（光学专业论文）大气气溶胶粒子光吸收系数测量系统的研制.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 学科专业： 论文题目： 导师： 作者： 摘要 光学 气溶胶粒子光吸收系数测量系统的研制 王俊波教授杨小丽副教授 罗九强 f 大气气溶胶粒子的存在直接影响了光在大气中的传播，造成光在大气中的 衰减。大气中气溶胶粒子对光的吸收特性是影响激光束传播的主要因素之一， 同时，气溶胶对光的吸收对环境和气候均有很大的影响，因此对气溶胶粒子光 吸收吸数的测量有着重大的实际意义。为满足大气中强激光传播研究的需要， 我们特地研制了光吸收系数测量系统。卜了一 本涣4 量系统利用核孔过滤膜采集气溶胶粒子，测量系统的光路由同一光 束分为两路光组成，一路为信号光，通过光管传输，另一路为参考光，通过 信号光和参考光相比很好地消除了测量系统中由于光管损耗、电路放大倍数 的差异及光功率起伏等因素所引入的误差对吸收系数测量的影响。对光管进 行部分镀高反膜尽可能消除散射光对光吸收系数测量的影响，从而提高了系 统的精度。 本系统的具体研制工作包括光管的设计和加工、光学部件的设计和加工、 前置放大电路的设计和制作、怕转换及采集程序的编写、用三次样条插值 进行数据处理及数据处理算法的设计和程序的实现。 关键词：吸收系数散射系数气溶胶核孔过滤膜 电子科技大学硕士论文英文摘要 a b s t ra c t s u b j e c t ：o p t i c s t i t l e ：n e s t u d yo fm e a r s u r e m e n ts y s t e mo fl i g h ta b s o r p t i o n c o e f f i c i e n to fa e r o s o lp a r t i c l e si na t m o s p h e r e t u t o r ：w a n gj u n b op r o f e s s o r y a n gx i a o l iv i c ep r o f e s s o r a u t h o r ：l u o j i u q i a n g t h ep r e s e n c eo fa t m o s p h e r i ca e r o s o lp a r t i c l e s d i r e c t l ya f f e c t st h e p r o p a g a t i o n o f l i g h t i n a t m o s p h e r e ，c a u s i n gl i g h td e g r a d a t i o n t h e a b s o r p t i o n o fa e r o s o l si s am a i nf a c t o rw h i c ha f f e c tl a s e rb e a m p r o p a g a t i o n i na i r t h ea e r o s o l s a b s o r p t i o nh a sm u c he f f c c t o nb o t h c l i m a t ea n de n v i r o n m e n t s oi ti sv e r ym e a n f u li nr e a l i t yt om e a s u r et h e c o e f f i c i e n to f l i g h ta b s o r p t i o nb ya e r o s o lp a r t i c l e s w em a d es p e c i a l yt h e l i g h ta b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r m e n ts y s t e mi no r d e rt os a t i s f yt h e s t u d y o f h i g hp o w e r l a s e r p r o p a g a t i o n i na t m o s p h e r e w em a d et h e l i g h ta b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m w i t h n u c l e p o r ef i l t e rw h i c hw e r eu s e dt oc o l l e c t e da e r o s o lp a r t i c l e st h e s y s t e mh a so n el a s e rb e a mw h i c hi ss p l f fi n t ot w ol a s e rb e a m o n eb e i n g i n f o r m a t i o n l i g h t w h i c ht r a n s f e r t h r o u g hg l a s sp i p e ，t h eo t h e rb e i n g