气溶胶散射相函数观测装置及观测方法
【专利摘要】本发明公开了一种气溶胶散射相函数观测装置及观测方法，该装置采用激光器作为光源，发射激光光束照射待测环境中的大气和气溶胶，并采用成像设备作为接收端，采集激光光束照射大气和气溶胶后产生的散射光，继而形成灰度图像，通过对所述灰度图像进行处理，以计算出气溶胶散射光序列，利用气溶胶散射相函数满足归一化的特性，便可反演计算出气溶胶散射相函数。本发明所提出的溶胶散射相函数观测方法不同于现有技术，灵敏度高，实时性强，装置结构简单，成本低，可广泛应用于气溶胶观测装置中，如气溶胶激光雷达、大气能见度仪、气溶胶粒谱仪等，以提供数据对比和数据参考。
【专利说明】
气溶胶散射相函数观测装置及观测方法
技术领域
[0001 ]本发明属于气体检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测大气环境中的气 溶胶的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 大气气溶胶是气体和重力场中具有一定稳定性的、沉降速度小的粒子的混合系 统，同时也指悬浮在大气中直径在0.001~1 ΟΟμπι之间的尘埃、烟粒、微生物以及由水和冰组 成的云雾、冰晶等固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶作为地气系统重要的 组成部分，是气候效应中的重要影响因子，不仅直接影响地气系统辐射能的收支状况，而且 还可以通过改变大气中云的寿命间接影响气候。同时，大气气溶胶的散射、吸收等光学特性 和气溶胶的时、空分布特性研究更是当今国际科技界气候效应和环境效应研究中的热门课 题。
[0003] 气溶胶散射相函数是气溶胶粒子散射光能量随散射角变化的归一化函数，是研究 气溶胶光学特性的重要参数，通过研究气溶胶散射相函数可以进一步确定出气溶胶的类型 (如沙尘型、海洋型或化学燃料燃烧型等）、反演气溶胶谱分布和复折射率等光学参数。研究 这些参数有利于了解环境中的气溶胶，进而有针对性地防治气溶胶污染。
[0004] 经过长期的理论研究，球形粒子散射相函数可以采用瑞利散射和米散射理论计 算，而非球形粒子可使用Μ. I .Mishchenko提出的Τ矩阵等方法计算。现有的这些理论计算需 要预先假设气溶胶粒形、粒子谱分布、复折射率和相对湿度等参数，但是这些参数会随时 间、地点的变化而改变，因此无法获取真实环境中的气溶胶散射相函数。
[0005] 目前，实验观测法是获取真实环境中的气溶胶散射相函数的有效手段。通过实验 法得到气溶胶散射相函数的方式也有多种，例如遥感方式和采样观测法等。其中，遥感方式 采用太阳辐射计反演气溶胶日-地之间整层大气的散射相函数，但是无法实现实时实地的 观测。与遥感相比，采样观测法可以对大气环境进行实时实地的测量，并且依照观测功能的 不同可以分为三部分:发射端、接收端和数据采集与处理部分。其中，发射端用于发射光源， 照射大气环境中的气溶胶粒子团。接收端用于接收光源在照射到大气分子和气溶胶后产生 的光学散射，通常采用光电二极管作为探测器接收散射光，并根据接收到的光线强弱生成 不同的电流信号，传输至数据采集与处理部分，以形成气溶胶散射相函数。
[0006] 目前，根据探测器的使用个数和布设方式不同，将测量方式分为以下三种：
[0007] 单探测器扫描法，其采用将测量探测器安装在半圆形导轨上，沿着导轨移动扫描， 接收来自圆心处气溶胶粒子团在各个角度上产生的散射光。这种单探测器扫描法需要的测 量时间比较长，约数分钟，对于较快的气溶胶变化过程，反应不够灵敏，因此，实时性不强。
[0008] 多探测器分布采样法，其将多个探测器排布在圆弧周围，接收来自圆弧中心处的 气溶胶粒子团在各个角度上产生的散射光。此测量方法可有效减少采集数据的时间，可实 现实时测量，但角分辨率与探测器数目相关，探测器太少，角分辨率不高;探测器太多，会导 致成本和测控复杂度的升高。
[0009] 椭圆镜面与阵列探测器组合法，其利用了椭圆镜面的光学性质，从椭圆镜面的一 个焦点发出光线，与焦点处的气溶胶粒子相互作用产生散射光线，经过椭圆镜面反射后，反 射光线交于椭圆镜面的第二个焦点。在第二焦点处设置小孔光阑，在光阑后面布设探测器， 接收来自气溶胶粒子各个散射角度的散射光。此方法弥补了前两种测量方式的缺陷，但是 从结构上看，采样气溶胶与椭圆镜面距离较近，长时间工作容易污染镜面，此外非球面镜面 加工困难，造价高，因此不宜推广。
