自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，该装置主要由气体预处理单元、光源单元、光散射单元、散射光采集与测量单元、数据采集与控制单元与数据处理单元组成。本实用新型除测量散射角由机械伺服控制外，其余元件参数全部实现电调，测量速度显著提升，光学元器件全部固化，测量过程不涉及元器件的增加或减少，测量程序大大简化，可为辐射传输模拟提供准确的自然大气气溶胶散射参数，也为大气海洋遥感、气候学研究提供准确的基础实验数据。
【专利说明】
自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于气象观测领域，涉及一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装 置。
【背景技术】
[0002] 气溶胶的光散射特性是影响辐射传输过程的重要因素。一方面，气溶胶散射特性 的变化可改变地球大气系统的行星反照率，是影响地气系统能量收支平衡的重要因子，另 一方面，气溶胶散射特性的准确描述，是实现辐射传输准确模拟的关键，是实施大气海洋遥 感的重要物理基础。穆勒散射矩阵是描述气溶胶散射特性的重要参数，不仅表征了散射能 量的空间分布特征，同时也建立起了入射光Stokes矢量与不同角度散射光Stokes矢量的转 换关系，是矢量辐射传输模式的核心参数之一。
[0003] 长期以来穆勒散射矩阵是通过Mie散射理论模拟的，但由于实际气溶胶形状复杂 多样，Mie理论在侧后向散射角的模拟误差极为显著;为解决非球形气溶胶粒子散射特性模 拟，目前也发展许多非球形散射理论，如T矩阵法，DDA及H)TD等，但实际实验结果发现，这些 模型的模拟结果也存在一定程度的不确定性，同时由于真实大气气溶胶粒子的复折射率、 尺度谱、粒子形状及取向等微物理参数是未知的，导致这些散射理论的实际应用受限。
[0004] 针对以上问题，逐步发展了气溶胶穆勒散射矩阵测量技术，基本测量原理是利用 步进电机带动光学探测器，如光电倍增管(PMT)等，在散射主平面上，以有效散射区域为圆 心旋转180°或360°对不同散射角上散射光强及其偏振特性进行测量，进而反算穆勒散射矩 阵。目前发展的技术体制包括两类:一类是在入射光源和散射光接收端设置偏振片和1/4或 1/2波片等元件，通过这些光学元器件的机械旋转，改变光的偏振状态，进而将不同的穆勒 矩阵元素调制到散射光强度信号上进行测量，这种机制下，一个散射角的穆勒散射矩阵测 量涉及了光学元器件多次组合机械旋转，因此整个过程耗时相对较长，无法监视气溶胶散 射特性的快速变化，由于机械控制较多，测量精度也相对较低；另一类机制采用的是光电相 位调制技术，入射光经过起偏器后，采用光电相位调制器对其进行高频相位调制，将不同穆 勒矩阵元素调制到不同频率谐波信号上，在散射光测量端通过偏振片和1/4波片的光轴与 散射平面夹角的组合实现不同矩阵元素的筛选，然后通过锁相放大技术实现穆勒矩阵的元 素的测量，这种机制部分克服了光学元器件的机械旋转问题，但为实现穆勒散射矩阵16个 元素的测量，需要对部分光学器件手动添加或移除，自动化程度不足，也存在测量周期过长 的缺点，同时该机制中测量装置主要用于实验样本气溶胶的观测，尚未实现对自然气溶胶 穆勒散射矩阵的测量。总体而言，穆勒散射矩阵测量仪尚处于试验样机阶段，存在自动化程 度不足，测量耗时长的缺点，同时测量对象主要针对实验室粒子，针对自然大气气溶胶的观 测实验仪器极少，不能满足高精度辐射传输模拟及气候学研究的需求，因此，若能构建并研 发全自动的自然大气气溶胶穆勒散射矩阵测量装置，实现自然大气条件下的气溶胶穆勒散 射矩阵快速、准确测量，无论是对于大气环境监测、大气辐射传输模拟及其它领域的研究都 有应用价值。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是解决自然大气气溶胶穆勒散射矩阵全要素的快速、准确、自 动化测量，为辐射传输模拟提供更为精准的散射参数，为大气海洋遥感、气候学研究提供准 确的基础实验数据，由此提出了一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置。
[0006] 为达成上述目的，本实用新型的技术方案是:一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动 测量装置，其包括用于产生不同偏振状态的入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光 散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气 体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相 连的数据处理单元。
