CN104596955A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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，LED温度采用半导体制冷片控制以保证光强输出的稳定；光学腔两端的高反镜曲率半径相同，反射率大于99.9％，组成稳定的光学谐振腔。腔增强吸收光谱通常通过测量腔内有无气体吸收时的光强，高反镜的镜片反射率随波长的变化曲线，最终得到腔内吸收气体的浓度。本发明可实现痕量气体浓度和气溶胶消光的同时测量，将实际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。

Description

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

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：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{d}\·\frac{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)-I\left(\mathrm{\λ}\right)}{I\left(\mathrm{\λ}\right)},$

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；例如可以直接采用Brasseur在1986年提出的算法进行计算。

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。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明使用的装置结构相对简单，可使用新型高发光功率的LED光源，价格低廉，节能环保且寿命长。

(2)本发明使用的高反镜反射率较高，两片高反镜的曲率半径相同，组成稳定的光学谐振腔，具有较高的灵敏度和时间分辨率。

(3)本发明的装置操作简单，自动化程度高，可实时监测痕量气体浓度和气溶胶消光系数。

(4)本发明使用的腔增强吸收光谱装置的反演方法可以将痕量气体吸收和气溶胶消光系数区分开，可以避免相互干扰，实现痕量气体浓度和气溶胶消光的同时测量。

(5)本发明使用的装置可替换不同波段光源和高反镜，可对于多种痕量气体和不同波段的气溶胶消光系数同时测量。

附图说明

图1是本发明所述的同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光的腔增强吸收光谱装置的一种基本结构示意图，其中1为宽带光源，2、11为第一、第二透镜，3为光阑，4、9为第一、第二高反镜，5、8为第一、第二吹扫保护气路进气口，6为采样气路进气口，7为排气口，10为滤光片，12为光纤，13为光谱仪，14为光学腔。

图2是本发明所述的同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光的腔增强吸收光谱计算步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选的技术方案进行详细的描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1为同时监测痕量气体浓度和气溶胶消光的腔增强吸收光谱装置一种基本结构示意图。其中1为宽带光源，2、11为第一、第二透镜，3为光阑，4、9为第一、第二高反镜，5、8为第一、第二吹扫保护气路进气口，6为采样气路进气口，7为排气口，10为滤光片，12为光纤，13为光谱仪和14为光学腔。宽带光源1发出的光通过第一透镜2准直后经过光阑3进入光学腔，光束在光学腔内经多次反射吸收，光学腔14两端安装第一高反镜4和第二高反镜9，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。其中，吹扫保护气路进气口距离高反镜较近，用来保护高反镜不受颗粒物、气溶胶等污染，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。

在本实施例中LED光源中心波长约365nm，光谱覆盖范围约为350-385nm，LED温度由半导体制冷片控制在20±0.1℃。高反镜在360-385nm波段内厂家标称反射率大于99.99％，通过调整架固定于光学腔两端。使用该LED的腔增强吸收光谱实验装置可进行大气NO₂和HONO的浓度和360nm-380nm波段范围内气溶胶消光系数的同时测量。

高反镜镜片反射率的标定可采用不同气体的Rayleigh散射的差异性进行标定，也可以采用已知浓度的吸收气体进行标定。

进行实际大气测量时，接通氮气保护气路来保护高反射镜，首先等待***稳定后通入高纯氮气进行零吸收背景光谱的测量，然后打开抽气泵，由质量流量计控制进腔流速，进行实际大气采样。

通过编写Labview程序或者c语言程序可实现腔增强吸收光谱实验装置定期自动标定镜片反射率以及测量零吸收背景光谱，以及根据根据图2所示的同时测量痕量气体吸收和气溶胶消光的腔增强吸收光谱计算步骤，实现实时自动监测痕量气体浓度和气溶胶消光系数。

具体的，使用本发明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，如图2所示主要包括以下计算步骤：

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：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{d}\·\frac{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)-I\left(\mathrm{\λ}\right)}{I\left(\mathrm{\λ}\right)},$

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)、气体散射部分可以直接采用Brasseur在1986年提出的算法进行计算。

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。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

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。