一种多角度光学粒子计数和折射率在线测量装置及方法

本发明涉及大气颗粒物光学探测技术领域，具体涉及一种多角度光学粒子计数与折射率在线测量装置及方法。

背景技术：

大气颗粒物是影响环境空气质量的重要污染物之一；是影响地球大气辐射平衡乃至全球气候的关键所在；也是影响人体健康的主要危害因素之一。因此发展大气颗粒物监测技术尤为重要。在这其中，颗粒物的粒径分布是大气颗粒物的重要特征，特别是数浓度的测量尤为重要，颗粒物浓度谱分布测量也是观测大气颗粒物特性的基础。为了测量颗粒物数浓度谱分布，首先需要对颗粒物数浓度进行准确测量，多采用光学计数方法。其原理是利用光电探测器对颗粒物通过光束产生散射光信号进行测量，反演光信号便得到粒径大小，同时通过巧妙设计颗粒物喷口，使颗粒物以单颗粒形式依次通过光束，对散射光信号的脉冲进行计数，反演得到颗粒物的数浓度。该方法测量准确、精度高、结构简单和非接触快速测量能力，逐渐成为粒子计数器的主流测量方法之一。

在过去三十年，光学粒子计数器技术发展迅速并已日趋成熟，向着微型、更高精度，更高效率、更高浓度的应用发展。美国tsi、metone、德国grimm、日本加野等公司也相继推出了商业化仪器。如美国metone公司通过对进气口进行改进设计出100lpm大流量光学粒子计数器。进入21世纪以后，特别是2010年以后，无人机的出现推进了光学粒子计数器的发展进程。通过将光学粒子计数器搭载在无人机上，可以提供气溶胶在整个大气中更准确的分布信息，并且随着技术的发展，科研人员开发了各种具有高性能和复杂性设计的光学粒子计数器来满足大气探测的需要，如2016年美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室研究出的0.14微米探测下限、2016年法国奥尔兰大学科研人员实现无透镜光路粒径测量的新型光学粒子计数器。这些技术的涌现推动了光学粒子计数在的进一步发展与应用。但目前大气颗粒物的在线监测方面，光散射技术还存在以下问题与不足：(1)光学粒子计数可以实现大气颗粒物的粒径和数浓度测量，但难以实现大气颗粒粒径、折射率同步测量；(2)现有的光散射粒径测量结果容易受到颗粒物折射率、粒子形状等参数的影响，从而降低了粒径测量的范围与准确性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光散射原理的多角度光学粒子计数和折射率在线测量装置及方法，该装置及方法能够解决现有技术中存在的不足，实现粒径和折射率的实时、非接触测量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种多角度光学粒子计数和折射率在线测量装置，包括激光器、准直系统、散射系统、探测器、信号处理电路和计算机；两路或多路激光器出射的激光经准直系统准直后入射到颗粒物上，共得到两组前向10—30°、两组后向150—170°共四组散射光，并通过反射镜后经二向色镜分光入射在四组探测器内；四组探测器将接收到的光信号i1、i2、i3、i4分别转化为电信号并输入到信号处理电路，由信号处理电路将信号变化量放大并将信号峰值p1、p2、p3、p4分别输入计算机，计算机将峰值p1、p2、p3、p4与预先计算的数据库中的数据进行实时比较，通过最小二乘法找到响应值最接近的四元组，便得到了待测粒子的大小、折射率实部虚部；所述准直系统设置有两路或多路，包括非球面镜、柱面镜和光阑；所述非球面镜、柱面镜、和光阑同轴设置；

所述散射系统设置有两路或多路，包括反射镜、二向色镜和聚焦透镜；所述反射镜包括前向反射镜和后向反射镜；

进一步的，所述激光器采用半导体激光器，输出稳定光强激光，以提高大气颗粒物的粒径测量精度。

进一步的，所述两路激光器分别采用蓝光、绿光激光器，便于二向色镜分光。

进一步的，所述非球面镜、柱面镜采用pmma材质。

进一步的，所述前向反射镜散射角度为10—30°。

进一步的，所述后向反射镜散射角度为150—170°。

进一步的，所述二向色镜以45°角放置，实现对波长分光。

进一步的，所述采样颗粒物应确保单个通过光路，以实现单个大气颗粒物粒径大小与折射率的实时测量与分析。

本发明还提供一种进行光学粒子计数与颗粒物折射率在线测量方法，包括以下步骤：

第一步，运用蒙特卡洛算法随机产生不同粒径、折射率实部及折射率虚部大小的粒子，计算不同粒子在绿光、蓝光照射下前向、后向散射光共四组响应，组合得到初步粒子散射数据库；