【发明内容】
[0010] 本发明提出了一种用于观测气溶胶散射相函数的装置和方法，以达到简化硬件结 构、降低成本、提高测量实时性的目的。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0012] -方面，本发明提出了一种气溶胶散射相函数观测装置，包括样品接收仓、激光 器、成像设备和处理单元;所述样品接收仓形成密闭空间，接收待测环境的大气和气溶胶； 所述激光器向所述样品接收仓发射激光光束，照射样品接收仓中的大气和气溶胶;所述成 像设备采集所述激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成灰度图像;所 述处理单元对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)，从E (Θ)中去除大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列E atm(9)，从而得到气溶胶 的散射光序列Ε_(θ);利用积分公式(即mft/kl计算出常数K，进而得到气溶胶散 射相函数Paer(0) =2ΚΕ(Θ)。
[0013] 为了获得更加准确的气溶胶散射相函数，所述处理单元在对所述灰度图像进行处 理的过程中，首先从所述灰度图像中去除掉背景图像，从而得到总散射光所对应的灰度图 像;然后将所述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相加，将灰度矩阵变为 灰度行，从而形成所述总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)。
[0014] 为了获得所述总散射光所对应的灰度图像，本发明提出以下两种优选获取方式：
[0015] 其一是，选用可调制激光器发射脉冲激光，照射样品接收仓中的大气和气溶胶;所 述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机，所述处理单元对所述激光器的发光时序进行控 制，在控制所述激光器发射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成包含有散射光线的 灰度图像;在控制所述激光器停止发射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成背景灰 度图像;所述处理单元从所述包含有散射光线的灰度图像中去除所述的背景灰度图像，即 进行求差运算，即可得到所述总散射光所对应的灰度图像。
[0016] 其二是，选用可调制激光器发射强度呈正弦波形变化的连续激光光束，照射样品 接收仓中的大气和气溶胶;所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机，所述处理单元对所 述激光器发射的激光光束的强度进行控制，并控制所述成像设备在激光器发射不同强度的 激光光束时分别进行拍摄，以形成不同强度散射光所对应的不同灰度图像;所述处理单元 对多个所述的灰度图像中的灰度矩阵进行傅里叶变换，从展开式中去除掉常量，即可得到 所述总散射光所对应的灰度图像。
[0017] 为了尽可能地获得0°_180°范围内的灰度图像，优选采用配置有鱼眼镜头的C⑶相 机作为所述的成像设备，所述鱼眼镜头的视场角大于170°，所述激光光束在所述鱼眼镜头 的视场角范围内的传播方向垂直于所述鱼眼镜头的镜头轴线;所述处理单元在利用所述积 分公式&￡_￡；。,.(的；^~0 = 1计算常数1(的过程中，对于超出鱼眼镜头的视场角的气溶胶散 射光予以忽略，即，将该部分气溶胶散射光序列Eae3r(0)置为〇,继而在保证积分计算要求的 前提下，尽量减小计算误差。
[0018]进一步的，在所述气溶胶散射相函数观测装置中还设置有激光发射仓，所述激光 发射仓形成密闭空间，内部安装有消光器和所述的激光器，所述激光发射仓与所述样品接 收仓相邻，其邻接面上安装有两个透射镜片;经由所述激光器发射的激光光束通过其中一 个所述的透射镜片入射到所述样品接收仓中，并经由安装在样品接收仓中的45°全反射镜 改变激光光束的传播方向，使所述激光光束的传播方向垂直于所述成像设备的镜头轴线， 然后入射到另外一个45°全反射镜，进而将所述激光光束射向另外一个所述的透射镜片，并 经由另外一个所述的透射镜片返回到所述激光发射仓，进而经由所述消光器吸收;其中，两 个所述45°全反射镜之间的距离大于所述成像设备所能涉及的视场范围在该距离方向上的 跨度。
