本方法属于光学领域。本发明涉及一种单光声池同时测量气溶胶在多个波长处的光学吸收系数的新方法，该方法利用光声光谱技术结合傅里叶变换数据处理方法，实现气溶胶光学吸收系数波长依赖特性的实时在线测量。
背景技术：
：随着我国经济的快速增长，工业生产、城市交通等生产、生活活动对大气环境的污染愈发严重，大区域、长时间的雾霾天气也愈发频繁，这对国民经济的健康发展、国民的身体健康造成了严重威胁，因此对雾霾的溯源以及在此基础上进行有针对性的治理显得尤为紧迫。大气气溶胶是雾霾的主要成因之一，对其成分的分析是进行雾霾溯源的有效手段。大气气溶胶的光学特性包括吸收和散射，二者之和为消光。气溶胶的吸收和散射与不同波长(λ1，λ2)入射光的关系均满足以下指数关系(以吸收为例)：βabs(λ1)βabs(λ2)=(λ1λ2)-AAC---(1)]]>其中，AAC称为气溶胶吸收系数。同样，对于气溶胶散射系数(SAC)的定义也是如此。气溶胶对入射光的散射能力取决于光学定义的粒子大小，对于球形粒子而言，该参数可以表示为：x=2πrλ---(2)]]>其中r为粒子半径，λ是入射光波长，从上式可以看出，气溶胶对入射光的散射能力取决于粒径与入射光波长之比。与散射不同，除了气溶胶粒径外，其成分也是影响其对入射光吸收能力的关键因素。碳质气溶胶作为大气污染物的主要成分，也是大气中主要的光吸收成分。根据研究表明，碳黑的对光的吸收能力最强，其AAC接近1，有机碳和矿物质扬尘的AAC值则较大，某些生物质燃烧产生的气溶胶其AAC可达3以上，因此可以通过对气溶胶在不同波长处的吸收进行测量，获取其吸收指数并分析其成分，从而对气溶胶的来源进行追溯。目前，测量大气气溶胶吸收特性的仪器大多采用过滤器技术，该技术通过测量富集在滤膜上的气溶胶对光的衰减计算气溶胶的吸收系数，由于气溶胶粒子自然悬浮状态的改变以及滤膜对光的散射等缺陷大大降低了测量结果的准确性。原位测量气溶胶吸收系数的方法主要包括消光减散射法，光热干涉技术和光声光谱技术等。消光减散射法的原理非常简单：同时测量气溶胶的消光系数和散射系数将二者相减即可得到吸收系数，然而该方法由于测量消光和散射时的时间和空间的不均匀性，以及系统的误差传递导致该方法的准确性大大降低。光热干涉技术通过干涉仪测量探测光路上气溶胶粒子吸收光能后引起的空气折射率的变化来获取气溶胶的吸收信息，该技术的灵敏度非常高，然而由于干涉仪本身对振动异常灵敏，使得这一技术的应用受到很大的限制。光声光谱技术也属于光热技术的范畴，该技术的基本原理是光声效应，固体、气体、液体中的光声效应均是在19世纪被发现的。气溶胶粒子的光声效应可描述为：当一束入射光(调制光或者脉冲光)照射在粒子上，粒子吸收入射光能量而被加热并将热量传递给周围的空气，引起周围空气的周期性热膨胀，进而产生声波(压力波)，声波可以利用微音器(微音器)或者压电陶瓷等压电传感器来探测，通过测得的声波信号的大小可以获得粒子的光吸收特性信息。光声光谱技术是一种宽动态范围的高灵敏度“零基线”光谱技术，可以实时在线测量自然悬浮状态下气溶胶粒子的吸收系数，被认为是一种理想的测量气溶胶光吸收特性的技术。文献报道的基于光声光谱技术的多波长测量装置均使用多个光声池分别测量气溶胶在不同波长处的吸收系数，因此无法保证样品的时空均匀性，且需对每个光声池的池常数分别进行测量，增加的了系统操作的复杂性。本发明涉及的方法可以实现单一光声池内同时测量气溶胶在多个不同波长处的吸收系数，进而获取样品的AAC，实现对样品成分的初步识别。