[0007] 所述光源单元包括激光器和入射光偏振调制系统;所述光散射单元包括密封罩、 旋转伺服系统、光阱及监视器;所述散射光采集与测量单元包括偏振解调系统、和光子计数 器;所述数据采集与控制单元包括CPLD数据采集电路、单片机控制电路、以及光偏振调制及 解调系统控制电路;所述数据处理单元为对数据进行后续处理。
[0008] 所述光源单元包括激光器、第一偏振片以及第一、二液晶相位延迟器，其中第一偏 振片光轴与水平面夹角为〇°，作为入射光的起偏器，第一液晶相位延迟器(LCVR1)的光轴与 水平面呈45°，第二液晶相位延迟器(LCVR2)的光轴与水平面呈0°，其中第一偏振片和第一、 二液晶相位延迟器构成了入射光的偏振调制系统，激光器出射的激光依次经过第一偏振 片、第一液晶相位延迟器和第二液晶相位延迟器射出，通过第一、二液晶相位延迟器的相位 延迟角&和&的组合设置，改变入射光Stokes矢量;光源单元应至少产生四种Stokes矢量互 不相关的入射光，且四种光Stokes矢量组成的矩阵条件数小。入射激光功率可根据不同的 测量散射角处的散射光强度进行动态调整。
[0009] 所述散射光采集与测量单元包括第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片以及光子 计数器组成，其中第三、第四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其 中第三液晶相位延迟器(LCVR3)光轴与水平面呈0°角，第四液晶相位延迟器(LCVR4)的光轴 与水平面呈45°角，第二偏振片的光轴与水平面呈0°角；在第三液晶相位延迟器LCVR3前端 添加一个准直小口或光阑，以用于限制散射光采集与测量单元的接收立体角并抑制杂散光 对测量过程的干扰。其中散射光依次通过光阑、LCVR3、LCVR4和偏振片(或检偏器)进入光子 计数器进行测量;通过偏振调制系统将散射光Stokes矢量的Q，U和V分量调制到I分量上，然 后通过设置LCVR3和LCVR4的相位延迟量，对I分量进行四次组合测量，构造线性方程组，实 现对散射光Stokes矢量的求解。散射光依次通过LCVR3、LCVR4和检偏器进入光子计数器，通 过组合控制第三、四液晶相位延迟器的相位延迟量实现对散射光Stokes矢量的测量，为限 制散射光测量单元的接收立体角并抑制杂散光对测量过程的干扰，在前端添加一个准直小 口或光阑。
[0010] 所述监视器对气流稳定性进行监视，并对散射光测量信号做归一化处理，该监视 器放置于散射角30°~40°之间，其前端放置有准直小口或光阑，密封罩主要实现实验测量 区域和外界的隔离，防止外界杂散光与大气的干扰，密封罩内部涂黑色涂料来抑制散射光 的反射。
[0011] 所述气体预处理单元包括喷嘴、接收管道、气流计及气栗，其中喷嘴的直径小于接 收管道口径，且且喷嘴与接收管道之间有一距离，但不能太大，气体抽样采用出口端气栗抽 气的方式进行，以防止气溶胶粒子污染散射区域外的其它区域。
[0012] 所述数据采集与控制系统包括CPLD数据采集电路，单片机控制电路及光偏振调制 及解调系统控制电路等部分，主要实现光源功率调节，液晶相位延迟器的延迟量调整、旋转 伺服系统的控制、光散射数据采集及与上位机的通信等功能。
[0013] 所述数据处理单元主要实现与下位机的通信和测量数据的处理，为计算机软件， 其中数据处理内容包括测量数据的存储、不同散射角穆勒矩阵的反算、矩阵的归一化处理。
[0014] 由此本实用新型的基本工作原理是在不同散射角处，产生四组Stokes矢量互不相 关的入射光，并精确测量对应的四组散射光Stokes矢量，进而实现不同散射角处穆勒矩阵 的反算。
[0015] 与现有技术相比，本实用新型所提出的基于多相位延迟组合测量方式的自然大气 气溶胶穆勒散射矩阵自动测量装置，具有以下几个方面的优势：
[0016] (1)实现了穆勒散射矩阵的自动化观测，除旋转伺服机构外需通过步进电机调整 外，其余测量部件全部实现电调，测量速度显著提升(液晶相位调制器的相位调整时间仅为 2ms~5ms);
[0017] (2)光学元器件全部固化，测量过程不涉及元器件的增加或减少；
[0018] (3)采用光子计数测量技术和入射激光功率动态调整技术，既可实现微弱散射光 的测量，又可扩展散射光强度测量动态范围，可适用于自然气溶胶穆勒散射矩阵的测量。