r e f e r e n c e l i g h t w h i c ht r a n s f e r d i r e c t l yt h r o u g ha t m o s p h e r e s o t h e m e a s u r e m e n ts y s t e mc o u l dw e l le l i m i n a t et h ee f f e c to fa l l k i n d so f m e a s u r e m e n te r r o r sw h i c hw e r ec a u s e db yo p t i c a l u l l a g ea n dc i r c u i t n o i s e sa n dp o w e rf l u c t i o n t h es y s t e ma l s oc o u l dd e c r e a s et h ee f f e c to f s c a t t e r i n gl i g h to na b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n tb y p a r t l yp l a t i n g h i g h l yr e f l e c t i v em e m b r a n e ，s ot h a tw ec a n i m p r o v et h ep r e c i s i o no f t h e s y s t e m 电子科技大学硕士论文 英文摘要 t h ed e t a i lw o r k so ft h es y s t e mt r i t u r ei n c l u d et h ed e s i g n i n ga n d m a k i n g o ft h e o p t i c a lp i p e a n d c o m p o n e n t ，t h ed e s i g n i n g a n d m a n u f a c t u r i n go f t h ea m p l i f y i n gc i r c u i t ，t h em a k i n go fa dc o n v e r t i n g a n ds a m p l i n g p r o g r a m ，t h ep r o g r a m m i n g o fd a t a p r o c e s sp r o c e d u r e k e y w o r d s ： a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ，a e r o s o l ， n u c l e p o r e f i l t e r 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 本课题的意义及目的： 第一章引言 1 1 1 本课题的意义： 大气气溶胶是指在地球大气中以固态、液态、溶胶态悬浮于大气中的尺度 介于00 1 1 0 0 微米之间的粒子。大气气溶胶的存在直接影响光在大气中的传 播，产生消光作用，即造成光在大气原传播方向上的衰减，这种衰减一般包 括散射和吸收两个方面，其中大气中气溶胶粒子对光的吸收对高能激光在大 气中的传播可导致光束热晕效应的发生。 气溶胶微粒对光的吸收影响了辐射流在大气中的转换，造成能见度的下 降，影响了地区和全球的辐射平衡，是影响全球气候变化的原因之一( l u k a c ， 1 9 9 4 ) ，在气象学方面，对小尺度而言，气溶胶刖是造成非下雨日地区性能见 度降低的主要原因。描述气溶胶与光相互作用强弱的一个物理量是气溶胶粒 子对给定波长光波的消光系数，消光系数包括散射系数和吸收系数。气溶胶 本身的物理化学特性，如形状、浓度、粒径、化学组成等构成了气溶胶消光 特性的差异。同时，气溶胶对光的吸收，还造成了大气中一些气溶胶微粒间 及气溶胶微粒和气体间的光化学反应，对强激光大气传播而言，气溶胶因吸 收激光柬能量而被加热，其热向周围大气转换时，将导致大气折射率的改变， 从而导致称为“热晕”现象的发生。因此，研究气溶胶对光的吸收，除对环 l 皇王登茎查兰堡主堡苎 境和气候均有很有意义外， 第一章引言 还是高能激光束在大气中传输特性研究的重要课 题。故对光吸收吸数的测量有着重大的实际意义 1 1 2 本课题的目的： 在国家8 6 3 高技术激光技术领域某项目的研究中，我们将研究重点集中在 大气对激光束能量的吸收上，特别是当传播激光束的波长位于大气极低吸收 率对应波长范围时( 该波长范围又称大气窗口，对应吸收率为1 0 。6 1 0 。埘1 量级) ，大气中气溶胶粒子对光的吸收特性将成为影响激光束传播的主要因 素。研究表明【2 i j ；分散的气溶胶粒子对光的吸收对处于大气窗口波长的高能 激光传播可以是导致热晕效应的发生的主要因素。在对这种热晕效应的整束 定量分析中，一种简洁的方法是将离散的气溶胶粒子的吸收折合为均匀的等 效吸收系数。