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】
[0001] 本发明设及痕量气体和气溶胶监测领域，具体设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】
[0002] 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、灰霸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 化，S化，N〇x等痕量气体W及气溶胶颗粒，该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。
[0003] 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W约Im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】
[0004] 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。
[0005] 本发明解决上述技术问题具体所采取的技术方案如下：
[0006] 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，光阔，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，经过光阔后进入光学腔，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， 从光学腔出射的光福射经滤光片W及第二透镜禪合进入光纤后传输至光谱仪，进行信号处 理。
[0007] 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W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。
[000引进一步的，所述的宽带光源可W为氣灯等热光源，也可W使用发光二极管（LED) 作为光源。
[0009] 进一步的，为保证L邸光源的稳定，L邸温度可由半导体制冷片控制于设定温度。
[0010] 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=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。
[0011] 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W外的光对测量的影响。
[0012] 进一步的，所述的光学腔两端可W增加吹扫气路来保护高反镜不受颗粒物、气溶 胶等污染。
[0013] 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W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。
[0014] 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W下步骤：
[0015] 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I。（ A )的测量，然后进行实际大气谱I ( A )测量。
[0016] 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a (A)可W表示 为： r 1 W l-R(。 ％U)-梅） 蜘 7]巧
[001引其中，R(A)为高反镜的镜片反射率，1。（\)和1(A)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a (A)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。
[0019] 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。
[0020] 步骤4)、计算气体散射部分；例如可W直接采用化asseur在1986年提出的算法 进行计算。
[0021] 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W 得到气溶胶消光系数。
[0022] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0023] (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。
[0024] 似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。
[0025] (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。
[0026] (4)本发明使用的腔增强吸收光谱装置的反演方法可W将痕量气体吸收和气溶胶 消光系数区分开，可W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。
[0027] (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】
[002引图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为光阔，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。
[0029] 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】
[0030] W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。
[0031] 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为光阔，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 光阔3进入光学腔，光束在光学腔内经