技术实现要素：本发明主要用来解决气溶胶多波长吸收测量时多个光声池带来的系统结构及操作的复杂性问题，提供一种利用单一光声池在线测量大气气溶胶波长依赖特性的方法。本方法可以避免测量过程中由于气体分流造成的样品分布的时空不均匀及在此过程中气溶胶粒子的损耗问题，并能根据测量得到的气溶胶波长依赖特性对其成分进行识别。单光声池同时测量气溶胶多波长吸收系数的新方法，其特征在于：采用信号函数发生器产生频率间隔为df的方波信号，利用这些方波信号对多个光纤激光器进行功率幅值调制产生不同频率激光信号，这些不同频率激光信号由对应的多个光纤激光器转变为相应的不同波长的输出激光，不同波长的输出激光由光纤合束器进行合束、光路调整后垂直入射光声池，并保证光轴与光声池的轴心重合，不同波长的输出激光和光声池内气溶胶相互作用在光声池内产生反应气溶胶粒子吸收信号压力波信号，同时沿着原来传输方向射出光声池由光谱仪接受并转化为电信号储存到计算机得到实现不同波长激光光信号实时监测，所述的光声池外侧还设有微音器，所述的压力波信号经微音器接收转换、前置放大器放大、锁相放大器信号解调后被数据采集卡采集并在计算机进行保存得到反应气溶胶粒子吸收信号的光声信号，计算机结合不同波长得激光信号以及光声信号进行数据分析得到气溶胶在不同波长处的吸收系数。利用单一光声池同时测量气溶胶在多个波长处吸收系数的新方法其理论依据是：基于共振型光声光谱技术的仪器其工作频率是光声池的共振频率，对于单一波长来说，激光器是以这个共振频率进行振幅调制的。但是，对于多波长系统，需要同时测量多个光吸收产生的声压信号。如果所有的声信号都在共振频率上，那么微音器测得的信号就是所有声压的叠加，各自的信号就无法区分开。因此，在利用单一光声池同时测量气溶胶在多个波长处的吸收系数时，其中一个波长的激光振幅调制频率为光声池的共振频率f0，其余波长的激光振幅调制频率分布在其附近。以三波长系统为例，三个波长激光的振幅调制频率分别为：f0、f0+df、f0-df。微音器对共振频率上的光声信号的响应为Pm(f0)，偏离共振频率的光声信号响应为Pm(f0±df)，df的典型值为5Hz，该值对于信号的分辨率足够大，并且也能尽量的靠近共振腔的共振频率以实现光声信号的有效增强。根据光声原理，气溶胶粒子的吸收系数由下式给出：βabs=Pm·Ares·π2·f0PL·(γ-1)·Qcos(φm-φL)---(3)]]>其中Pm为微音器测得的声压信号，Ares为光声池的池常数，PL为激光器的输出功率，γ光声池内样品的比热容，Q是光声池的品质因子，φm、φL分别为光声信号、激光信号的相位。声压信号与调制频率的依赖关系满足洛伦兹分布，即：P~m(f)=P02Q(f-f0)f0+i---(4)]]>其中，P0是共振频率处声压的幅值，i是虚数。定义传递公式为声压在f0处的幅值与f处的幅值之比，即G~(f-f)≡P~m(f0)P~m(f)---(5)]]>则：G~((f0+df)-f0)≡G~(df)≡P~m(f0)P~m(f0+df)=1-i2Q·dff0---(6)]]>传递公式的幅值为：G(df)=1+(2Q·dff0)2---(7)]]>的相位为：φG(df)=-arctan(2Q·dff0)---(8)]]>公式(6)、(7)、(8)对于f0-df同样适用。