等效吸收系数的大小与气溶胶粒子组分的光吸收系数等参量有 关，而目前无论是实验室还是实际大气中都还不能对气溶胶粒子的吸收系数 绝对值进行实时的定量测试，目前只能进行对大气气溶胶粒子光吸收系数相 对值的测量，而且存在测量精度不高、定标困难等问题。 本测量仪的研制是为了满足实际大气中不同粒径范围的气溶胶粒子及实验 室中人造气溶胶粒子光吸收系数测试的需要。 1 2 国内外动态： 一方面，由于气溶胶粒子对光的吸收系数很小，典型值为1 0 一l o - 6 m 1 另一方面，气溶胶粒子对光吸收的同时总伴有对光的散射，测量时一般不能很 2 电子科技大学硕士论文第一章引育 好的消除散射的影响，导致准确测量气溶胶对光的吸收系数的测量极其困难。 其测量值在多大程度上反映吸收系数的真实值仍尚不可知口】，所以目前大多进 行间接的相对测量。另外，各种测量方法均存在定标较困难的弊端。 对气溶胶粒子的光吸收特性的研究，前人已经做过许多工作口h “】。对光的 吸收系数测量的代表性方法主要有以下几种( 其它的许多气溶胶粒子光吸收系 数的测量方法【1 0 1 - ”1 其原理与这些基本相同) ： ( 一) 光声法【1 3 】。 这一方法是由r w t e r h u n e 和j e a n d e r s o n 于1 9 7 7 提出。这一方法是利 用热致声效应原理，即与时间相关的气体局部加热产生声波，对声谱仪而言， 在声谱仪中产生的声波受热量从粒子传递到空气中的速率限制。在光被气溶胶 粒子吸收的情况下，声波的产生受热量从粒子转移到空气中的速率的限制。半 径为r 的静态粒子的热时间常数如下： 丁= r 2 c p a r “d 4 3k 其中 c 删幽是粒子的单位体积热容，2 0 ，是空气热导率， r 是粒子 的半径。 其实验装置如下： 电子科技大学硕士论文 第一章引言 图1 1 光声法测量系统示意图 该实验用0 5 波长为5 1 4 5 r i m 的氩离子激光器，调制频率为4 0 0 0 h z 的光束 驱动声谱仪，所用麦克风灵敏度为4 2 r o w p a 光从声谱器的小孔中传入，气 溶胶粒子吸收光产生热，热量传给空气，从而产生声波。麦克风输出的电压与 声压成正比，声压 与气体吸收的热量成比例即间接与光吸收系数成比例。散射光不产生热 量，它对声波的产生没有影响。声谱法很好地消除了散射对光吸收系数测量的 影响。系统的定标是n 0 2 气体充入其中，对其进行测量，浓度为3 0 p p m 的 n 0 2 气体氩离子激光的吸收系数已被用十米的光程测出为0 0 1 8 m 一。 光声法测量的特点： 气溶胶粒子对光的吸收产生热，气溶胶粒子对光的散射没有热效应，所以 光声法很成功地消除了散射光对光吸收系数测量的影响。 光声法测量系统的误差来源除了仪器固有的误差外主要是气溶胶粒子传向 4 电子科技大学硕士论文第一章引言 腔外的热量损失。气溶胶粒子既可以通过汽化损耗能量也可以通过热传导把热 量传到空气中去。对于高蒸气压的气溶胶液滴来说，这个影响是很大的。例如， 在接近室温的情况下，空气中的热水滴由于蒸发而损失的热量大约是通过热辐 射而损失的热量的两倍。在湿度较大的时候，粒子由于吸水而膨胀。在高湿度 的情况下，用声谱仪测量光的吸收系数会由于水的蒸发而导致显著的错误。而 且对粒子溶解度、粒予尺度及粒子在光束中滞留时间等因素对光吸收的影响的 分析是很困难的。 不同粒径范围的气溶胶粒子用光声法测量其光吸收系数对声谱仪具有选择 性，例如，4 0 0 0 i - i z 的声谱仪仅能测粒径为0 0 2 微米和0 5 微米左右气溶胶粒 子的吸收系数，如果测1 0 微米左右粒径气溶胶粒子的光吸收系数则要选用频率 为l o o i - i z 的声谱仪。 此外，光声法测量系统所用元器件比较精密，要有很好的隔热性，仪器结 构复杂，价格也较昂贵。 ( 二) 镜面反射法【”】。 这一方法利用镜面多次反射，增大光程，使总的衰减易于测量。分别测出 衰减系数和散射系数( 散射系数已经可以成功测量) ，用两系数相减便可得到 吸收系数。这种方法避免了间接测量的不确定性。 皇王登垫盔兰堡圭笙兰 其实验装置如下； 第一章引言 分席斗 气憾腔 避气口 敬 墓霉 图1 2 镜面反射法测量系统示意图 光源用h e - n e 激光器。 这个装置包含一个铝测量舱和一个调节舱。铝舱的壁有遮光板和用黑漆粉 刷，以避免杂散光的影响。通过调节舱使外面的空气迅速灌入，从而使舱内外 的温度接近。避免了被吸入舱内的气溶胶由于蒸发而导致的尺寸分布的变化同 时减小了粒子沉淀的影响。 ( i ) 消光系数的测量： 根据朗伯定律，i i = e x p ( 一f ) i 是在腔体中传输后的光束的强度，。是参考光束的强度，f 是光学厚度 电子科技大学硕士论文 第一章引言 f = b x = ( 6 j + 6 。) x ，其中b ，和6 。分别为散射系数和吸收系数，z 是多次反射的总 长度。在这里分子对f 的贡献忽略不计。 等：卜丢- - e x p 屯地溯 ( 1 1 ) 利用这一公式，测出i 和j o 的比值，便可以得出衰减系数的值。 对消光系数测量的主要误差来源是一部分散射光也同时进入了探测器。如 果这一散射强度不可忽略，消光系数将被错误的低估。如果粒子的尺寸分布， 折射率指数及沿着光束轴的角度可知，这一误差可以被计算出来。 ( 2 ) 散射系数的测量： 进入探测器的气溶胶粒子的散射光的散射通量f 和探测器的探测面积s 之 间的关系o ”如下： f = ( b , i o s ) ( 2 砌) ( 1 2 ) 其中，1 0 为入射光强，b ，为散射系数，h 是平行光束和探测器间的垂直距离。 对于本系统由于光束经镜面多次反射，各束光的传播损耗各不相同，所以 必须对散射通量f 进行修正： f ：望( 生尝+ 1 3 + 1 4 + + 生纽) ( 1 3 ) 2 厅、2 啊2 2拍i o 7 i 。i ：i 。为各准直光束的光强，h 、h ：h 。为各准煮光束到探测 器的垂直距离。 ，j + 1 l = e x p ( 一b x ( f + 1 ) 2 ) f - 1 , 3 ，5 ，1 9 , ( 1 4 ) i j + l = l i b ，j _ 2 , 4 ，6 1 8 , ( 1 5 ) 7 电子科技大学硕士论文第一章引壹 尼= 等善等 ， f = 鉴1 0 ri-il- ，s ， 这一方法的装置如下： 电子科技大学硕士论文 第一章引言 t 瘩腔段 手八口 嚣誓 懿 图1 3a e t h a l o m e t e r 测量装置示意图 这一测量方法是基于激光传输理论的基础上，根据激光传输理论：对于沉 积在漫反射基片上的吸收粒子，激光传输仅对吸收敏感。这一理论已被光声法 测量实验所验证。如图示，一光纤的前部置一过滤器，使气溶胶粒子滞留在过 滤器的表面，另一光纤的前面的透明罩没有开孔，进入这一光纤的光没有受到 气溶胶粒子的影响。前一光纤出来的光作为信号光，后一光纤出来的光作为参 考光，光强分别为i 和，。在过滤器前聚集的粒子随时间的增加而增加，信号 光的衰减与聚集粒子的厚度成正比，即光的衰减是气溶胶粒子累积吸收的结 果。 即：a ( t ) z r 6 口( 刈) v d t v 是气流的速率- 对a ( t ) 进行微分便可得到吸收系数6 。( x ，t ) 。 r p 电子科技大学硕士论文苎二皇! ! 童 这一测量系统的定标： 对石英光纤过滤器进行预加热，然后同时开通一粒子采样机对过滤器上的 粒子进行采集，粒子采集机和测量仪并行工作。这里测的粒子为石墨粒子，用 溶解分离和热分析技术对这些粒子进行分析，计算出吸收系数计算公式如下： 吸收系数( 1 0 - 6 埘一1 ) = 浓度( u g l m 3 ) + 吸收截面( 肘2 g ) ， 比较计算结果和测量结果便可以进行定标。 这一系统比较简单，易于常规使用。但这一系统定标十分复杂。 总的说来，对光吸收系数测量的各种方法，精度都不很高且存在定标较困 难的问题。前两种方法相比较精度较高，但系统较复杂。第三种方法系统比较 简单，但定标相当复杂。所以，对气溶胶光吸收系数的测量系统有必要进行进 一步的改进和提高，使测量仪器既要使用方便又要精度较高。 国内方面，电子科技大学硕士研究生黎勇尝试用双光管差比法测量气溶胶 粒子的吸收系数，其所研制的差比光系收率计能够测量不均匀液体的光吸收系 数，要用这一测量系统测量大气气溶胶光吸收系数仍需对其作很大的改进。中 国科学院大气物理研究所的石广玉等人对大气辐射、大气组分及温室效应等方 面进行了研究，提出了k 分布大气辐射模式。汤洁、温玉璞等人对中国西部的 黑碳气溶胶进行了长期观测研究，观测表明中国西部清洁地区的黑碳气溶胶浓 度明显低于我国东部地区，气溶胶浓度水平与季节、风向有关。 1 3 本论文的结构 l o 电子科技大学硕士论文第一章引言 本论文包括六章，可以分为三大部分： 第一部分：介绍气溶胶粒子光吸收系数测量的国内外动态，光吸收系数测 试的基本原理及具体方法。包括第一章和第二章。第一章主要介绍了吸收系数 测试的国内外动态，本课题的意义及目的；第二章主要介绍了本测量系统的原 理及具体方法。 第二部分：介绍本测量系统的光学系统、前置放大电路等硬件的设计和制 作，包括第三章、第四章。第三章主要介绍了光学系统的设计和光学部件的设 计加工：第四章介绍了前置放大电路的原理、设计和制作。 第三部分：介绍了数据采集系统及实验数据的处理。包括第五章、第六章 第五章主要介绍了采集系统的原理、结构及技术参数等；第六章介绍了气溶胶 粒子光吸收系数测量的实验，数据处理的方法及实验结果的分析。 小结 本章主要介绍了大气气溶胶粒子测量的研究动态、我们研制这- - n 量仪的 目的及意义，对各测量方法的特点进行了分析。最后大体介绍了本论文的构成。 电子科技大学硕士论文 第二章基本测试原理及方法 第二章基本测试原理及方法 2 1 气溶胶概述 广义而言，大气气溶胶是指悬浮在大气中的各种固态和液态微粒，如烟尘、 尘埃、海盐、云雾和降水等微粒的总称。习惯上不包括云雾、降水粒子气溶 胶由人为和自然两部分组成，在城市和工业区，气溶胶往往以人为产生的微粒 状污染物为主。在远离城镇的广大地区，气溶胶以自然产生的微粒为主。 气溶胶的半径范围一般从o 0 0 1 微米至1 0 0 微米之间，半径小于0 0 0 5 微 米的气溶胶粒子，多由气体的物理、化学作用而成，如宇宙辐射或氡衰变所产 生的小离子，大气污染气体化学反应的产物等。这些小粒子会迅速附着到较大 的粒子上去，因此寿命很短。