[0019]优选的，所述成像设备安装在所述邻接面上，其机身位于所述激光发射仓中，镜头 位于所述样品接收仓中，所述镜头到两个所述45°全反射镜之间的距离相等；在两个所述 45°全反射镜之间传播的激光光束的传播路径平行于所述样品接收仓的长度方向，在所述 样品接收仓上与所述长度方向正对的两个侧板上对应开设有进气口和排气口；所述激光发 射仓和样品接收仓的内壁均为黑色内壁，在所述激光发射仓中还安装有用于生成偏振光的 波片，通过所述激光器发射的激光光束首先入射到所述波片，通过所述波片改变激光的偏 振态后，再经由所述透射镜片入射到所述样品接收仓中。
[0020] 另一方面，本发明提出了一种气溶胶散射相函数观测方法，首先，利用激光照射待 测环境的大气和气溶胶;而后，采集激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并 形成灰度图像;其次，对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列E (Θ)，并计算出大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Ε_(θ)，从而计算出气 溶胶的散射光序列Eaer( θ) =Ε(Θ )-Eatm( Θ);然后，利用积分公式〇"(0)Sin = 1，求解 常数K，最终得到气溶胶散射相函数Paer(θ) = 2ΚΕ( Θ)。
[0021] 为了获得更加准确的气溶胶散射相函数，在对所述灰度图像进行处理的过程中， 首先从所述灰度图像中去除掉背景图像，从而得到总散射光所对应的灰度图像;然后将所 述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相加，将灰度矩阵变为灰度行，从而 形成所述总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)。
[0022] 为了获得所述总散射光所对应的灰度图像，本发明提出以下两种优选获取方式：
[0023] 其一是，当所述激光为脉冲激光时，在所述脉冲激光发射时，采集激光光束照射到 所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成包含有散射光线的灰度图像;在所述脉冲激光 停止发射时，原位采集背景灰度图像，从所述包含有散射光线的灰度图像中去除所述的背 景灰度图像，即可得到所述总散射光所对应的灰度图像；
[0024] 其二是，当所述激光为强度呈正弦波形变化的连续激光光束时，采集激光光束在 不同强度下照射所述大气和气溶胶后形成的散射光所对应的不同灰度图像;对多个所述的 灰度图像中的灰度矩阵进行傅里叶变换，从展开式中去除掉常量，即可得到所述总散射光 所对应的灰度图像。
[0025] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是:本发明的气溶胶散射相函数观测 装置采用激光器作为光源，发射激光光束照射待测环境中的大气和气溶胶，并采用成像设 备作为接收端，采集激光光束照射大气和气溶胶后产生的散射光，继而形成灰度图像，通过 对所述灰度图像进行处理，以计算出气溶胶散射光序列，利用气溶胶散射相函数满足归一 化的特性，便可反演计算出气溶胶散射相函数。本发明所提出的溶胶散射相函数观测方法 不同于现有技术，灵敏度高，实时性强，装置结构简单，成本低，可广泛应用于气溶胶观测装 置中，如气溶胶激光雷达、大气能见度仪、气溶胶粒谱仪等，以提供数据对比和数据参考。
[0026] 结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更 加清楚。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明所提出的气溶胶散射相函数观测装置的一种实施例的结构示意图；
[0028] 图2是本发明所提出的气溶胶散射相函数观测方法的一种实施例的原理示意图；
