一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法与流程

本发明涉及环境监测技术领域，更具体地说，涉及一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法。

背景技术：

气溶胶颗粒是指悬浮在大气中的直径在1nm到100um的各种固态微粒和液态微粒。近年来我国城市灰霾天气的显著增多与气溶胶颗粒有着直接关系。气溶胶颗粒通过与太阳光发生光散射和光吸收作用，能够显著的影响空气质量和大气能见度，对人类的身心健康、日常出行和城市交通带来直接影响。从上世纪60年代起，国内外学者就广泛开展气溶胶颗粒的化学成分、粒径分布、光学特性等及大气颗粒物影响能见度机制方面的研究。

气溶胶颗粒的折射率通常表示为m＝n-ik，其中折射率m的实部n主要影响光散射作用，折射率虚部k主要影响光吸收作用。气溶胶颗粒的复折射率与其化学成分和结构特征相关，它是表征气溶胶颗粒光学特性的重要物理指标，是影响大气能见度的重要因素。因此，研究气溶胶颗粒的折射率在线测量方法和技术对大气环境具有重要意义。

近地气溶胶颗粒大致分为五类：二次生成颗粒物如硫酸盐、硝酸盐和铵盐，燃烧物质如炭黑，沙尘类如地壳元素ca、mg、al、fe、si的氧化物，有机质如花粉，以及海盐飞沫等。其中，硝酸钠、硫酸铵等是二次生成水溶性颗粒物的代表，氯化钠是海盐的代表，二氧化硅和氧化铝是沙尘的代表，元素碳是燃烧类炭黑的代表，水滴作为典型标准气溶胶颗粒物可以作为参考。

目前，气溶胶折射率的测量方法主要是通过取样直接测量气溶胶的吸收系数，比如滤膜取样法和元素碳浓度法等，该方法改变了气溶胶粒子在空气中的真实悬浮状态，所以测量误差较大，属于离线的测量方法，速度慢；同时，该方法测量的是颗粒物的平均折射率，并不是单颗颗粒物的折射率。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明提供了一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法，能够实时快速地测量气溶胶颗粒的折射率，且能够准确地测量出单颗颗粒物的折射率，测量准确性高。

本发明提供了一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法，包括：

获取入射光的波长、入射光的偏振态、颗粒物的粒径范围和颗粒物的折射率范围；

在所述粒径范围内和所述折射率范围内随机选取粒径和折射率进行组合，获得所述粒径范围内所有不同的粒径与所述折射率范围内所有不同的折射率之间的粒径-折射率组合；

基于所述入射光的波长和所述入射光的偏振态，根据偏振散射原理，分别求取不同的粒径-折射率组合所对应的偏振态指标；

根据粒径-折射率组合及其对应的偏振态指标建立数据对照表，所述数据对照表表征了所有不同的粒径-折射率组合与偏振态指标之间的对应关系；

测量待检测的气溶胶颗粒的粒径，以及待检测的气溶胶颗粒在所述入射光的波长和所述入射光的偏振态情况下的偏振态指标；

根据所述待检测的气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标在所述数据对照表中遍历，以获得对应的折射率。