半径为1 0 2 微米数量级的气溶胶粒子，主要为较 大的扬尘和烟尘等微粒。气溶胶按粒子大小可分为三类：半径小于0 1 微米 的气溶胶称为埃根粒子，半径从0 1 到1 0 微米的气溶胶称为大粒子，半径大 于1 0 微米的气溶胶称为巨粒子。此外，半径大于5 0 微米的气溶胶因重力沉 降而不易滞留在大气中，成为降尘。半径小于5 微米的气溶胶成为飘尘，飘尘 能长期悬浮在大气中，并可随呼吸进入人体。大气污染形成的气溶胶，往往含 有很多有害物质，甚至含有致癌物质，因此在一定条件下气溶胶是一种对人体 危害较大的微粒状大气污染物。 自然界产生的气溶胶，有火山爆发时的喷出物，海洋表面气泡破裂产生的 海盐类气溶胶，森林火灾时产生的灰烬，被气流携带到大气中的沙尘、土壤和 矿尘微粒等。人类活动产生的气溶胶，则有燃烧燃料时排放的烟尘，工业生 产时产生的粉尘，工业排放的含有诸如重金属元素、盐类和其它成分的固体微 粒。就全球而言，自然源产生的气溶胶远大于人为源产生的气溶胶，但对大城 市和工业区等局部地区而言，气溶胶一般以人为源为主，并含有各种有害物质 而对人体危害较大。 1 2 电子科技大学硕士论文! ! 三皇基本型堕堕堡丝塑堕 2 1 1 气溶胶粒子尺度分布 气溶胶浓度随时间、地点和高度的变化较大，气溶胶的尺度谱分布变化也 较大，一般用经验公式如修正伽马谱分布、j u n s e 谱分布、对数正态谱分布等 表述。 设，l ( ，) 表示气溶胶粒子半径从，一r + d r 间隔内，单位体积内的气溶胶粒子 数，设n 为气溶胶粒子浓度，则可导出气溶胶谱分布函数玎( r ) 和气溶胶数浓度 n 之间的关系式为： ( 2 1 ) ， 式中。分别为气溶胶的上限半径和下限半径。半径大于o 1 微米左右 的对流层气溶胶粒子尺度分布，常用j u n s e 分布，并可以表示为以下形式： a n ( r ) ：c r v d l g r ( 2 2 ) r 为气溶胶粒子半径，( ，) 为气溶胶数浓度，c 和v 为谱分布参数，v 一般 变动于2 至4 之间，典型值为3 。由于d l g ，：0 4 3 4 d l n ，：业毋，于是由式 ( 2 2 ) 可得气溶胶谱分布函数得表达式： n ( r 1 = c r 一 ( 2 3 ) 式中c = 0 4 3 4 c 。将式( 2 3 ) 代入( 2 i ) ，可得： = 导( 一p 一一) ( 2 4 ) 气溶胶粒子浓度随其大小不同而不同，也随测量地点和高度的不同而不 同，下图【2 3 1 是从陆上、海上和城市污染空气中，已测得气溶胶粒子尺度的平均 分布情况。 矽p - i p | i 皇王登垫查兰堡主堡垄 苎三兰薹查型蔓堡墨墨! ! i l 扣 3 ； ； z 替= ：) 瘸耥漱 图2 1 粒子尺度分布图 从图21 中，可知： 1 气溶胶粒子的尺度愈大，其浓度愈少的厉害，在气溶胶粒子总浓度中， 较小粒子占极大部分。 2 就平均而言，城市污染空气中粒子浓度最大，海洋空气中最小。 3 直径大于2 0 微米的气溶胶粒子( 巨粒子) ，其浓度，陆上、海上、城市 污染空气中相差不多。 为了进一步研究气溶胶质粒的谱分布，也可用气溶胶质粒的表面积或体积 的谱分布，来代替个数的谱分布。下面两图分别是气溶胶质粒表面积和体积的 谱分布曲线。在表面积谱分布中，纵坐标为d s d ( 1 0 9 d ) ，横坐标为i o g ( d ) ，s 为直 径大于d 的气溶胶质粒总表面积。在体积谱分布中，纵坐标为d v d ( 1 0 9 d ) ，横 坐标为l o g ( i ) ) ，v 为直径大于d 的气溶胶质粒总体积。 1 4 电子科技大学硕士论文 第二章基本测试原理及方法 f 薹 0 差 ： q 墓 图2 2 气溶胶质粒表面积的谱分布曲线 甲 兴 坦a 鬃 絮 a ， 直径( 微米， 图2 3 气溶胶粒子的体积谱分布曲线 “”为城市污染大气曲线“一”为大陆大气曲线 在图2 2 中的面积谱分布曲线上，在直径0 o l 到1 0 微米的气溶胶粒径范 围内，出现了明显的极大值。从图2 3 中可以看出，对气溶胶总质量的贡献主 要是直径大于0 2 微米的大粒子和巨粒子，爱根核虽然粒子数密度较大，但其 质量对气溶胶粒子总质量的贡献却很小。 璺王型垫盔堂堡主堡兰 2 2 光和气溶胶的相互作用 第二簟基本测试原理及方法 我们研究大气的光学特性，其中主要的一个方面是研究大气气溶胶的光学特 性，特别是大气气溶胶的消光特性。气溶胶粒子和光相互作用时，能够发生两 种不同的过程：粒子可以以同样波长再辐射已经接受的能量，这个过程称为散 射；粒子也可以把辐射能转变为其它形式的能如热能、化学反应能或不同波长 的辐射，这个过程称作吸收。散射和吸收对光的作用共同构成气溶胶粒子的消 光作用。散射效率、吸收效率和消光效率是描述光和气溶胶相互作用很重要的 几个物理量。 散射效率是指粒子散射的能量除以粒子的几何面积s 所截获的能量，其数 学表达式为： = 警 泣s ， f ( o ，妒) 为粒子的散射函数，它与粒子尺度、形状、光学性质等因素有关， j 。为粒子的几何截面。吸收效率是指粒子吸收的能量除以粒子的几何界面所截 获的能量。