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型的原理框图。
[0020] 图2是本实用新型的结构框图。
[0021] 图3是本实用新型中光源单元的结构框图。
[0022] 图4是本实用新型中散射光采集与测量单元的结构框图。
[0023] 图5是本实用新型中监视器的光路结构图。
[0024]图6是本实用新型中气体预处理单元的结构图。
[0025] 图7是本实用新型中数据采集与控制单元的执行流程图。
【具体实施方式】
[0026] 实施例：如图1-7所示，本实用新型提供一种基于多相位延迟组合测量方式的自然 大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置的具体实施例，其包括用于产生不同偏振状态的入射光 的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散射光采集与 测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数据采集与控 制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。下面结合附图对本实用新型的
【具体实施方式】进行详细介绍。
[0027] 光源单元主要功能是产生不同偏振状态的入射光，在本实验装置中需要至少产生 四组Stokes矢量互不相关的入射光，其基本结构如附图3所示，该单元由激光器、第一偏振 片及第一、二液晶相位延迟器(LCVR1和LCVR2)构成，其中第一偏振片光轴与参考水平面夹 角为0°，作为入射光的起偏器，LCVR1和LCVR2的光轴与水平面夹角分别为45°和0°，其中第 一偏振片（或起偏器）、第一、二液晶相位延迟器LCVR1和LCVR2构成了入射光的偏振调制系 统，通过第一、二液晶相位延迟器的相位延迟量SjPS2的组合设置（81是10^1的相位延迟 量，是LCVR2的相位延迟量），可实现入射光Stokes矢量的控制。基于Stokes矢量运算法则 及各器件的穆勒矩阵运算功能，入射激光依次经过偏振片(起偏器）、LCVR1和LCVR2后，出射 激光的Stokes矢量Slctr2可表不为：
[0028] SlCVR2=MlCVR2 ? MlCVRI ? Mp ? Sunpolarized ( 1 )
[0029] 其中 Mp，MlCTR1，MlCTR2 分别为第一偏振片与LCVR1，LCVR2 的穆勒矩阵Sunpolarized= ( 1〇， 〇,〇,〇)为激光原始发射的非偏振激光的Stokes矢量，1〇为入射光强度。将各矩阵具体形式 依次代入式（1)，因此，从LCVR2出射激光的Stokes矢量SLCTR2可进一步表示为：
[0030] 0 0 0 Vl 0 0 0 ￥1/2 1/2 0 0^ s = 0 1 0 0 0 0〇s4 0 -Sin4 1/2 1/2 0 0 § ⑵ 认職 0 0 cos 4 sinS2 0 0 1 0 0 0 0 0 - ^0 0 -sine)', cosc),yv〇 sine)'. 0 cose), )[^ 0 0 0(.),,
[0031] 整理上式可得到
n)
[0033]由上式可知，通过相位延迟量S1、S2的组合设置，可实现不同Stokes矢量入射光的 产生，即可满足本实验装置的要求。在此处给出一组S1和52的组合，可保证产生4种Stokes 矢量不相关的入射光，具体参数设置如表1所示，该表反映入射光单元的S1和52的组合及相
应输出激光Stokes矢量的关系c
[0034] 表 1
[0035] 除此之外，为实现大动态散射光的测量，采用了激光器功率动态调整方案。当测量 前向散射光时，由于散射光能量较强，为防止光子计数器的饱和现象，可控制激光器将入射 光功率适当调小;对于能量较弱的侧后向散射光，则适当增加入射光功率以提高散射能量 值。
[0036]散射光采集与测量单元主要实现散射光Stokes矢量测量。其基本思想是通过偏振 调制系统将散射光Stokes矢量的Q，U和V分量调制到I分量上，然后通过I分量的多次组合测 量，构造线性方程组，实现对散射光Stokes矢量各分量的求解。如附图4所示，该单元由第 三、四液晶相位延迟器(LCVR3和LCVR4)、第二偏振片（或检偏器)及光子计数器组成，第三、 四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中LCVR3和LCVR4的光轴与 参考水平面的夹角分别为0°和45°，对应的相位延迟量S3和M，第二偏振器与水平面呈0°角 (检偏振功能），光子计数器用于实现对微弱散射光的测量。为限制散射光测量单元的接收 角度并抑制杂散光的干扰，在前端添加一个准直小口或光阑，保证较高的测量角度分辨率。 [0037]同时一个散射角处散射光Stokes矢量的测量原理如下：