可选地，测量待检测的气溶胶颗粒在所述入射光的波长和所述入射光的偏振态情况下的偏振态指标具体包括：

在第一预设角度和第二预设角度上测量经过偏振态测量系统的待检测的气溶胶颗粒对应的第一散射光斯托克斯向量和第二散射光斯托克斯向量；

基于所述第一散射光斯托克斯向量和所述第二散射光斯托克斯向量分别提取对应的偏振态指标。

可选地，所述基于所述第一散射光斯托克斯向量和所述第二散射光斯托克斯向量分别提取对应的偏振态指标具体包括：

通过求取所述第一散射光斯托克斯向量中的u向量与i向量之比，获得第一退偏度指标；

通过求取所述第二散射光斯托克斯向量中的u向量与i向量之比，获得第二退偏度指标；

其中，u向量代表45度线偏振与135度线偏振光强之差，i向量代表总光强。

可选地，所述第一预设角度为60度，所述第二预设角度为115度。

可选地，所述测量待检测的气溶胶颗粒的粒径具体包括：

在第三预设角度下，利用光电探测器测量得到所述待检测的气溶胶颗粒的散射光强，并通过粒径标定曲线测量得到所述待检测的气溶胶颗粒的粒径。

可选地，还包括：

选择多种粒径的标准聚苯乙烯小球，多次测量每种粒径的标准聚苯乙烯小球在第三预设角度下的散射光强，并且分别计算得到每种粒径下标准聚苯乙烯小球的平均散射光强；

根据每种粒径下标准聚苯乙烯小球的平均散射光强拟合得到颗粒物粒径与所述第三预设角度下散射光强的关系式，并将所述关系式作为粒径标定曲线。

可选地，所述第三预设角度为10度。

可选地，所述标准聚苯乙烯小球的多种粒径包括有0.1um、0.3um、0.5um、1um、1.5um、2.5um、5um、10um。

可选地，所述入射光的波长为532nm。

可选地，所述入射光的偏振态为45度线偏振入射光。

本发明具有以下有益效果：

本发明中通过预先选定测量系统中入射光的波长以及偏振态，并且测量待检测的气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标，来反演对应的折射率，能够准确获得单颗气溶胶颗粒的折射率；并且在本发明中预先根据偏振散射原理求取了不同的粒径-折射率组合所对应的偏振态指标，建立得到数据对照表，在测量得到气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标之后，能够通过查询数据对照表，快速查找得到对应的折射率，避免了繁杂的运算，节省了大量的时间，能够实现气溶胶颗粒的折射率实时快速测量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的入射光照射到颗粒发生光散射的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种测量系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种偏振态指标测量方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的不同折射率颗粒物散射光退偏度角度谱；

图6是本发明实施例提供的待检测的气溶胶颗粒的粒径测量方法流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

光的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，偏振是光的一种固有属性，光的固有属性还包括光强、波长、相位等。在物理学中，可以用一个四维的斯托克斯向量[i,q,u,v]来描述偏振光，其中i代表总光强、q代表水平线偏振与垂直线偏振光强之差、u代表45度线偏振与135度线偏振光强之差、v代表右旋圆偏振与左旋圆偏振光强之差。

如图1所示，图1为入射光照射到颗粒发生光散射的示意图。其中，散射光斯托克斯向量[is,qs,us,vs]和入射光斯托克斯向量[ii,qi,ui,vi]之间存在如下关系式：

is＝e//se//s^*+e⊥se⊥s^*

＝(|s2|²+|s1|²)ii/2+(|s2|²-|s1|²)qi/2；

qs＝e//se//s^*-e⊥se⊥s^*

＝(|s2|²-|s1|²)ii/2+(|s2|²+|s1|²)qi/2；

e⊥s、e//s分别表示散射光垂直、平行于散射截面的电场分量。其中，

其中，θ代表散射角度；an,bn,πn(cosθ),τn(cosθ)的计算公式分别为：

其中，α＝2πa/τ，a代表颗粒半径，m代表颗粒相对周围介质的折射率，代表缔合勒让德多项式，jn+1/2(ρ)是一类bessel函数，hn+1/2(ρ)是二类hankel函数。

由以上偏振散射原理可知，当颗粒物发生光散射时，散射光的偏振态由颗粒物折射率、粒径和入射光三者共同决定。进一步，在选定入射光不变的条件下，散射光的偏振态只与颗粒物的粒径和折射率两个参数相关；再进一步，在颗粒物粒径大小已确定的条件下，那么颗粒物散射光的偏振态只与颗粒物折射率一个参数有关；因此，本发明中可以通过在选定入射光不变的条件下，通过测量散射光的偏振态以及颗粒物的粒径去反推颗粒物的折射率。

为了便于理解，以下先对本发明提供的一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法所应用的测量系统进行详细的描述。

如图2所示，测量系统包括：激光器1、偏振分束器2、波片3、平凸柱面透镜4、测量腔5、斯托克斯向量测量模块6、光电探测器7和光陷阱8。其中，激光器1沿x轴正向发出绿色激光，经偏振分束器2、1/2波片3被调制成偏振入射光，根据波片的种类和方向角不同，可将入射光调制成任意线偏振、圆偏振、椭圆偏振；偏振入射光经平凸柱面透镜4在z方向上进行一维压缩；在平凸柱面透镜4焦点处，偏振入射光与气溶胶颗粒5上发生光散射；在xy水平面上，与x轴正向夹角10度处分布有光电探测器7；与x轴正向夹角60度和115度处各分布有一个相同的斯托克斯向量测量模块6；散射光经过光电探测器7，能够得到10度角下的散射光强；散射光经过斯托克斯向量检测模块6，能够得到散射光的斯托克斯向量；未发生散射的入射光被光陷阱8直接吸收。

