【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于大气环境测量，具体涉及一种大气颗粒物前向散射测量分析方法及装置。
技术介绍
1、气溶胶是由悬浮在大气中的气体和固体液体颗粒组成的胶体。粒径范围为0.001-10微米。雾滴是由悬浮在地面附近的气溶胶活化形成的，直径从几微米到几十微米不等。随着雾滴和环境湿度的增加，雾滴对可见光的散射大大增加，导致雾天的能见度降低。雾与霾是不同的天气现象，但它们往往同时发生，具有相互转化的关系，因此通常被称为“雾霾天气”。雾霾或雾的发生不仅会导致能见度下降，而且由于气溶胶/雾颗粒成分复杂，有害物质含量高，对人体健康构成严重威胁。因此，获得气溶胶/雾的尺寸分布非常重要。
2、由于雾滴和气溶胶的尺寸分布不同，几乎所有的气溶胶/雾粒径分布检测都是由不同的仪器单独进行的。对于雾滴尺寸分布的仪器测量会改变颗粒的真实状态和温度、湿度等大气环境。对于气溶胶粒径分布无法检测到较大的颗粒，粒度检测范围小，无法连续测量。在研究大气环境中雾霾粒子的粒子谱分布和微物理参数时，探测这些粒子在开放环境中的特性变得至关重要。然而，国内外尚未有能够有效探测这一场景下雾霾粒子谱分布的产品。尽管有一些技术从理论上可以实现此种场景的探测，但是都普遍存在系统复杂、算法复杂的问题。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供了一种大气颗粒物前向散射测量分析方法及装置，能够实现大气中雾霾气溶胶、雾滴谱及气溶胶粒径谱分布的高精度探测，且探测粒径范围宽、覆盖面广、探测精度高、环境适应性强。
2、本专利技术
3、本专利技术公开了一种大气颗粒物前向散射测量分析方法，包括：
4、s1：发射包含紫外光束和短波近红外光束的准直光束，经大气中的颗粒物散射后，分别接收侧向散射光和若干角度的前向散射光的光信号；
5、s2：将s1得到的光信号转换为电信号，利用所述紫外光束和所述短波近红外光束，结合侧向散射光和若干角度的前向散射光的散射信息和消光信息，以三参数伽马分布函数为基本模型，利用反演算法描述各类型的粒子谱分布。
6、优选地，s1中，所述紫外光束的波长为405nm，所述短波近红外光束的波长为1064nm。
7、优选地，s1中，前向散射光的角度为1°、1.5°、2°、2.5°、3°、3.5°、4°、4.5°、5°、5.5°、6°和6.5°；侧向散射光的角度为35°。
8、进一步优选地，s2中，所述三参数伽马分布函数表示为：
9、n(r)＝n0rμexp(-κr)
10、式中，n(r)为数浓度分布，r为粒子半径，n0为定义分布的参数，κ与μ为粒子谱形状分布参数；
11、用参数κ与μ建立目标方程将上式表示为：
12、
13、式中，reff为粒子群有效半径，ε为滴谱宽度。
14、进一步优选地，所述粒子群有效半径reff的求解方法为：任意一个角度前向散射光的电信号与侧向散射光的比值为rλ_θ，利用rλ_θ与粒子群有效半径reff的波峰前的稳定线性关系求得。
15、进一步优选地，系数n0(λ_θ)通过以下方法得到：取气溶胶谱的滴谱宽度的范围为0.1～1.2和0.4～2.0，雾滴谱的滴谱宽度的范围值为0.4～2.0，以0.01的步长取这两个范围内的谱宽，得到k个ε值，记为谱宽(ε1,ε2,...,εk)；
16、计算相对应通道的系数n0(λ_θ)：
17、
18、其中，βλ_θ由下式计算得到：
19、
20、式中，β(m,r,θ,λ)是粒径为r的粒子在入射波长为λ、复折射率为m、散射角为θ时的散射系数；qext(r,m,λ)是粒径为θ的粒子，在入射波长为λ、复折射率为m时的消光效率因子；p(m,r,θ,λ)是粒子散射相函数；p0为100mw。
21、进一步优选地，宽度ε通过以下方法得到：将粒子群有效半径reff、谱宽(ε1,ε2,...,εk)和系数n0(λ_θ)代入公式n(r)＝n0rμexp(-κr)，得到某个通道反演的粒径谱n"(r)，然后计算散射系数β'λ_θ，并与最初测得的对比，取误差最小时的滴谱宽度ε。
22、进一步优选地，描述各类型的粒子谱分布具体为：将所有通道分布叠加最终得到全粒径范围的完整谱分布n"(r)如下式：
23、
24、本专利技术公开的一种实现上述大气颗粒物前向散射测量分析方法的装置，包括光源发射装置和光信号接收装置；光源发射装置上开设有出射光孔，光信号接收装置上开设有入射光孔；光源发射装置发射包含紫外光束和短波近红外光束的准直光束，由所述出射光孔进入大气空间，经大气中的颗粒物散射后，由所述入射光孔进入光信号接收装置；
25、光信号接收装置包括侧向光测量分析组件和前向光测量分析组件；侧向光测量分析组件包括依次设在侧向光光路上的第一滤波片、第一透镜、第一焦面和第一探测器；前向光测量分析组件包括依次设在前向光光路上的第二滤波片、第二透镜、角度光处理器、第二焦面和第二探测器。
26、优选地，角度光处理器的偏振方向与0°正交。
27、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