[0029] 图3是基于图2所示原理提出的气溶胶散射相函数观测方法的一种实施例的流程 图；
[0030] 图4为脉冲激光发射时，通过成像设备形成的包含有散射光线的灰度图像；
[0031] 图5为脉冲激光停止发射时，通过成像设备形成的背景灰度图像。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细地描述。
[0033] 参见图1所示，本实施例的气溶胶散射相函数观测装置包括激光器3、样品接收仓 2、成像设备9和处理单元（图中未示出）等主要组成部分。其中，激光器作为发射光源，用于 发射激光光束。由于激光具有单色性好、发散角小的特点，因此采用激光照射待测环境的大 气和气溶胶，可以减少杂散光对检测结果造成的干扰影响。将待测环境的气体样品注入到 样品接收仓2中，并利用所述激光器3发射的激光光束照射所述样品接收仓2中的气体样品， 当激光光束照射到气体样品中的大气和气溶胶时，会发生米散射，利用成像设备9接收所形 成的散射光线，继而形成灰度图像。利用所述处理单元对所述灰度图像进行处理，即可最终 得到气溶胶散射相函数。
[0034] 在本实施例中，所述激光器3可以设置在样品接收仓2的一侧，发射激光光束沿样 品接收仓2的长度方向传播。所述成像设备9可以位于样品接收仓2长度方向的正中位置，且 使成像设备9的镜头轴线垂直于样品接收仓2的长度方向，以使大气和气溶胶产生的散射光 线能够跨越成像设备9的整个视场范围，进而获得更为理想的灰度图像。
[0035]在本实施例中，所述成像设备9优选采用配置有广角镜头的CCD相机采集激光光束 照射到大气和气溶胶后产生的散射光线。为了提高CCD相机9的视场角，优选采用鱼眼镜头 配置在所述的C⑶相机9上，以采集超过170°且接近180°视场角的散射光线。
[0036]为了防止出现激光杂散光影响数据的问题，本实施例优选将所述样品接收仓2设 计成一个密闭的空间，且对其内壁进行发黑处理，即形成黑色内壁。在样品接收仓2的相对 两侧，即与样品接收仓2的长度方向正对的两个侧板上对应设置有进气口 13和排气口 14,如 图1所示。其中，进气口 13作为待测环境的大气采样入口，在检测开始前，接收待测环境的气 体样品，并注入到所述样品接收仓2中。待气体样品注入完成后，封闭所述进气口 13，以保持 所述样品接收仓2的密闭性。所述排气口 14作为气体样品的排放出口，在检测工作完成后开 启，将检测完的气体样品完全从所述的样品接收仓2中排出。待气体样品完全排出后，封闭 所述排气口 14，为下次检测工作做好准备。
[0037]为了使所述气溶胶散射相函数观测装置的外部结构更加简约，本实施例优选将所 述激光器3设置在一个独立且密闭的激光发射仓1中，如图1所示。所述激光发射仓1可以与 所述样品接收仓2具有相同的形状和尺寸，且沿长度方向平行邻接设置，形成邻接面15。在 所述邻接面15上安装有两个透射镜片6、11，在每一个透射镜片6、11上均镀有与激光器3发 射的激光波长对应的增透膜。在所述激光发射仓1中设置用于生成偏振光的波片5、用于改 变激光光束传播方向的45°全反射镜5以及消光器12。调整所述激光器3的出光方向与激光 发射仓1的长度方向一致，通过激光器3发出的激光光束首先入射到所述波片5,通过改变波 片5的相位，以改变出射激光的偏振态，继而最终得到不同偏振状态下的气溶胶散射相函 数。透过波片5射出的激光光束经由所述45°全反射镜5改变其传播方向（即与出射方向垂 直)后，垂直入射到透射镜片6,经由透射镜片6全部透射进入到所述的样品接收仓2中。在所 述样品接收仓2中与所述透射镜片6、11相对应的位置上可以设置两个45°全反射镜7、10,透 过所述透射镜片6射入到所述的样品接收仓2中的激光光束首先射向45°全反射镜7,通过 45°全反射镜7将激光光束的传播方向调整为与样品接收仓2的长度方向一致，即图1中的激 光光束8，利用所述激光光束8照射气体样品后，射向45°全反射镜10，经由所述45°全反射镜 10改变激光光束8的传播方向垂直于样品接收仓2的长度方向，进而垂直入射到透射镜片 11，透过所述透射镜片11返回激光发射仓1，并最终由消光器12吸收。
[0038]在所述45°全反射镜5、7、10上均镀有与激光器3发射的激光波长对应的高反射膜， 以提高激光光束的反射率。