[0038] 散射光依次经过LCVR3、LCVR4和第二偏振片后，到达光子计数器，同样，基于 Stokes矢量运算法则及各器件的穆勒矩阵，到达光子计数器的散射光Stokes矢量Smeasurement 可用式(4)表不，其中Mpi，Mlctr4，Mlctr3分别为第二偏振片（或检偏器）、LCVR3和LCVR4的穆勒 矩阵，3%=(1，〇，1]，￥)是散射光的5〖 〇1^8矢量。将各矩阵的具体形式代入式(4)可得到式 (5)，进一步化简可得到式(6)。
[0042]从上式可知，光子计数器测量得到的光强Im(Im表示被光子计数器测量的散射光 Stokes矢量Smeasurement的第一个元素，m下标表示测量的意思，即measure首字母)可写为
(7) =xr.S妃
[0044] 式中向量
cos氣，sin為sin么:，-c〇s4.sinJj(T表示矩阵转置）。式(8)给出 了一个可通过设置相位延迟量h和心而改变系数的线性方程，因此可通过对S3和S4组合设 置(共四组），构造线性方程组便可实现Ssc四个分量的求解，具体方法如下:设置四组不同的 s3和~的组合，确定一组向量(1「乂乂乂)使之互不相关，由式(8)可知，对于(<乂乂乂） 中的第i个向量X.f [i表示测量的次数(i = l，2,3,4)]，均有下式成立：
[0045] -Ssc (8J
[0046] 联立以上四个线性方程，可组成矩阵一个矩阵方程
[0047] Imeasurement - X * Ssc (9)
[0048] 其中1_^=(/二/,丨,/,丨,〇7'为测量向量，又=(<，承?>1'称为测量系数矩阵， 因此由简单的矩阵知识可知
[0049] Ssc = X-1 * Imeasurement ( 1 〇 )
[0050] 由式（11)可知，通过四次LCVR3和LCVR4的相位延迟量s3和S4的组合控制，便可实现 对散射光Stokes矢量S s。的测量，但值得注意的是，由于此处涉及矩阵逆运算，因此矩阵X的 条件数要小。此处给出一组S3和S 4的组合，如表2所示，散射光采集与测量单元相位延迟器的
一种组合值及相应的xT矢量，
[0051] 表 2
[0052]光散射单元包括监视器、旋转伺服系统、光阱及密封罩。监视器用于散射光强的主 要用于气流稳定性的监视和散射光测量信号的归一化处理，该监视器放置于散射角30°位 置处，与散射光采集与测量单元类似，前端放置与之相同的准直小口或光阑，如图5所示。光 阱用于吸收直接透射光，以防止其反射形成干扰。旋转伺服系统为一个高精度的旋转平台， 旋转角度由步进电机进行控制，其功能是带动散射光采集与测量单元以有效散射体为中心 旋转并到达指定的测量散射角。密封罩主要实现实验测量区域和外界的隔离，防止外界空 气的进入及外部杂散光的干扰，密封罩内部涂有黑色涂料来抑制散射光的反射。
[0053]气体预处理单元包括喷嘴、与喷嘴相对设置的接收管道、对接收管道的气流进行 测量的气流计、以及与接收管道相连的气栗，如图6所示，喷嘴的直径为2mm，接收管道口径 在2cm，喷嘴末端与接收管道的轴向距离为lcm。本单元采用出口端的气栗抽气的方式，这样 好处在于可以在喷嘴和接收管道之间产生副压，防止采样气流向非散射区域扩散，污染工 作区域。接收管道内径远大于入气口直径，其原因是气流经过喷嘴后，采样气流的截面会突 然增大，增大接收端的截面有利于完全接收采样气流，防止含气溶胶的气流吹入非散射区 域。
[0054] 整个测量过程的实施方式如附图7所示，具体实施操作步骤如下：
[0055] (1)实验装置初始化。对激光器、光子计数器、监视器及偏振调制和解调单元等预 热，预热时间30min左右;进行旋转伺服系统的启动测试，确定其工作正常后，并带动光散射 测量单元至最小测量散射角位置。
[0056] (2)伺服旋转控制。控制步进电机带动散射光采集与测量单元高精度旋转，到达指 定散射角9后停止。
[0057] (3)控制光源单元的入射光偏振调制系统，通过LCVR1和LCVR2相位延迟量的 组合，产生某一特定偏振态(选取至表1中的一种)的入射光，设其Stokes矢量的策_。
[0058] (4)控制散射光采集与测量单元的偏振解调系统，实现指定散射角处散射光 Stokes矢量的测量，测量值记为。值得注意的是，每次偏振解调系统状态改变并开始测量 时，需要停留100ms左右，其原因是光子计数器测量过程需要一定积分时间。