颗粒物的粒径大小对散射光的强度影响较大；颗粒物越大，其散射光的强度越大，因此本发明中可以用散射光的强度来测量颗粒物的粒径大小。进一步，由于颗粒物侧向散射角的散射光偏振态受颗粒物折射率影响很大，因此可以用颗粒物侧向散射角的散射光偏振态来测量颗粒物折射率的方法。该方法采用偏振光散射法测量颗粒物的折射率，关键在于确定合适的入射光波长、入射光偏振态、散射测量角度，提取合适的指标来测量颗粒物的折射率。

在本发明实施例提供的一种示例性方案中，确定入射光的波长为532nm，入射光偏振态为45度线偏振光，三个测量角度分别为10度、65度和115度；其中10度角测量散射光强，65度角和115度角测量散射光斯托克斯向量；采用10度角的散射光强来测量颗粒物的粒径大小；65度角和115度角散射光的斯托克斯向量中提取退偏度指标u/i来表征颗粒物的折射率。在此基础上，可以通过计算得到了偏振指标与颗粒物粒径、折射率的数据对照表。

如图3所示，本发明实施例提供的一种基于偏振光散射的气溶胶颗粒折射率测量方法，包括：

s101、获取入射光的波长、入射光的偏振态、颗粒物的粒径范围和颗粒物的折射率范围；

其中，入射光的波长和入射光的偏振态均是测量系统中所采用的入射光相关的参数，可以由工作人员提前选定并输入至计算机等智能终端中，以便于在计算机在该入射光的基础上，通过颗粒物的粒径和颗粒物的折射率求取对应的偏振态指标。其中，上述颗粒物的粒径范围为待测量的气溶胶颗粒物可能的粒径范围，该粒径范围中包含了待测量的气溶胶颗粒物所有可能的粒径，例如1nm到100um；上述颗粒物的折射率范围同样为待测量的气溶胶颗粒物可能的折射率范围，该折射率范围中包含了待测量的气溶胶颗粒物所有可能的折射率。

s102、在所述粒径范围内和所述折射率范围内随机选取粒径和折射率进行组合，获得所述粒径范围内所有不同的粒径与所述折射率范围内所有不同的折射率之间的粒径-折射率组合；

举个简单的例子说明，假设粒径范围包含有a、b、c、d四种不同的粒径，折射率范围包含有x、y、z三种不同的折射率，则粒径范围内所有不同的粒径与折射率范围内所有不同的折射率之间的粒径-折射率组合则共有ax、ay、az、bx、by、bz、cx、cy、cz、dx、dy、dz12(4*3)种不同的组合。

s103、基于所述入射光的波长和所述入射光的偏振态，根据偏振散射原理，分别求取不同的粒径-折射率组合所对应的偏振态指标；

在选定了入射光的波长和入射光的偏振态之后，散射光的偏振态实际上只与颗粒物的粒径和折射率两个参数相关，因此根据上述的偏振散射原理，可以根据每种粒径-折射率组合中对应的粒径以及折射率，去求取每种不同的粒径-折射率组合所对应的偏振态指标，从而得到粒径-折射率-偏振态指标组合。

s104、根据粒径-折射率组合及其对应的偏振态指标建立数据对照表，所述数据对照表表征了所有不同的粒径-折射率组合与偏振态指标之间的对应关系；

其中，数据对照表表征了在不同的粒径-折射率组合下，粒径、折射率和偏振态指标三个参数之间的关联关系。以步骤s102中的例子为例，其数据对照表可以制作成如表1所示：

表1

具体地，在数据对照表中每种不同的粒径-折射率组合均有与其对应的偏振态指标，在知道了粒径、折射率或偏振态指标中的任意两个参数，均可以通过数据对照表找到唯一对应的第三个参数。例如，在得知粒径为b，折射率为z时，对应的偏振态指标为p6；在得知粒径为d，偏振态指标为p11时，对应的折射率为y。

s105、测量待检测的气溶胶颗粒的粒径，以及待检测的气溶胶颗粒在所述入射光的波长和所述入射光的偏振态情况下的偏振态指标；

具体地，如图4所示，测量待检测的气溶胶颗粒在所述入射光的波长和所述入射光的偏振态情况下的偏振态指标可以包括：

s201、在第一预设角度和第二预设角度上测量经过偏振态测量系统的待检测的气溶胶颗粒对应的第一散射光斯托克斯向量和第二散射光斯托克斯向量；

其中，该偏振态测量系统所选用的入射光的参数与上述预先选定的入射光的波长和入射光的偏振态相同，采用分别布置在第一预设角度和第二预设角度上的两个斯托克斯向量测量模块，即可以测量得到对应的第一散射光斯托克斯向量和第二散射光斯托克斯向量。