第二步，使标准颗粒物单个依次通过激光束，通过四组探测器收集激光器前向、后向散射光，并通过信号处理电路及计算机得到标准颗粒物信号峰值p1、p2、p3、p4；

第三步，计算标准颗粒物信号峰值p1、p2、p3、p4与粒子散射数据库信号之间的关系，通过三阶线性拟合得到比例因子；

第四步，测量在采样过程中通过激光光斑的单颗粒物散射光信号，将探测器四个数据与由四列组成的预先计算的评估表进行实时比较，通过最小二乘法找到响应值最接近的四元组，得出待测粒子粒径的大小、折射率实部虚部。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述多角度光学粒子计数和折射率测量装置具有结构简单、操作方便、无需人工膜采样等特点，通过颗粒物在小角度光散射下散射信号与粒径正相关，大角度光散射下散射信号与折射率正相关的特性，实现大气颗粒物粒径折射率同步测量功能。该方法对于大气细颗粒物的变化特征及来源分析起到很好的技术支撑作用。

(2)本发明所述多角度光学粒子计数和折射率测量装置对准直光路进行了优化和改进，对激光宽度在焦点处进行压缩，有效提高了粒径测量下限，并减小了误报率。

(3)本发明所述多角度光学粒子计数和折射率测量装置通过搭建散射光路，实现一个颗粒物获取四组探测器信号，对四组信号进行分析验证提高了粒径和折射率的测量精度。

附图说明

图1为本发明中一种多角度光学粒子计数和折射率在线测量装置示意图；

其中：

1、532nm绿光激光器，2、绿光非球面镜，3、绿光柱面镜，4、绿光光阑，5、绿光前向反射镜，6、蓝光后向反射镜，7、绿光后向反射镜，8、蓝光前向反射镜，9、蓝光光阑，10、蓝光柱面镜，11、蓝光非球面镜，12、450nm蓝光激光器，13、蓝光前向探测器，14、蓝光前向聚焦透镜，15、第一二向色镜，16、绿光后向聚焦透镜，17、绿光后向探测器，18、绿光前向探测器，19、绿光前向聚焦透镜，20、第二二向色镜，21、蓝光后向聚焦透镜，22、蓝光后向探测器，23、信号处理电路，24、计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示的一种多角度光学粒子计数和折射率在线测量装置，包括绿光激光器1、蓝光激光器12、准直系统、散射系统、光电探测器、信号处理电路23和计算机24，其中绿光激光器1、蓝光激光器12可以通过时分复用技术实现更多波长入射。两路或多路激光器出射的激光经准直系统准直后入射到颗粒物上，共得到两组前向(10—30°)、，两组后向(150—170°)共四组散射光，其中绿光前向散射光经由绿光前向反射镜5、第二二向色镜20和绿光前向聚焦透镜19后由绿光前向探测器18接收；绿光后向散射光经由绿光后向反射镜7、第一二向色镜15和绿光后向聚焦透镜16后由绿光后向探测器17接收；蓝光前向散射光经由蓝光前向反射镜8、第一二向色镜15和蓝光前向聚焦透镜14后由蓝光前向探测器13接收；蓝光后向散射光经由蓝光后向反射镜6、第二二向色镜20和蓝光后向聚焦透镜21后由蓝光后向探测器22接收；四组探测器将接收到的光信号i1、i2、i3、i4分别转化为电信号并输入到信号处理电路23，由信号处理电路23将信号变化量放大并将信号峰值p1、p2、p3、p4分别输入计算机24，计算机24将峰值p1、p2、p3、p4与预先计算的数据库进行实时比较，通过最小二乘法找到响应值最接近的四元组，便得到了待测粒子的大小、折射率实部虚部。

所述准直系统包括绿光非球面镜2、蓝光非球面镜11、绿光柱面镜3、蓝光柱面镜10、绿光光阑4、和蓝光光阑9；所述非球面镜、柱面镜、和光阑同轴设置，这样可以保证光束质量，提高粒径测量下限，减小误报率。

所述散射系统包括绿光前向反射镜5，蓝光后向反射镜6，绿光后向反射镜7，蓝光前向反射镜8，第一二向色镜15，第二二向色镜20，蓝光前向探测器13，绿光后向聚焦透镜16，绿光前向聚焦透镜19，蓝光后向聚焦透镜21。

