[发明专利]一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置及探测方法

权利要求书

1.一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，其特征在于，包括激光器(1)发射多个波段的激光脉冲，依次经由准直扩束系统(2)、反射镜(3)进入大气(4)中，产生的激光散射回波信号由望远镜(5)接收，望远镜(5)通过光纤(6)与分光系统(7)连接，分光系统(7)依次连接有光电探测器(8)、数据采集系统(9)和计算机(10)。

2.一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：激光器(1)发射出355nm、532nm和1064nm三个波段的激光脉冲，三个波段的激光脉冲经准直扩束系统(2)准直扩束后，由反射镜(3)反射进入大气(4)中；

步骤2：反射进入大气中的三个波段的激光脉冲与大气中的气溶胶颗粒物发射散射作用，产生的激光散射回波信号由望远镜(5)接收；

步骤3：由望远镜(5)接收的激光散射回波信号经光纤(6)引入分光系统(7)进行分光处理，得到355nm、532nm和1064nm三个波段的后向散射信号，分别由光电探测器(8)进行信号探测和光电转换；

步骤4：经光电转换之后产生的电信号由数据采集系统(9)进行数据采集，采集到的数据送入计算机(10)进行算法处理，得到单次散射的激光雷达功率方程；

步骤5，对步骤4得到的激光雷达功率方程通过反演算法得到气溶胶颗粒物质量浓度。

3.根据权利要求2所述的气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，其特征在于，步骤4中单次散射的激光雷达功率方程表述为消光系数σ(z,λ)与后向散射系数β(z,λ)的函数：

$P(z,\mathrm{\λ})=C\·P_0\·\frac{A}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}(z,\mathrm{\λ})\·\exp \[-2{\∫}_0^z\mathrm{\σ}(z_1,\mathrm{\λ}){\mathrm{dz}}_1\]---\left(1\right)$

式中，P(z,λ)为距离z处的瞬时接收功率，C为激光雷达系统常数，P₀激光发射功率，A望远镜接收面积，Y(z)系统几何重叠因子，σ(z,λ)为气溶胶消光系数，β(z,λ)为气溶胶后向散射系数。

4.根据权利要求3所述的气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，其特征在于，步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：激光雷达功率方程由Fernald反演算法分别得到355nm、532nm和1064nm三个不同波段的气溶胶颗粒物消光系数：

$\mathrm{\σ}(z,\mathrm{\λ})=\frac{\frac{P(z,\mathrm{\λ})z^2{T}_m(z,\mathrm{\λ}){(3S_1/4\mathrm{\π})}^{-2}{S}_1}{CE}}{1-\frac{2S_1}{CE}{\∫}_0^{r}P(z,\mathrm{\λ})z^2{T}_m(z,\mathrm{\λ}){(3S_1/4\mathrm{\π})}^{-2}dr}-S_1{\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})---\left(2\right)$

式中，S₁为大气气溶胶的雷达比，T_m(z)表示z处的大气分子的透射率，E表示激光雷达的发射脉冲能量；

步骤5.2：由多波段激光雷达探测到的气溶胶消光系数和后向散射系数信息，通过粒子谱反演算法，得到气溶胶颗粒物粒子谱的分布特征；

由米散射理论可知，气溶胶颗粒物的消光系数与其数密度有着直接的关系，波长为λ的气溶胶颗粒物光学参数与气溶胶颗粒物粒子谱之间满足第一类Fredholm积分方程：

$g_p\left(\mathrm{\λ}\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}\frac{3}{4r}{Q}_{\mathrm{\β}/ext}(r,\mathrm{\λ},m)v\left(r\right)---\left(3\right)$

式中，g表示光学参量，r气溶胶颗粒物粒子半径，m复折射率，λ波长，v(r)球形颗粒物粒子的体积分布函数，Q_β/ext(r,λ,m)是球形颗粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根据米散射理论计算得到，结合气溶胶颗粒物粒子谱n(z,r)得到消光系数σ_λ和后向散射系数β_λ的函数表达式，

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}\left(z\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{Q}_{\mathrm{\λ},ext}\left(r\right){\mathrm{\πr}}^{2}n(z,r)dr---\left(4\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\λ}}\left(z\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{Q}_{\mathrm{\λ},\mathrm{\β}}\left(r\right){\mathrm{\πr}}^{2}n(z,r)dr---\left(5\right)$

式中，Q_λ,ext和Q_λ,β分别为气溶胶颗粒物消光效率和后向散射效率；

粒子体积分布函数v(r)通过加权因子W_j拟合样条曲线的方法得到，

$v\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j{B}_j\left(r\right)+{\mathrm{\ϵ}}^{math}\left(r\right)---\left(6\right)$

式中，B_j(r)为B样条曲线，ε^math(r)为计算误差，K为样条函数的个数，因此通过加权因子W_j的求解获得气溶胶粒子谱分布；当计算误差ε^math(r)趋于无限小时，得到球形粒子的体积分布，为：

$v\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{W}_j{B}_j\left(r\right)---\left(7\right)$

步骤5.3：将气溶胶颗粒物粒子消光效率与气溶胶颗粒物粒子谱分布特征做比值处理，得到气溶胶颗粒物质量消光效率(MEE)；

颗粒物质量消光效率(MEE)表征的是对于任意给定的粒子谱分布和激光波长，单位体积内的消光系数与颗粒物质量浓度的比值，是粒子谱分布特性和消光效率的函数，表达式为

$MEE=\frac{\mathrm{\π}{\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{r}^2{Q}_{ext}(r,\mathrm{\λ},m)n\left(r\right)dr}{\frac{4}{3}\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}{\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{r}^{3}n\left(r\right)dr}---\left(8\right)$

式中，ρ为粒子标准密度；

步骤5.4：通过气溶胶消光系数与质量消光效率相结合获得颗粒物的质量浓度，如下式所示：

$C\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_a(z,\mathrm{\λ})}{MEE}g/m^3---\left(9\right);$

式中，σ_a(z,λ)为气溶胶消光系数。