s202、基于所述第一散射光斯托克斯向量和所述第二散射光斯托克斯向量分别提取对应的偏振态指标。

其中，通过求取所述第一散射光斯托克斯向量中的u向量与i向量之比，可以获得第一退偏度指标，即通过求取所述第二散射光斯托克斯向量中的u向量与i向量之比，获得第二退偏度指标，即u向量代表45度线偏振与135度线偏振光强之差，i向量代表总光强。其中，第一退偏度指标和第二退偏度指标分别表征在两个不同的角度下散射光的偏振态指标。

在本发明实施例中，所述第一预设角度可以选择为60度，所述第二预设角度可以选择为115度，入射光可以选择波长为532nm、45度线偏振入射光。经过实验验证，当入射光波长为532nm，入射光偏振态为45度线偏振时,颗粒物散射光的偏振态变化对颗粒物折射率非常敏感，并且在60度散射角和115度散射角时，其退偏度指标随折射率变化最大。如图5所示，可以看到，在60度角和115度角下，不同折射率的气溶胶的退偏度指标差异性很大，因此可以采用退偏度指标用来反演气溶胶颗粒物的折射率。

s106、根据所述待检测的气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标在所述数据对照表中遍历，以获得对应的折射率。

最后，根据已测量得到的气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标即可在已建立的数据对照表快速查找到对应的折射率，以实现气溶胶颗粒折射率的测量。

值得注意的是，在获得气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标之后也可以根据偏振散射原理求取相对应的折射率，但是由于求取过程中繁杂，涉及到大量的计算，需要占用大量的计算资源以及计算时间，因此，在实际环境监测过程中，无法实现气溶胶颗粒物折射率的在线快速测量。因此，在本发明实施例中，在选定了入射光之后，基于粒径范围和折射率范围，组成不同的粒径-折射率组合，预先根据偏振散射原理求取了在不同的粒径-折射率组合下所对应的偏振态指标，建立得到数据对照表，在通过偏振态测量系统测量得到气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标之后，能够通过查询数据对照表，快速查找得到对应的折射率，避免了繁杂的运算，节省了大量的时间，能够实现气溶胶颗粒的折射率在线实时快速测量，满足环境的在线监测。

可以参阅图6，在本发明实施例提供的一种示例性方案中，所述测量待检测的气溶胶颗粒的粒径具体包括：

s301、选择多种粒径的标准聚苯乙烯小球，多次测量每种粒径的标准聚苯乙烯小球在第三预设角度下的散射光强，并且分别计算得到每种粒径下标准聚苯乙烯小球的平均散射光强；

其中，可以选取8种粒径的标准聚苯乙烯小球来进行散射光强测量，8种粒径具体可以包括0.1um、0.3um、0.5um、1um、1.5um、2.5um、5um、10um。

具体地，所述第三预设角度可以为10度。选择10度角测量颗粒物粒径的依据包括：(1)、10度角散射光强大，散射光信号强，有利于测量系统捕捉到高信噪比的散射光脉冲，降低了测量系统的要求；(2)、10度角颗粒物散射光强对颗粒物的粒径敏感，而对颗粒物的折射率不敏感，最大程度降低了折射率对粒径测量带来的误差和影响。

s302、根据每种粒径下标准聚苯乙烯小球的平均散射光强拟合得到颗粒物粒径与所述第三预设角度下散射光强的关系式，并将所述关系式作为粒径标定曲线；

s303、在所述第三预设角度下，利用光电探测器测量得到所述待检测的气溶胶颗粒的散射光强，并通过粒径标定曲线测量得到所述待检测的气溶胶颗粒的粒径。

本发明中通过预先选定测量系统中入射光的波长以及偏振态，并且测量待检测的气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标，来反演对应的折射率，能够准确获得单颗气溶胶颗粒的折射率；并且在本发明中预先根据偏振散射原理求取了不同的粒径-折射率组合所对应的偏振态指标，建立得到数据对照表，在测量得到气溶胶颗粒的粒径和偏振态指标之后，能够通过查询数据对照表，快速查找得到对应的折射率，避免了繁杂的运算，节省了大量的时间，能够实现气溶胶颗粒的折射率实时快速测量。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。