消光效率是指粒子消光能量除以粒子的几何横截面积所截获的能 量，它等于散射效率和吸收效率之和： k 清光= k 靛射+ k 嚷收 ( 2 6 ) 对于不同粒子尺度范围的散射效率有不同的处理方式，小粒子( 粒子尺度 x ：三手 1 ) 采用范 德瓦尔斯特散射近似，对于中等粒子尺度的气溶胶粒子的散射处理需要采用复 杂的米耶理论计算其散射和消光公式l ，对于形状不规则的粒子，如冰晶雾粒 子、血液中的血球等，采用瑞利得拜近似进行处理。 2 2 1 小粒子散射 1 6 皇王型垫盔兰堡主丝塞 蔓三兰墨查型蔓墨曼墨查婆 对于比波长小得多的粒子( x i 的球形大粒子的消光特性用范德瓦尔斯特散射近似进 行处理，这一理论在折射率m 2 的范围内，都与严格的米耶理论有较好的符 合。用范德瓦尔斯特散射近似所计算得的消光效率为： k 渭光：2 4 p 节郇( 旦掣) s i n ( p 一p ) - 4 e - p t g p 4 e - p ( c 。s f l ) 螂( p p * - - 2 p ) + 。掣) 2c o s 2 p p ( 2 l o ) 。o s + 4 掣) d 式中p = 2 x ( m 一1 ) ，表示通过球心的光线相移，称它为归一化尺度参数， p = 2 x ( ，一1 ) ，为辅助函数，邪= i i , i 。 吸收效率为： 收= l + 丽e - 4 1 ：n , + 盟8 x 2 n 2 ( 2 1 1 ) 收2 1 + 丽+ l 二 ( 2 - 随着值的增大，消光系数很快地趋近于极限值2 ，吸收效率逐渐地趋近于极 限值1 。 2 2 3 中等尺度粒子的散射 瑞利散射和大粒子消光采用的是极限关系式，对于尺度和光波长量级相同 的粒子，由于粒子的不同部位与不同部分的入射波相互作用，瑞利理论不再适 用，需要采用复杂得的的米耶理论，这一理论是处理均质球体对平面波散射和 吸收的经典理论。 米耶理论是从麦克斯韦方程出发，利用球体周围介质之间的突变的边界条 件，求解麦克斯韦方程，从而求出表示散射场的两个重要系数：米耶系数口、 电子科技大学硕士论文 第二章基本测试原理及方法 口：竺：! f 旦! 丝f 生二! 竺! ! 生2 竺：! 生( 2 1 2 ) y 。( ) 刁( x ) 一盯w ( f ) z 。，( r ) b ：! ! 竺j ! 望2 竺! ( 生二坚! ! 生! 竺jf 生(2i1 3 ) 玎矿。( ) ：。( x ) 一妒( ) ：。( r ) 其中，：， ) 为贝塞耳函数， ) 为黎卡地贝塞耳函数，x 是尺度参数 x ：竿，是引入的另一参数，p - - n 车。通过米耶系数，可以进一步 l 求出消光效率和散射效率： q = 专r e 【( 2 川) ( q + 6 f ) 】 ( 2 1 4 ) m2 q = 吾国+ 1 ) 0 口f 1 2 + 1 6 i ) ( 2 1 5 ) 从以上公式可以看出效率因子只是x 和m 的函数，通过消光效率和散射效 率可以进一步求出吸收效率。下面是已经计算的几个典型的散射相函数： 4 砖 m o _ l l 图25 典型的散射图象f ( 日，缈) 的计算 1 9 、 皇王型垫查兰堡主丝奎苎三兰苎查塑姿堕里丝查鲨 小尺度粒子的前向散射和后向散射是对称的，随着粒子尺度的增大，散射 相函数向前延伸，散射向前向集中m 1 ，主要表现为前向散射。 2 3 气溶胶消光系数的推导 考察给定波长的准直光光源( 即单色光) 照射气溶胶的情形，如果单位体 积的空气中在尺度范围r ，+ d ( ，) 内的粒子数为柳，这相当于在和光束垂直的 单位面积上在光程长度出内的总粒子横截面积为2 ) 国 拓，在这个长度的光 衰减为口1 1 一c 玎= ，l j ：o 刃。2 k 潲光c 研，门c ，d c r ， c 如 c z t s ， j 用b 表示单位光程长度上粒子对入射光束的衰减，即消光系数由( 21 6 ) 式 可得： 汪去= i m z k 籼( x , m 如州 泣 在光传播方向上的任意两点：= 厶和：= ：之间积分方程( 2 1 7 ) ， d = l b d z ( 21 8 ) 净! 娩 汜 可得光束通过这段距离中的气溶胶以后的强度减弱为： l = l t e l( 2 2 0 ) 式中，f 为光学厚度：r = 7 娩 是一个无量纲的量；公式是朗伯定理的一种形 式a 对平面波而言，b 是光频率和空间位置的函数，即6 ( v ，：) ，如果入射光是 单一频率，介质是均匀的，则光学厚度为： r = b l ，l 为光传播距离。朗伯定 2 0 皇三型垫查兰堡主堡苎 理变为： 第二章基本测试原理及方法 l = i f f 一“ ( 2 2 1 ) 如果光的衰减仅由光的吸收造成，则光= 收，公式( 2 2 1 ) 变为： 1 2 = x , e 一 i 私 ( 2 2 2 ) 五、1 2 分别为入射前( z = l 1 点) 后( z = l 2 点) 的光强 2 4 复折射率与光的吸收 考虑单色平面电磁波与原子相互作用的情况，由于在任何可见光范围内， 波长远大与原子的尺度( 1 埃左右) ，因此，在原子体积内，可以认为场是均匀 的，并且与电场作用力相比可以忽略磁场的影响。