气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了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主要包括进样单元、积分浊度计、气泵、流速计、出气通道等，其功能是实现浊度计和穆勒矩阵测量仪器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，控制处理终端模块主要包括数据采集与控制单元及数据处理及显示单元，其功能包括数据采集及预处理、数据的完整性补充与加密、标定系数的计算及测量结果的显示。本实用新型使得传统的穆勒矩阵测量仪器可输出散射系数值，标定装置结构简单，方案实用易行。
【专利说明】
气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置
技术领域
[0001]本实用新型属于气象观测领域，涉及一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定
目.0
【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，通过这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。在这两种仪器设计中，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]这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，通过这些测量数据，不仅可以计算得到穆勒矩阵，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，测量得到的穆勒矩阵需要进行归一化处理，因此无需特别关注散射体体积，因此这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，这导致散射光强直接空间积分可能存在一定误差。基于以上问题的思考，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。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型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，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，本实用新型的技术方案如下: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池度计、位于积分池度计下游的气栗、与气栗输出相连的流速计、以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]优选地，所述积分浊度计与气栗之间设置有与气溶胶穆勒矩阵测量仪相连的接入
□ O
[0008]优选地，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。
[0009]优选地，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。
[0010]优选地，所述积分浊度计为积分球式的浊度计。
[0011]其中所述的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。
[0012]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;所述的数据处理及显示单元的功能包括测量数据的预处理(例如数据平均，异常值剔除等)、数据的完整性补充和加密、显示积分浊度计与气溶胶穆勒矩阵测量仪随时间动态变化的测量数据、以及输出仪器定标系数。
[0013]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。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0015](I)通过本实用新型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；
[0016](2)标定装置结构简单，方案实用易行。
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型的结构组成框图；
[0018]图2是本实用新型的整个控制流程图。
【具体实施方式】
[0019]为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型具体实施步骤做进一步详细描述。
[0020]如图1所示，本实用新型提供一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置的具体实施例，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池度计、位于积分池度计下游的气栗、与气栗输出相连的流速计、以及与流速计输出相连的出气通道，其中积分浊度计与气栗之间设置有与气溶胶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的光散射过程的同时观测，获取对应的观测数据;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的气阀等部件，其中滤网防止沙粒等大颗粒物的进入，造成实验设备的污染与堵塞。气栗、流速计置于出气管道端，目的是防止气体样本经过气栗和流速计后气溶胶的物理化学特性发生改变。
[0021]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，同步对积分池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包括测量数据的预处理(例如数据平均及异常值剔除)、数据的完整性补充和加密、显示积分浊度计与气溶胶穆勒矩阵测量仪随时间动态变化的测量数据、以及输出仪器定标系数，具体数据处理步骤如后文所示。
[0022]结合上述实施例的结构，如图2所示，本实用新型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:
[0023](I)开启积分浊度计、穆勒矩阵测量仪，并进行预热，确保各仪器工作正常；
[0024](2)开启气阀及气栗，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% ；
[0025](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；
[0026](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，其中对于积分浊度计，将该时间区间内的散射系数输出值做算术平均，对于气溶胶穆勒矩阵测量仪，将测量的穆勒矩阵和监视器测量的散射光强数据分别作算术平均；
[0027](5)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，对获得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;
[0028](6)对比积分浊度计测量值与散射能量积分值Do，获取对应定标系数。
[0029]当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于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栗、与气栗输出相连的流速计、以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。2.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于:所述积分浊度计与气栗之间设置有与气溶胶穆勒矩阵测量仪相连的接入口。3.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于: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。4.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于: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。5.根据权利要求1所述的一种气溶胶穆勒矩阵测量仪的散射系数标定装置，其特征在于:所述积分浊度计为积分球式的浊度计。
【文档编号】G01N21/47GK205562384SQ201620241959
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】胡帅, 高太长, 李 浩, 刘磊, 翟东力, 程天际, 陈鸣
【申请人】中国人民解放军理工大学