[0039] 为了满足所述成像设备9宽视角的采集成像要求，设置两个所述45°全反射镜7、10 之间的距离大于所述成像设备9所能涉及的视场范围在该距离方向上的长度，且优选配置 所述成像设备9到两个所述45°全反射镜7、10的距离相等，即配置所述成像设备9位于两个 45°全反射镜7、10之间的正中位置。
[0040] 作为本实施例的一种优选设计方案，优选将所述成像设备9安装在分割激光发射 仓1和样品接收仓2的邻接面15上，且机身优选设置在激光发射仓1中，镜头设置在样品接收 仓2中，镜头到两个所述45°全反射镜7、10之间的距离相等。对所述激光发射仓1的内壁进行 发黑处理，即形成黑色内壁，以减少激光的杂散光，提高检测精度。
[0041] 下面结合图1所示的气溶胶散射相函数观测装置，对气溶胶散射相函数观测方法 进行详细地阐述，如图2、图3所示，包括以下过程：
[0042] S301、将待测环境的气体样品注入到样品接收仓2中；
[0043]在本实施例中，优选使待测环境的气体样品充满整个样品接收仓2,且保持样品接 收仓2中的气压与待测环境的气压一致。
[0044] S302、开启激光器3,发射激光光束；
[0045]在本实施例中，所述激光器3优选使用波长范围小于2nm的可调制激光器，发射脉 冲激光或者强度呈正弦波形变化的连续激光。具体来讲，可以采用处理单元对所述激光器3 进行控制，例如控制激光器3发射的脉冲激光的发光时序，或者调节激光器3发射的连续激 光的强度。
[0046] S303、开启成像设备9米集激光光束在照射到大气和气溶胶后生成的散射光，形成 灰度图像；
[0047]在本实施例中，同样可以利用处理单元对所述成像设备9的采集时刻进行控制。具 体来讲，当通过激光器3发射的激光光束经由波片4、45°全反射镜5、透射镜片6以及45°全反 射镜7形成沿样品接收仓2的长度方向传播的激光光束8,以照射样品接收仓2中的大气和气 溶胶时，对于激光器3发射的激光为脉冲激光的情况，所述处理单元在控制所述激光器3发 射激光的时段，驱动所述成像设备9启动，拍摄并形成包含有散射光线的灰度图像，如图4所 示;处理单元在控制所述激光器3停止发射激光的时段，驱动所述成像设备9再次启动，拍摄 并形成没有散射光线的灰度图像，即背景灰度图像，如图5所示。对于激光器3发射的激光为 强度呈正弦波形变化的连续激光的情况，所述处理单元在对激光器3发射的激光光束的强 度进行调节的过程中，控制所述成像设备9在激光器3发射不同强度的激光光束时分别进行 拍摄，例如在强度为1时，拍摄一张灰度图像;在强度为〇. 8时，拍摄一张灰度图像;在强度为 0.6时，拍摄一张灰度图像，等等，由此便可形成不同强度散射光所对应的不同灰度图像。 [0048] S304、对所述灰度图像进行处理，以生成总散射光所对应的灰度图像；
[0049] 在本实施例中，由CCD相机9采集生成的灰度图像为随视场角度变化的数据序列， 将所述灰度图像传输至处理单元，利用所述处理单元对所述灰度图像进行处理。具体来讲， 当所述激光器3发射的激光为脉冲激光时，所述处理单元获得的灰度图像为包含有散射光 线的灰度图像以及没有散射光线的背景图像，所述处理单元可以采用从所述包含有散射光 线的灰度图像中去除所述的背景灰度图像，即进行求差运算，以获得总散射光所对应的灰 度图像。当所述激光器3发射的激光为强度呈正弦波形变化的连续激光光束时，所述处理单 元获得的灰度图像为激光光束在不同强度下照射所述大气和气溶胶后形成的散射光所对 应的不同灰度图像。利用所述处理单元对所获得的多个灰度图像中的灰度矩阵进行傅里叶 变换，从展开式中去除掉常量(直流分量），即可去除背景图像，得到所述总散射光所对应的 灰度图像。
[0050] S305、利用总散射光所对应的灰度图像形成总散射光随散射角变化的数据序列E (Θ);
[0051] 在本实施例中，可以将所述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相 加，从而将灰度矩阵变为灰度行，继而形成所述总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)。
[0052] S306、计算大气分子散射产生的散射光序列Eatm(0);
