气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气象观测领域，设及一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 气溶胶的散射系数和穆勒矩阵是描述气溶胶散射特性的重要参数，其中散射系数 表征了气溶胶的整体散射能力，而穆勒矩阵不仅表征了散射能量的空间分布，同时也是定 量描述入射光偏振状态和不同方向散射光Stokes矢量转换关系的物理量。
[0003] 随着对穆勒矩阵准确获取问题的日益关注，逐步发展了气溶胶穆勒矩阵测量技 术。目前发展的技术包括两类:一类是在入射光源和散射光接收端设置偏振片和1/4和1/2 波片，通过运些光学元器件的机械旋转，改变光的偏振状态，进而将不同的穆勒散射矩阵元 素调制到散射光强信号上进行测量；另一类采用的是光电相位调制技术，入射光经过起偏 器后，采用光电相位调制器对其进行高频相位调制，从而将穆勒矩阵元素加载至不同频率 的谐波信号上，然后在散射光测量端通过偏振片和1/4波片的机械旋转组合，结合锁相放大 技术实现穆勒矩阵元素的测量，由此部分克服了光学元器件的机械旋转问题。在运两种仪 器设计中，通常还在特定散射角上(如30°)增加了 一个监视器，其用途是通过对散射光强度 的测量来监视气流稳定性。
[0004] 运两类穆勒矩阵测量仪器实现了气溶胶散射光强度和偏振信息的高角度分辨率 测量，因此从原理上讲，通过运些测量数据，不仅可W计算得到穆勒矩阵，同时对散射光强 进行空间球面积分还极有可能获得气溶胶散射系数(许多实验证明，散射光空间积分值和 散射系数存在强相关性），但目前穆勒矩阵测量仪器并没有实现该测量功能，其原因主要包 括两个方面:一方面，散射光空间积分值需要通过对应的散射体体积订正后才能获得散射 系数，但测量得到的穆勒矩阵需要进行归一化处理，所W无需特别关注散射体体积，因此运 些仪器本身并不输出有效散射体积值;另一方面，由于受入射激光源、探测器和吸收光阱体 积的限制，导致散射角0°及180°附近存在部分测量盲区，测量数据存在不完整性，同时受测 量角度个数的限制，数据是在一定角度范围内离散分布的，运导致散射光强直接空间积分 可能存在一定误差。基于W上问题的思考，设想能否通过实验定标的方式解决有效散射体 体积不确定性的问题，能否基于实测穆勒矩阵数据及矩阵元素随散射角的变化规律，实现 对缺测散射角处数据的补充及可测散射角区间的数据加密，进而结合定标实验，获取散射 光空间积分值的校正系数，进而实现气溶胶散射系数的测量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置及方法，通 过该散射系数标定装置的标定过程与后续的测量数据处理，使得气溶胶穆勒矩阵测量仪可 实现散射系数的实时输出，进一步拓展其测量功能。
[0006] 为实现上述目的，本发明的第一技术方案如下：一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散 射系数标定装置，其包括定标实验设备模块和控制处理终端模块，其中定标实验设备模块 包括进样单元、与进样单元输出相连的积分浊度计、位于积分浊度计下游的气累、与气累输 出相连的流速计、W及与流速计输出相连的出气通道，控制处理终端模块包括数据采集与 控制单元、及数据处理及显示单元。
[0007] 在第一技术方案的基础上进一步包括如下附属技术方案：
[0008] 所述积分浊度计与气累之间设置有与气溶胶穆勒矩阵测量仪相连的接入口。
[0009] 所述进样单元至少包括进气管道、设置在进气管道入口的滤网、及控制进气管道 进气速度的气阀，其中气阀、流速计、数据采集与控制单元构成实现气流流速控制的负反馈 控制系统。
[0010] 所述气溶胶穆勒矩阵测量仪的光源波长与积分浊度计一致。
[0011] 所述积分浊度计为积分球式的浊度计。
[0012] 所述定标实验设备模块主要功能是实现积分浊度计和气溶胶穆勒矩阵测量仪对 同一大气样本的光散射过程的同时观测，获取对应的观测数据，其中积分浊度计输出散射 系数，气溶胶穆勒矩阵测量仪输出穆勒矩阵和监视器测量的散射光强。
[0013] 所述的数据采集与控制单元的功能是在定标实验过程中，控制气体流速，同步对 积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集。所述数据处理及显示单元的功 能是测量数据的预处理(数据平均，异常值剔除等）、数据的完整性补充和加密、显示积分浊 度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪随时间动态变化的测量数据和输出仪器定标系数。
[0014] 为实现上述目的，本发明的第二技术方案如下：一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散 射系数标定方法，其执行步骤如下：