设电场为( 电磁场沿z 轴传 播) ： e ( z ，t ) = e ( z ) e l w ( 2 2 3 ) = e oe x p ( i w m z ) e l “ ( 2 2 4 ) 式中m 为媒质的折射率。把m 写为复折射率为： m = n + i n ( 2 2 5 ) 行、订分别为折射率的实部和虚部，把复折射率m 的关系式代入电 磁场方程( 2 2 4 ) 式可得： e ( z 一叫”一 ),l=foe(226e 2 6e 。 。 ) 而光强： i e 苫= 慨阿 ( 2 2 7 ) 结合( 2 2 2 ) 式可得 收= w ( 2 2 8 ) 由此可以看出，气溶胶对光辐射的吸收与复折射率的虚部有关。由于气溶 2 1 皇王型垫查兰堡主笙壅蔓三兰墨查型堕堕里垦立茔 胶的化学成分较为复杂，除含有沙尘、矿物质、烟灰、沥青和煤烟等成分外， 还常含有硫酸盐、硝酸盐、硅酸盐、碳酸盐和铵盐等，使气溶胶光学折射率也 各不相同，目前，人们对气溶胶光学折射率的研究还很不充分，对于气溶胶粒 子的折射率实部与虚部( 对应粒子的吸收) 的测量，是一个重要而又难以解决 的问题【2 2 i 。 2 5 、本测系统的测量原理： 目前的光吸收系数测量方法中光声法利用热致声效应很好地消除了散射对 吸收系数测量的影响，但这一系统的结构复杂，且受腔的热损耗、粒子的湿度 等因素的影响较大。a e t h a l o m e t e r 的系统比较简单，易于常规使用，但这一系 统的定标十分复杂。反射法是一种直接测量方法，消除了间接测量的不确定性， 但这一系统的结构复杂且光路不宜调节。我们设想设计一个既尽量消除散射光 的影响，又具有体积小、光路调节方便的测量系统以适宜实验室和实际大气中 测量光吸收系数的常规使用。 本文设计的测量系统的光路由两路接近平行的光组成，一路为信号光，通 过光管传输，另一路为参考光，直接通过大气传输。测量系统如图2 5 所示。 引入参考光是为了消除光路和电路所引入的各种测量误差，如过滤膜的光损 耗，光管壁的吸收和散射损耗，光管两端透镜的损耗等。用真空泵进行抽气使 气溶胶粒子聚集在过滤膜上，根据激光传输理论f 1 】：对于沉积在漫反射基片上 的吸收粒子，激光传输仅对吸收敏感。本测量系统所用的过滤膜的核孔径( 直 径) 为0 2 微米、0 4 微米、0 5 微米几个规格。对0 4 米和0 5 微米而言，对4 8 8 o h m 和5 1 4 5 n m 的波长其粒子尺度约为3 ，从图2 4 可以看出其散射主要为前向散 射。对0 2 微米而言，对4 8 8 o n m 和5 1 45 r i m 的波长其粒子尺度约为12 ，从图 2 4 可以看出其散射主要为前向散射。又因为粒子是聚集在过滤膜上的，过滤 膜相当于一个漫反射基片，并且我们又对过滤膜后面的光管镀高反膜以收集前 向散射光，所以散射对光吸收测量的影响可忽略。 电子科技大学硕士论文第二章基本测试原理及方法 下图是本测量系统的示意图 图2 6 测量系统示意图 设光管及过滤膜的光损耗系数分别为屈，岛，真空泵的抽气速度为每秒 v 升，过滤膜的有效半径为r ，x 为t 秒内大气流过过滤膜的长度，b 为吸收系 数t 南为反射镜的反射系数，j ：为分光镜的分光系数，i o 为入射光强，0 、 ，：分别为参考管和信号管的出射光强。设大气粒子为均匀分布满足朗伯定律： i = l o e 一“，可推导如下公式： i l = k l k 2 i o ： ( 2 2 9 ) 1 2 。= ( 1 一屯) 届屈i o 口“ ( 2 3 0 ) 设7 7 1 叩：分别为两探测器的光电转换系数，“，：分别为两放大器的放大倍 数，则采集到的电信号分别为： 其中光程 ”l = | 1 | 2 叩1 “i o ( 23 1 ) v 2 = ( 1 - 七2 ) 叩2 1 2 届p 2 1 。p 一“ ( 2 3 2 ) y x = t ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 两式相比可得： ( 23 3 ) ( 2 3 4 ) 当真空泵没有开启的时候，信号管的过滤膜上没有粒子聚集，通过定标求 出k ：翌型蔓堕丝丛：，当真空泵开启时间为t 的时候，测得两输出光强 k i c 2 1 7 1 1 l 对应的电信号之比，便可以求出吸收系数。 定标：当真空泵没有开启的时候，信号管的过滤膜上没有粒子聚集，认为 此时的吸收系数为零，即： o ：生( 1 。坠磐+ i n 乓) (235)vt 、 啊_ | 2 叩l “v 2 ” 对上式变形可的定标系数： k = 甓滁等= 苇； ( 2 3 6 ) 此时对信号光和参考光同时进行采集，即可求出定标系数置，最后得吸收 系数： b = 譬( 懈旦) 所、 v 2 ( 2 3 7 ) 电子科技大学硕士论文 第二章基本测试原理及方法 小结： 本章介绍了气溶胶粒子尺度分布及气溶胶与光的相互作用基本理论。推导 了气溶胶消光系数和本测量系统的测量原理。本测量系统用过滤膜采集气溶胶 粒子，对光管部分镀膜很好地消除了敝射对光吸收系数测量的影响；用信号光 和参考光同时传输的方式，很好地消除了光路的各种损耗和电路放大倍数等因 素所造成的误差对光吸收系数测量的影响，提高了系统的精度；同时，本测量 系统具有体积小、结构简单、定标相对容易等优点。 