[0053] 在本实施例中，所述散射光序列Eatm(0)可以根据待测环境所处的海拔，计算出该 海拔的大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Ε_(θ)。所述计算方法可以参 考文献《激光大气探测》，李景群，科学出版社，1986年，第二章第三节中记载的相关内容。 [0054] S307、计算气溶胶散射光序列E aer(0);
[0055] 在本实施例中，可以从所述总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)中去除大气分 子散射产生的散射光序列Eatm(0)，继而得到气溶胶的散射光序列E ae3r(0)。即，计算公式为 Eaer (0)=E(0)-Eatm(0)o
[0056] S308、利用积分公式夂⑷)sin = 1，求解常数κ;
[0057] 在本实施例中，由于气溶胶散射相函数满足归一化，因此可以利用归一化公式 〇ι:,.(_ιη(· = ι积分求解出常数κ。在进行积分运算的过程中，由于鱼眼镜头的视场角 θ0有可能达不到180°，对于超出鱼眼镜头的视场角θο的散射光，例如〇°-2°的前向散射光和 178°-180°的后向散射光，由于这两部分散射光所对应的数据序列对于积分的贡献很少，因 此可以忽略不计，即，可以置这两部分气溶胶的散射光序列E aer( Θ )= 〇，进而在满足上述积 分公式计算要求的前提下，尽可能地减小计算误差，保证计算结果的准确性。
[0058] S309、得出气溶胶散射相函数Paer(0);
[0059] 根据求解出的常数K，最终得到气溶胶散射相函数Paer(0)=2KE(0)。
[0060] 在本实施例中，所述处理单元可以采用数字处理芯片或者计算机，对CCD相机9采 集生成的灰度图像进行处理，并最终得到气溶胶散射相函数Paer(0)，以用于对待测环境中 的气溶胶粒子的大小及分布状况进行分析，以判断出待测环境的污染情况。
[0061] 当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，包括： 样品接收仓，其形成密闭空间，接收待测环境的大气和气溶胶； 激光器，其向所述样品接收仓发射激光光束，照射样品接收仓中的大气和气溶胶； 成像设备，其采集所述激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成灰 度图像； 处理单元，其对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)， 从Ε(Θ)中去除大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Eatm(Θ)，从而得到气溶 胶的散射光序列Ε_(θ);利用积汁算出常数Κ，进而得到气溶胶 散射相函数Paer (Θ) = 2ΚΕ (Θ)。2. 根据权利要求1所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，所述处理单元在对 所述灰度图像进行处理的过程中，首先从所述灰度图像中去除掉背景图像，从而得到总散 射光所对应的灰度图像;然后将所述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相 加，将灰度矩阵变为灰度行，从而形成所述总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)。3. 根据权利要求2所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于， 所述激光器为可调制激光器，发射脉冲激光； 所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机； 所述处理单元对所述激光器的发光时序进行控制，在控制所述激光器发射激光的时 段，驱动所述成像设备拍摄并形成包含有散射光线的灰度图像;在控制所述激光器停止发 射激光的时段，驱动所述成像设备拍摄并形成背景灰度图像;所述处理单元从所述包含有 散射光线的灰度图像中去除所述的背景灰度图像，即得到所述总散射光所对应的灰度图 像。4. 根据权利要求2所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于， 所述激光器为可调制激光器，发射强度呈正弦波形变化的连续激光光束； 所述成像设备为配置有广角镜头的CCD相机； 所述处理单元对所述激光器发射的激光光束的强度进行控制，并控制所述成像设备在 激光器发射不同强度的激光光束时分别进行拍摄，以形成不同强度散射光所对应的不同灰 度图像;所述处理单元对多个所述的灰度图像中的灰度矩阵进行傅里叶变换，从展开式中 去除掉常量，以得到所述总散射光所对应的灰度图像。