[0015] (S1)开启积分浊度计、气溶胶穆勒矩阵测量仪，并进行预热，确保仪器工作正常；
[0016] (S2)开启气阀及气累，结合流速计数据，采用PID技术调节气阀，使流速计示值保 持在一个稳定值；
[0017] (S3)同步对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集，并将数据 传输至数据处理及显示单元进行存储；
[0018] (S4)设定一定的时间区间，对积分浊度计及气溶胶穆勒矩阵测量仪所获得的测量 数据进行平均处理；
[0019] (S5)针对气溶胶穆勒矩阵测量仪测量数据存在不完整性的缺陷，对得到的测量数 据进行完整性补充和加密，通过散射光强的空间积分获取散射能量积分值Do;
[0020] (S6)将积分浊度计测量值与散射能量积分值Do进行比较，获取对应定标系数。
[0021] 在第二技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
[0022] 步骤S5中依据实际穆勒矩阵元素随散射角的变化特征，提出了采用基于修正H-G 公式的拟合外推方法实现散射角0°附近测量盲区的数据外推，采用多项式拟合方法实现 180°附近测量盲区的数据外推，基于Ξ次样条插值方法实现可测散射角区间的数据加密。
[0023] 步骤S5中采用辛普森积分或梯形积分公式对散射光的空间积分获取散射能量积 分值。
[0024] 步骤S6中在散射系数对比定标过程中，采用积分浊度计与气溶胶穆勒矩阵测量仪 对同一大气样本进行同步观测实验，通过散射光空间积分值与散射系数的对比获取定标系 数。
[0025] 值得注意的是，气溶胶散射函数或散射相函数测量装置也可采用本装置定标，实 现散射系数的测量与输出，实施原理相似。
[0026] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0027] (1)通过本发明所提出的标定装置的定标实验，可使得传统的气溶胶穆勒矩阵测 量仪可输出散射系数值；
[0028] (2)标定装置结构简单，方案易行。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的结构组成框图；
[0030] 图2是本发明的整个控制流程图；
[0031] 图3是本发明的数据完整性补充与加密流程图。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明具体 实施步骤做进一步详细描述。
[0033] 如图1所示，本发明提供一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置的第一 实施例，其包括定标实验设备模块及控制处理终端模块，其中定标实验设备模块包括进样 单元、与进样单元输出相连的积分浊度计、位于积分浊度计下游的气累、与气累输出相连的 流速计、W及与流速计输出相连的出气通道，其中积分浊度计与气累之间设置有与穆勒矩 阵测量仪相连的接入口；定标实验设备模块的功能是实现积分浊度计和气溶胶穆勒矩阵测 量仪对同一大气样本光散射过程的同时观测，获取对应的观测数据，其中积分浊度计输出 散射系数，穆勒矩阵测量仪输出穆勒矩阵和监视器测量的散射光强;进样单元至少包括进 气管道、设置在进气管道入口的滤网、及控制进气流速的气阀等部件，其中滤网是为了防止 沙粒等大颗粒物的进入，造成实验设备的污染与堵塞。气累、流速计置于出气管道端，目的 是防止气体样本经过气累和流速计后，气溶胶的物理化学特性发生改变。
[0034] 控制处理终端模块包括数据采集与控制单元、及数据处理及显示单元。其中数据 采集与控制单元的功能是在定标实验过程中，控制气体流速，同步对积分浊度计及气溶胶 穆勒矩阵测量仪的测量数据进行采集;其中流速计、气阀及数据采集与控制单元构成控制 气流流速的负反馈系统，采用PID技术进行控制。数据处理及显示单元的功能是测量数据的 预处理(例如:数据平均及异常值剔除）、数据的完整性补充和加密、显示积分浊度计与穆勒 矩阵测量仪随时间动态变化的测量数据、及输出仪器定标系数，具体数据处理步骤如后文 所示。
[0035] 结合第一实施例的结构，如图2所示，本发明提供一种气溶胶穆勒矩阵测量仪器的 散射系数标定方法，具体步骤如下：
[0036] (1)开启积分浊度计、气溶胶穆勒矩阵测量仪，并进行预热，确保各仪器工作正常；
[0037] (2)开启气阀及气累，结合流速计数据，通过PID技术调节气阀，使得进样气流保持 某一稳定的流速，气流稳定性通过流速计的测量值进行判定，气流流速的波动性应小于 10%;
[0038] (3)同步对积分浊度计的散射系数测量值、气溶胶穆勒矩阵测量仪测量的穆勒矩 阵数据及监视器输出的散射光强信号进行采集，并将数据传输至数据处理及显示单元进行 存储；
[0039] (4)由于两仪器的数据输出频率的不同，测量结果还受气流稳定性的影响，因此选 取一时间区间，对两仪器测量数据进行平均处理，其中对于