电子科技大学论文第三章光学系统 第三章光学系统 3 1 系统概述 本系统主要由光源、调制器、分光镜、反射镜、光管、真空泵、过滤膜、 光电探测器等组成。光源是用氩离子激光作为光源的，调制器是调制频率为 5 0 0 h z 的机械调制器对光源进行调制，用大面积硅光电二极管作为探测器以利 于更好的收集散射光。 3 i i 系统框架 实验光路图如下： 图3 i 实验光路图 从上图我们可以看到，当光源从激光器发出，经调制器调制后，到达分 光镜。分光镜把激光分成两束，其中的一束( 反射光) 直接入射到光管，然后 进入光电探测器。另一束( 透射光) 到达反射镜，经反射镜反射后进入光电探 测器。硅光电二极管将光信号转换成电信号，再输入a d 转换成数字信号，供 计算机处理。 电子科技大学论文 第三章光学系统 3 2 光源和光信号调制 作为实验研究，因激光有频率单一、方向性好、能量集中等优点，与其它 光源相比可以更好的提高精度，故我们选用激光作为光源。同时由于氩离子激 光具有较大的输出功率能够满足实验的需要，最后选用氩离子激光作为光源。 调制光在传输和探测过程中比非调制光具有更高的探测能力。因为系统是 处于光的世界里，实验系统所处环境的各种背景辐射如大气的辐射、各种照明 光源的辐射、各种外界杂散光的辐射等都不可完全避免地进入系统，采用调制 光携带信息就使光信号自身具有与背景辐射不同的特征，就有利于和背景辐射 区分开来，因为背景光辐射经探测器光电转换后为直流电信号，调制光信号经 探测器光电转换后为交流电信号，在探测器后接一交流放大电路和滤波电路， 就能很好的滤除直流电压，从而很好的消除背景辐射的影响，使系统有很好的 抗干扰能力。 所以为了提高系统的探测能力和系统精度，尽可能消除背景辐射及系统各 环节( 如探测器、电源、电路等) 的各种干扰，我们对光进行调制。由于实验 室现有5 0 0 h z 的机械调制器，所以我们采用调制频率为5 0 0 h z 的机械调制器 对光进行调制，把光信号变成低频矩形波信号，再进行处理，以减小干扰，提 高精度。后面相应地制作了中心频率约为5 0 3 4 h z 并有适当带宽的带通滤波器。 3 3 光学器件的设计和制作 3 3 1 光管的设计和制作 制作光管的目的一方面是为了很好的把气溶胶粒子累积在过滤膜上。另 一方面是为了很好的让光通过过滤膜而到达探测器。光通过过滤膜时，吸收和 散射均造成光的衰减，需要测量的是光的吸收系数，所以要尽量消除散射的影 响。我们后面的实验所用过滤膜的孔径为0 2 微米、0 4 微米、0 5 微米，所用 的激光波长为4 8 8 0 纳米和5 1 4 5 纳米，从第二章的散射相函数和测量原理的 分析知道，光通过过滤膜时，散射光主要是前向散射。为了尽可能的收集散射 电子科技大学论文 第三章光学系统 光，我们在光管的后半部镀上高反膜。 光管的设计形状及尺寸如图32 所示： 打一 过蛇腻! i反射葳 l ：l i 厂-zq ：葛u ，r 光管示意图 图3 2 1 【- 3 0 0 0 土 光管由两部分组成，光管的总长度为1 8 9 0 4 毫米，内径为3 00 0 毫米，上 下的进气口和出气口均为7 0 0 毫米。光管的中间加工成对应的两部分螺纹，以 便固定过滤膜，并相应的加工了一些垫片放在光管中间用于很好地固定过滤 膜，由于垫片有一定的尺寸，过滤膜的实际的通气半径为1 0 厘米，即过滤膜 的有效通气半径为l0 厘米。有机玻璃材料透明( 便于光路调节) ，机械性能也 较好( 适合机械 j d q - ，强度较高且不宜破碎) ，所以采用有机玻璃加工光管。 为了尽量收集散射光，在光管的后半部镀高反膜，以便尽可能地减少散射光的 损失，从而提高系统的测薰精度。 3 3 2 分光镜、反射镜的设计和制作 皇王壁垫盔堂堕奎 苎三主垄兰墨竺 为了满足实验的需要，制作了分光镜，通过分光镜对入射光进行反射和透 射，我可以得到所需要的信号光和参考光。所做的分光镜，可以适用于4 8 8 0 n m ， 5 1 4 5 n m 6 3 2 8 n m 几个波长。其尺寸为：直径为3 4 毫米，厚度为3 毫米。采用 外反射的方式加工了反射镜，其尺寸为：直径为2 5 毫米，厚度为3 毫米。在 分光镜和反射镜的制作中，我们对反射系数和分光系数的数值不作严格的要 求，因为从第二章的测量原理我们可以知道，反射系数和分光系数与定标系数 有关，而定标系数等于过滤膜上没有粒子累积气溶胶粒子时的两通道的电压之 比，因此不必求出反射系数和分光系数的具体值。尽管不同波长的反射系数和 分光系数有所差异，因为对不同波长的光源进行实验时，我们都分别进行定标， 所以不同波长的光波均可适用于本测量系统。 3 4 光电探测器 我们采用的光电探测器件是由重庆光电技术研究所生产的硅p i n 光电二极 管g d 3 2 5 1 。考虑到更多的收集散射光，提高吸收系数测量的准确度，特地选 用了大光敏面的硅光电二极管，其光敏面为6 m m 。在光管的出射窗口，我们 用和光管相匹配的凸透镜对出射光进行聚焦，使其光斑尺寸小于6 r a m 。从而 和探测器的光敏面很好地匹配，满足实验的需要。 以下是重庆光电技术研究所给出的探测器的具体参数： 暗电流响应度节电容正向电容 管号 i d (