28、本专利技术公开的大气颗粒物前向散射测量分析方法，利用三参数伽马分布中有效半径的定义与伽马分布的其他参数之间的明确解析关系式，将粒子谱的求解问题转化为求解目标方程组的问题。相较于现有技术，本专利技术的反演算法具有以下优点：首先，通过利用伽马分布中有效半径的定义与其他参数的关系，大大减少了所需求解的参数数量，简化了反演过程；其次，采用目标方程组的求解方法，使得算法更加直观、高效，降低了算法复杂性。
29、本专利技术公开的实现上述大气颗粒物前向散射测量分析方法的装置，包括光源发射装置和光信号接收装置两部分。光信号接收装置包括侧向光测量分析组件和前向光测量分析组件。值得注意的是，前向光测量分析组件仅利用cmos相机即可接收到12个角度的光信号，这一特性使得本系统具有简单、占地面积小、成品易携带的优势，进而使得操作和维护更加容易，同时极大地降低了系统的复杂性。
30、进一步地，角度光处理器的偏振方向与0°正交，能够减弱0°的光强，而其它角度的光线受到较少影响，提高测量精度。
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1.一种大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，S1中，所述紫外光束的波长为405nm，所述短波近红外光束的波长为1064nm。
3.根据权利要求1所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，S1中，前向散射光的角度为1°、1.5°、2°、2.5°、3°、3.5°、4°、4.5°、5°、5.5°、6°和6.5°；侧向散射光的角度为35°。
4.根据权利要求3所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，S2中，所述三参数伽马分布函数表示为：
5.根据权利要求4所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，所述粒子群有效半径reff的求解方法为：任意一个角度前向散射光的电信号与侧向散射光的比值为Rλ_θ，利用Rλ_θ与粒子群有效半径reff的波峰前的稳定线性关系求得。
6.根据权利要求5所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，系数n0(λ_θ)通过以下方法得到：取气溶胶谱的滴谱宽度的范围为0.1～1.2和0.4～2.0，
7.根据权利要求6所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，宽度ε通过以下方法得到：将粒子群有效半径reff、谱宽(ε1,ε2,...,εk)和系数n0(λ_θ)代入公式n(r)＝n0rμexp(-κr)，得到某个通道反演的粒径谱n"(r)，然后计算散射系数β'λ_θ，并与最初测得的对比，取误差最小时的滴谱宽度ε。
8.根据权利要求7所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，描述各类型的粒子谱分布具体为：将所有通道分布叠加最终得到全粒径范围的完整谱分布n"(r)如下式：
9.一种实现权利要求1～8任意一项所述大气颗粒物前向散射测量分析方法的装置，其特征在于，包括光源发射装置(1)和光信号接收装置(2)；光源发射装置(1)上开设有出射光孔，光信号接收装置(2)上开设有入射光孔；光源发射装置(1)发射包含紫外光束和短波近红外光束的准直光束，由所述出射光孔进入大气空间，经大气中的颗粒物散射后，由所述入射光孔进入光信号接收装置(2)；
10.根据权利要求9所述的大气颗粒物前向散射测量分析装置，其特征在于，角度光处理器(2-2-3)的偏振方向与0°正交。
...【技术特征摘要】
1.一种大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，s1中，所述紫外光束的波长为405nm，所述短波近红外光束的波长为1064nm。
3.根据权利要求1所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，s1中，前向散射光的角度为1°、1.5°、2°、2.5°、3°、3.5°、4°、4.5°、5°、5.5°、6°和6.5°；侧向散射光的角度为35°。
4.根据权利要求3所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，s2中，所述三参数伽马分布函数表示为：
5.根据权利要求4所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，所述粒子群有效半径reff的求解方法为：任意一个角度前向散射光的电信号与侧向散射光的比值为rλ_θ，利用rλ_θ与粒子群有效半径reff的波峰前的稳定线性关系求得。
6.根据权利要求5所述的大气颗粒物前向散射测量分析方法，其特征在于，系数n0(λ_θ)通过以下方法得到：取气溶胶谱的滴谱宽度的范围为0.1～1.2和0.4～2.0，雾滴谱的滴谱宽度的范围值为0.4～2.0，以0.01的步长取这两个范围内的谱宽，得...
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