进一步的，所述绿光激光器1、蓝光激光器12采用半导体激光器，输出稳定光强的激光，以提高大气颗粒物的粒径测量精度。

进一步的，所述绿光激光器1、蓝光激光器12采用532nm、450nm激光器。便于分光且粒径探测下限低。

进一步的，所述绿光非球面镜2、绿光柱面镜3、蓝光柱面镜10、蓝光非球面镜11采用pmma材质，以达到最佳的激光准直效果。

进一步的，所述绿光前向反射镜5、蓝光前向反射镜8散射角度为10—30°。根据mie散射仿真结果，选取这个角度的散射信号与粒径正相关系数更高，更有利于粒径测量。

进一步的，蓝光后向反射镜6、绿光后向反射镜7散射角度为150—170°。据mie散射仿真结果，选取这个角度的散射信号与折射率正相关系数更高，更有利于折射率测量。

进一步的，所述第一二向色镜15、第二二向色镜20以45°角放置，根据实验结果，这个角度更有利于实现对蓝光、绿光进行分光。

进一步的，所述采样颗粒物应确保单个通过光路，以实现单个大气颗粒物粒径大小与折射率的实时测量与分析。

本发明还涉及一种上述测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤；

第一步，运用蒙特卡洛算法随机产生不同粒径(0.1-10μm)、折射率实部(1.1-2.0)及折射率虚部大小(0-1)的粒子，计算不同粒子在绿光、蓝光照射下前向、后向散射光共四组响应，组合得到初步粒子散射数据库；

第二步，使标准颗粒物(标准颗粒物采用duke标准粒子，粒径分别为：0.1um、0.3um、0.5um、0.7um、1.0um、2.0um、3.0um、5.0um、10um)单个依次通过激光束，通过四组探测器收集两个激光器前向、后向散射光，并通过信号处理电路及计算机得到标准颗粒物信号峰值p1、p2、p3、p4；

第三步，计算标准颗粒物信号峰值p1、p2、p3、p4与粒子散射数据库信号之间的关系，通过三阶线性拟合得到比例因子；其中，拟合公式为y＝b0+b1*x^1+b2*x^2+b3*x^3，y为标准光强，x为标准颗粒粒径大小，b0、b1、b2、b3为拟合参数；

第四步，测量在采样过程中通过激光光斑的单颗粒物散射光信号，将探测器四个数据与由四列组成的预先计算的评估表进行实时比较，通过最小二乘法找到响应值最接近的四元组，得出待测粒子粒径的大小、折射率实部虚部。

本发明的基本原理是：

单色光沿z轴正方向入射在颗粒物上时，散射光强度可表示为：

其中，相对折射率为m＝mp/m1＝n(1-i·η)(mp为颗粒折射率，m1为周围介质的折射率，n、η分别为复折射率实部和虚部，虚部存在时，表示颗粒对入射光具有吸收作用)；α为颗粒尺寸参数，当颗粒周围介质是真空或者空气时，周围介质折射率为1，该尺寸参数为α＝πd/λ,λ为入射光波长，i0为入射光强，γ为散射角，r为散射中心到探测点之间的距离，i1(α，mγ)、i2(α，mγ)分别是散射光电矢量垂直于和平行于散射面的强度分布函数。

i1(α，mγ)＝s1(α，mγ)·s1^*(α，mγ)

i2(α，mγ)＝s2(α，mγ)·s2^*(α，mγ)

其中，s1(α,mγ)、s2(α,mγ)是散射的振幅函数，s1^*(α,mγ)、s2^*(α,mγ)分别是s1(α，mγ)、s2(α，mγ)复共轭。

对于振幅函数表达式s1(α，mγ)、s2(α，mγ)，式中al、bl称为mie散射系数，其表达式如下：

上式中ψl(x)、ξl(x)为贝塞尔函数，其计算公式为：

其中为半整数阶的第一类贝塞尔函数，为第二类汉克尔函数，ψ′l(x)、ξ′l(x)分别表示ψl(x)、ξl(x)对各自变量求导。

同样对于振幅函数表达式s1(α，mγ)、s2(α，mγ)，式中πl、τl表达式为：

式中，pl(cosγ)、pl⁽¹⁾(cosγ)分别是关于cosγ的一阶勒让德函数和一阶缔合勒让德函数。

以上为mie散射部分理论，根据上述分析表明，要想计算出散射光强度，重点需要计算散射光强度函数i1(α，mγ)、i2(α，mγ)。而求解强度函数的关键是求解mie散射系数al、bl和散射角函数πl、τl，其中al、bl函数是关于颗粒相对折射率m以及颗粒尺寸参数α的函数,πl、τl函数是关于散射角γ的函数。综上所述，粒子散射光强i与粒子粒径d(尺寸参数α)、折射率m以及散射角γ强烈相关。也由此可以根据散射光强i实现颗粒物粒径、折射率判别。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。