根据公式(3)可知:βabs(f)∝Re[P~m(f)P~m(f)G~(f-f0)]=Re[PmeiφmPLeiφLG(f-f0)eiφG]=PmPLG(f-f0)cos(φm-φL+φG)---(9)]]>因此，对于f0±df处光吸收的光声公式为：βabs(f0±f)=Pm(f0±f)PL(f0±f)G(df)Aresγ-1π2f0Qcos(φm-φL+φG)---(10)]]>当df＝0时，βabs即为f0处的计算公式。利用该方法，三个或者多个波长处的气溶胶光吸收系数就可以在同一个光声池内同时测量。本发明的优点本发明相对于现有的多波长气溶胶吸收系数测量系统，具有如下优点：本发明利用一个光声池同时测量气溶胶在多个不同波长处的吸收，可以避免多个光声池造成的系统体积庞大、操作过程复杂等缺点。除此之外，由于气溶胶样品仅需流经一个光声池，无需进行样品的分流，因此对每个测量波长而言，样品在时间和空间上的分布都是均匀的，同时实现了采用的系统结构，操作过程简单，且样品的时空分布均匀。再者，本发明中使用的激光光源均是光纤输出的，各波长光束也是经过光纤合束器进行合束的，因此避免了空间自由光束在光路调整、光束合束过程中使用多个反射镜、合束镜等光学镜片造成的光路复杂性和系统体积的增大实现了光路简单且紧凑总之，本发明提供了一种对实际大气气溶胶成分进行实时在线分析的方法，基于光声光谱技术和傅里叶数变换数据处理方法，利用单一光声池同时在线测量大气气溶胶在多个波长处的光学吸收系数，根据该测量结果计算获得气溶胶的吸收指数，利用该指数对气溶胶的成分进行分析，从而为雾霾的溯源以及治理提供极具价值的决策依据。附图说明图1是本发明的原理图。具体实施方式如图1所示，单光声池同时测量气溶胶多波长吸收系数的新方法，其特征在于：采用信号函数发生器9产生频率间隔为df的方波信号，利用这些方波信号对多个光纤激光器1-3进行功率幅值调制产生不同频率激光信号，这些不同频率激光信号由对应的多个光纤激光器转变为相应的不同波长的输出激光，不同波长的输出激光由光纤合束器4进行合束、光纤调整支架5进行光路调整后垂直入射光声池6，并保证光轴与光声池的轴心重合，光声池6上设有样品入口和样品出口，不同波长的输出激光和光声池内气溶胶相互作用在光声池内产生反应气溶胶粒子吸收信号压力波信号，同时沿着原来传输方向射出光声池，由置于光声池后端光纤调整支架12调整后由，并被光谱仪13实时接受并转化为电信号储存到计算机14得到不同波长得激光信号用于监测不同波长激光光信号，所述的光声池6外侧还设有微音器7，所述的压力波信号经微音器7接收转换、前置放大器9放大、锁相放大器10信号解调后被数据采集卡11采集并在计算机14进行保存得到反应气溶胶粒子吸收信号的光声信号，计算机结合不同波长得激光信号以及光声信号进行数据分析得到气溶胶在不同波长处的吸收系数。利用单一光声池同时测量气溶胶在多个波长处吸收系数的新方法其理论依据是：基于共振型光声光谱技术的仪器其工作频率是光声池的共振频率，对于单一波长来说，激光器是以这个共振频率进行振幅调制的。但是，对于多波长系统，需要同时测量多个光吸收产生的声压信号。如果所有的声信号都在共振频率上，那么微音器测得的信号就是所有声压的叠加，各自的信号就无法区分开。因此，在利用单一光声池同时测量气溶胶在多个波长处的吸收系数时，其中一个波长的激光振幅调制频率为光声池的共振频率f0，其余波长的激光振幅调制频率分布在其附近。以三波长系统为例，三个波长激光的振幅调制频率分别为：f0、f0+df、f0-df。微音器对共振频率上的光声信号的响应为Pm(f0)，偏离共振频率的光声信号响应为Pm(f0±df)，df的典型值为5Hz，该值对于信号的分辨率足够大，并且也能尽量的靠近共振腔的共振频率以实现光声信号的有效增强。