[发明专利]一种应用于痕量气体浓度和气溶胶消光同时测量的腔增强吸收光谱装置及方法

权利要求书

1.一种应用于痕量气体浓度和气溶胶消光同时测量的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：该装置包括：宽带光源(1)，第一透镜(2)，第二透镜(11)，滤光片(10)，光阑(3)，第一高反镜(4)，第二高反镜(9)，第一吹扫保护气路进气口(5)，第二吹扫保护气路进气口(8)，采样气路进气口(6)，排气口(7)，滤光片(10)，光纤(12)，光谱仪(13)和光学腔(14)；光学腔(14)两端安装第一高反镜(4)和第二高反镜(9)，宽带光源(1)发出的光通过第一透镜(2)准直后，经过光阑(3)后进入光学腔(14)，光束在光学腔(14)内经多次反射吸收，光学腔(14)上开有第一吹扫保护气路进气口(5)，第二吹扫保护气路进气口(8)，采样气路进气口(6)和排气口(7)，第一吹扫保护气路进气口(5)和第二吹扫保护气路进气口(8)在光学腔(14)下方，采样气路进气口(6)和排气口(7)在光学腔(14)上方，从光学腔出射的光辐射经滤光片(10)以及第二透镜(11)耦合进入光纤(12)后传输至光谱仪(13)，进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：该装置中同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光计算步骤为：将测量得到总吸收系数分为两个部分，一部分为随波长作快变化的痕量气体吸收结构，另一部分为随波长作慢变化气体散射和气溶胶消光系数；对测量得到的总吸收系数进行非线性最小二乘拟合可以计算出待测痕量气体的浓度，最后从总吸收系数扣除气体吸收结构和气体散射即得到气溶胶消光系数。

3.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：所述宽带光源为氙灯等热光源，或者为发光二极管。

4.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：为保证LED光源的稳定，LED温度可由半导体制冷片控制在设定温度。

5.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：高反镜曲率半径相同，反射率通常大于99.9％，通过三维调整架固定于光学腔两端且组成稳定的光学谐振腔，保证腔增强吸收光谱装置具有较高的灵敏度和时间分辨率。

6.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：所述的滤光片通常放置于光学腔出射端，主要用于抑制高反镜高反波段以外的光对测量的影响。

7.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：所述的光学腔两端通常采用吹扫气路来保护两片高反镜不受颗粒物和气溶胶污染。

8.根据权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置，其特征在于：所述的腔增强吸收光谱 装置可通过替换相应波段的宽带光源以及相应高反区域的高反镜片来实现其他痕量吸收气体浓度和相应波段气溶胶的消光系数的同时监测。

9.一种同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光的方法，使用权利要求1所述的腔增强吸收光谱装置同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)、首先进行高反镜反射率随波长变化曲线的标定，然后腔内充入高纯氮气进行零吸收背景光谱I0(λ)的测量，然后进行实际大气谱I(λ)测量；

步骤2)、根据腔增强吸收光谱的基本原理可知，总的吸收系数α(λ)可以表示为：

其中，R(λ)为高反镜的镜片反射率，I0(λ)和I(λ)分别代表腔内充入纯净零吸收气体和实际大气采样时的光强，d为腔长，总的吸收系数α(λ)包括随波长作快变化的痕量气体吸收结构和随波长作慢变化的气体散射和气溶胶消光系数；

步骤3)、将与仪器函数卷积后的高分辨率标准截面与总的吸收系数做非线性最小二乘拟合得到痕量气体浓度；

步骤4)、计算气体散射部分；

步骤5)、得到的总的吸收系数减去痕量吸收气体的吸收部分结构和气体散射可以得到气溶胶消光系数。