技术特征摘要】
1.一种气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，包括：样品接收仓，其形成密闭空间，接收待测环境的大气和气溶胶；激光器，其向所述样品接收仓发射激光光束，照射样品接收仓中的大气和气溶胶；成像设备，其采集所述激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成灰度图像；处理单元，其对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列E(θ)，从E(θ)中去除大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Eatm(θ)，从而得到气溶胶的散射光序列Eaer(θ)；利用积分公式计算出常数K，进而得到气溶胶散射相函数Paer(θ)＝2KE(θ)。2.根据权利要求1所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，所述处理单元在对所述灰度图像进行处理的过程中，首先从所述灰度图像中去除掉背景图像，从而得到总散射光所对应的灰度图像；然后将所述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相加，将灰度矩阵变为灰度行，从而形成所述总散射光随散射角变化的数据序列E(θ)。3.根据权利要求2所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，所述激光器为可调制激光器，发射脉冲激光；所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机；所述处理单元对所述激光器的发光时序进行控制，在控制所述激光器发射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成包含有散射光线的灰度图像；在控制所述激光器停止发射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成背景灰度图像；所述处理单元从所述包含有散射光线的灰度图像中去除所述的背景灰度图像，即得到所述总散射光所对应的灰度图像。4.根据权利要求2所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，所述激光器为可调制激光器，发射强度呈正弦波形变化的连续激光光束；所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机；所述处理单元对所述激光器发射的激光光束的强度进行控制，并控制所述成像设备在激光器发射不同强度的激光光束时分别进行拍摄，以形成不同强度散射光所对应的不同灰度图像；所述处理单元对多个所述的灰度图像中的灰度矩阵进行傅里叶变换，从展开式中去除掉常量，以得到所述总散射光所对应的灰度图像。5.根据权利要求3或4所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，所述成像设备为配置有鱼眼镜头的CCD相机，所述鱼眼镜头的视场角大于170°；所述激光光束在所述鱼眼镜头的视场角范围内的传播方向垂直于所述鱼眼镜头的镜头轴线；所述处理单元在利用所述积分公式计算常数K的过程中，对于超出鱼眼镜头的视场角的气溶胶散射光序列Eaer(θ)置为0。6.根据权利要求1至4中任一项所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，还包括：激光发射仓，其形成密闭空间，内部安装有消光器和所述的激光器，所述激光发射仓与所述样品接收仓相邻，其邻接面上安装有两个透射镜片；经由所述激光器发...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥谦，王章军，刘兴涛，陈超，李先欣，曲君乐，刘巧君，吴承璇，王秀芬，董磊，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37