根据光声原理，气溶胶粒子的吸收系数由下式给出：βabs=Pm·Ares·π2·f0PL·(γ-1)·Qcos(φm-φL)---(3)]]>其中Pm为微音器测得的声压信号，Ares为光声池的池常数，PL为激光器的输出功率，γ光声池内样品的比热容，Q是光声池的品质因子，φm、φL分别为光声信号、激光信号的相位。声压信号与调制频率的依赖关系满足洛伦兹分布，即：P~m(f)=P02Q(f-f0)f0+i---(4)]]>其中，P0是共振频率处声压的幅值，i是虚数。定义传递公式为声压在f0处的幅值与f处的幅值之比，即G~(f-f)≡P~m(f0)P~m(f)---(5)]]>则：G~((f0+df)-f0)≡G~(df)≡P~m(f0)P~m(f0+df)=1-i2Q·dff0---(6)]]>传递公式的幅值为：G(df)=1+(2Q·dff0)2---(7)]]>的相位为：φG(df)=-arctan(2Q·dff0)---(8)]]>公式(6)、(7)、(8)对于f0-df同样适用。根据公式(3)可知:βads(f)∝Re[P~m(f)P~L(f)G~(f-f0)]=Re[PmeiφmPLeiφLG(f-f0)eiφG]=PmPLG(f-f0)cos(φm-φL+φG)---(9)]]>因此，对于f0±df处光吸收的光声公式为：βabs(f0±f)=Pm(f0±f)PL(f0±f)G(df)Aresγ-1π2f0Qcos(φm-φL+φG)---(10)]]>当df＝0时，βabs即为f0处的计算公式。利用该方法，三个或者多个波长处的气溶胶光吸收系数就可以在同一个光声池内同时测量。本发明具体操作时基于实验室搭建的系统进行，具体包括以下步骤：(1)测量光声池的共振频率f0、品质因子Q和光声池的池常数Ares，具体的测量方法在《光谱学与光谱分析》第28卷第9期，李劲松《近红外波段CO2分子弛豫力学效应对光声信号的影响》文献中进行了详细描述；(2)根据步骤(1)的测量结果计算传递公式的幅值；(3)将测量气溶胶吸收的多波长激光器接入光纤光谱仪，获取每个波长处入射功率与光谱仪信号幅值的对应关系，即PL(λi)∝PS(λi)，这样，在实际测量过程中，就可以根据光谱仪的信号监测激光器的功率变化；(4)按照图1连接测量系统中的各仪器，将函数发生器输出的频率为f0、f0+df、f0-df方波信号分别接入不同波长的激光器调制接口，短波长激光器的调制频率偏离共振频率，长波长激光器的调制频率靠近共振频率，以保证每个波长的测量信噪比在同一水平；(5)将不同波长激光器的输出光接入光束合束器，调整光纤调整架，使得入射光声池的光束与光声池的轴心重合；(6)调整光声池后的光纤调整架，接收光声池后的出射光，并将接收到的出射光导入光纤光谱仪，实现每个波长激光功率的监测，即PL(λ1)、PL(λ2)、PL(λ3)；(7)将计算机采集到的光声信号进行傅里叶变换，获得f0、f0+df、f0-df频率处的光声信号幅值，即Pm(f0)、Pm(f0+df)、Pm(f0-df)；(8)根据步骤(1)(2)(6)(7)的结果结合公式(10)即可计算得到每个波长处气溶胶的吸收系数；(9)根据步骤(8)的测量结果结合公式(1)即可计算得到大气气溶胶的AAC，并根据该值的大小判断气溶胶的类型。当前第1页1 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