5. 根据权利要求3或4所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于， 所述成像设备为配置有鱼眼镜头的CCD相机，所述鱼眼镜头的视场角大于170°;所述激 光光束在所述鱼眼镜头的视场角范围Λ A々彳向垂直于所述鱼眼镜头的镜头轴线； 所述处理单元在利用所述积分公= 1计算常数K的过程中，对于超出 鱼眼镜头的视场角的气溶胶散射光序列Ε_(θ)置为0。6. 根据权利要求1至4中任一项所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，还包 括： 激光发射仓，其形成密闭空间，内部安装有消光器和所述的激光器，所述激光发射仓与 所述样品接收仓相邻，其邻接面上安装有两个透射镜片;经由所述激光器发射的激光光束 通过其中一个所述的透射镜片入射到所述样品接收仓中，并经由安装在样品接收仓中的 45°全反射镜改变激光光束的传播方向，使所述激光光束的传播方向垂直于所述成像设备 的镜头轴线，然后入射到另外一个45°全反射镜，进而将所述激光光束射向另外一个所述的 透射镜片，并经由另外一个所述的透射镜片返回到所述激光发射仓，进而经由所述消光器 吸收； 其中，两个所述45°全反射镜之间的距离大于所述成像设备所能涉及的视场范围在该 距离方向上的跨度。7. 根据权利要求6所述的气溶胶散射相函数观测装置，其特征在于，所述成像设备安装 在所述邻接面上，其机身位于所述激光发射仓中，镜头位于所述样品接收仓中，所述镜头到 两个所述45°全反射镜之间的距离相等;在两个所述45°全反射镜之间传播的激光光束的传 播路径平行于所述样品接收仓的长度方向，在所述样品接收仓上与所述长度方向正对的两 个侧板上对应开设有进气口和排气口；所述激光发射仓和样品接收仓的内壁均为黑色内 壁，在所述激光发射仓中还安装有用于生成偏振光的波片，通过所述激光器发射的激光光 束首先入射到所述波片，通过所述波片改变激光的偏振态后，再经由所述透射镜片入射到 所述样品接收仓中。8. -种气溶胶散射相函数观测方法，其特征在于，包括： 利用激光照射待测环境的大气和气溶胶； 采集激光光束照射到所述大气和气溶胶后形成的散射光，并形成灰度图像； 对所述灰度图像进行处理，得到总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ); 计算大气分子散射产生的散射光随散射角变化的数据序列Ε_( Θ); 计算气溶胶的散射光序列Eaer(Θ) =E(Θ )-Eatm( Θ); 利用积分，求解常数K; 得到气溶胶散射相函数Paer (Θ) = 2KE (Θ)。9. 根据权利要求8所述的气溶胶散射相函数观测方法，其特征在于，在对所述灰度图像 进行处理的过程中，首先从所述灰度图像中去除掉背景图像，从而得到总散射光所对应的 灰度图像;然后将所述总散射光所对应的灰度图像中的灰度矩阵的每一列相加，将灰度矩 阵变为灰度行，从而形成所述总散射光随散射角变化的数据序列Ε(θ)。10. 根据权利要求9所述的气溶胶散射相函数观测方法，其特征在于， 当所述激光为脉冲激光时，在所述脉冲激光发射时，采集激光光束照射到所述大气和 气溶胶后形成的散射光，并形成包含有散射光线的灰度图像;在所述脉冲激光停止发射时， 原位采集背景灰度图像，从所述包含有散射光线的灰度图像中去除所述的背景灰度图像， 即得到所述总散射光所对应的灰度图像； 当所述激光为强度呈正弦波形变化的连续激光光束时，采集激光光束在不同强度下照 射所述大气和气溶胶后形成的散射光所对应的不同灰度图像;对多个所述的灰度图像中的 灰度矩阵进行傅里叶变换，从展开式中去除掉常量，以得到所述总散射光所对应的灰度图 像。
【文档编号】G01N21/49GK106018346SQ201610304908
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】孟祥谦, 王章军, 刘兴涛, 陈超, 李先欣, 曲君乐, 刘巧君, 吴承璇, 王秀芬, 董磊
【申请人】山东省科学院海洋仪器仪表研究所