[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

说明书

技术领域

本发明涉及痕量气体和气溶胶监测领域，具体涉及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，适合同时监测痕量气体浓度和气溶胶消光系数。

背景技术

随着我国经济的快速发展，城镇化和工业化的加速，环境污染问题也日益明显，尤其近些年来出现的区域性大气复合污染问题如光化学污染、灰霾细颗粒物污染严重超标的现象，大气污染形势日益突出。环境监测作为环境保护的重要组成部分，环境监测技术的改进提高对促进环境保护和可持续发展有着重要作用和意义。目前我国大气主要污染物为O₃，SO₂，NO_x等痕量气体以及气溶胶颗粒，这些有害污染物严重影响着人们的健康，同时获取痕量气体浓度和气溶胶特性对研究大气污染具有重要意义。

腔衰荡光谱技术通过分别测量脉冲信号在光学腔内衰荡时间的变化来得到痕量气体浓度或者气溶胶的消光系数。在腔衰荡光谱技术基础上发展起来腔增强吸收光谱，采用连续发射光源，使用由一对高反镜组成的光学腔，实现以约1m的腔长达到几公里的有效吸收光程，具有高灵敏度，高时间分辨率等优点，同时简化了光源和分析计算等要求。目前，腔增强吸收光谱技术已成功用于多种痕量吸收气体浓度的测量，而对于同时监测痕量气体浓度和气溶胶消光系数的研究较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了弥补传统测量技术无法同时监测气体痕量气体浓度和气溶胶消光的测量局限性，本发明提出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。

本发明解决上述技术问题具体所采取的技术方案如下：

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，该装置包括：宽带光源，第一透镜，第二透镜，滤光片，光阑，第一高反镜，第二高反镜，第一吹扫保护气路进气口，第二吹扫保护气路进气口，采样气路进气口，排气口，滤光片，光纤，光谱仪和光学腔；光学腔两端安装第一高反镜和第二高反镜，宽带光源发出的光通过第一透镜准直后，经过光阑后进入光学腔，光束在光学腔内经多次反射吸收，光学腔上开有第一吹扫保护气路进气口，第二吹扫保护气路进气口，采样气路进气口和排气口，第一吹扫保护气路进气口和第二吹扫保护气路进气口在光学腔下方，采样气路进气口和排气口在光学腔上方，从光学腔出射的光辐射经滤光片以及第二透镜耦合进入光纤后传输至光谱仪，进行信号处理。

进一步的，该装置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。

进一步的，所述的宽带光源可以为氙灯等热光源，也可以使用发光二极管(LED)作为光源。

进一步的，为保证LED光源的稳定，LED温度可由半导体制冷片控制于设定温度。

进一步的，所述的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。

进一步的，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。

进一步的，所述的光学腔两端可以增加吹扫气路来保护高反镜不受颗粒物、气溶胶等污染。

进一步的，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。

本发明另外提供一种同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光的方法，使用上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，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：