[0059] (5)在同一散射角0处，控制入射光偏振调制系统，依次生成表1中另外三种不同 Stokes矢量的入射光，然后每种入射光条件下，依次执行步骤(4)。由此可以得到四组不同 入射光的Stokes矢量(记为S；^ StJ)和对应散射光的Stokes矢量，记为 SSt.=(Si. Si S: S;e)，与此同时记录监视器的测量值。重复该过程50次，得到50组不同 的测量数据，进行平均作为最终的测量结果。然后将相应测量数据发送至上位机，发送的数 据包括：所测量的散射角、入射光的Stokes矢量、监视器光强平均测量值Isc；an、散射光 Stokes 矢量。
[0060] (6)重复执行(2)至(5)的步骤，在同样的入射光条件下，实现每个散射角处四组散 射光Stokes矢量的测量，并将数据进行存储，然后通过串口（如RS232)或网线通信（如TCP/ IP)将数据传送至上位机，进行下一步数据处理。
[0061] 值得注意的是，一次完整测量过程中，步骤(2)至(6)需要进行两次，一次是在纯氮 气条件下进行，得到散射背景值，另一次是在含气溶胶大气通入条件下进行，两组数据相减 得到气溶胶的散射光分布特性。
[0062] (7)在上位机上，对测得的数据以文本格式或二进制文件形式按照规律进行存储， 由于散射光的Stokes矢量是通过穆勒散射矩阵M(0)对入射光Stokes矢量线性变换得到，因 此入射光Stokes矢量Si n。矩阵与散射光Stokes矢量矩阵存在以下关系式：
[0063] Ssc=M(9)Sinc (10)
[0064] 因此通过矩阵运算，可很容易求解得到穆勒散射矩阵M(6〇 = S、, 。为保证逆矩 阵操作，必须保证四组入射光的Stokes矢量互不相关，且矩阵Sin。的条件数不能太大，防止 求解过程的病态。
[0065] 接下来对矩阵进行归一化，其中矩阵元素 Mn(0)(穆勒矩阵M(0)第一行第一列的元 素)采用监视器平均值Is_进行归一化，其它矩阵元素采用Mn(0)进行归一化。
[0066] 本实用新型不仅可用于自然气溶胶穆勒矩阵的测量，还可用于样品气溶胶的测 量。
[0067] 当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范 围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实 用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于其包括用于产生不同偏振 状态入射光的光源单元、与光源单元输出相连的光散射单元、与光散射单元输出相连的散 射光采集与测量单元、与光散射单元输入相连的气体预处理单元、与上述单元均相连的数 据采集与控制单元、以及与数据采集与控制单元相连的数据处理单元。2. 根据权利要求1所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于:所 述光源单元包括激光器和入射光偏振调制系统;所述光散射单元包括密封罩、旋转伺服系 统、光阱及监视器;所述散射光采集与测量单元包括偏振解调系统和光子计数器;所述数据 采集与控制单元包括CPLD数据采集电路、单片机控制电路、以及光偏振调制及解调系统控 制电路。3. 根据权利要求2所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于:所 述光源单元包括激光器、第一偏振片、以及第一、二液晶相位延迟器，其中第一偏振片光轴 与水平面夹角为〇°，作为入射光的起偏器，第一液晶相位延迟器的光轴与水平面呈45°夹 角，第二液晶相位延迟器的光轴与水平面呈〇°，其中第一偏振片和第一、二液晶相位延迟器 构成了入射光的偏振调制系统，激光器出射的激光依次经过第一偏振片、第一液晶相位延 迟器和第二液晶相位延迟器射出。4. 根据权利要求3所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于:所 述散射光采集与测量单元包括第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片以及光子计数器，其中 第三、四液晶相位延迟器与第二偏振片构成了散射光信号解调系统，其中第三液晶相位延 迟器光轴与水平面呈0°夹角，第四液晶相位延迟器的光轴与水平面呈45°夹角，第二偏振片 的光轴与水平面呈0°夹角；在第三液晶相位延迟器前端设有准直小口或光阑；散射光依次 经过准直小口，第三、四液晶相位延迟器、第二偏振片进入光子计数器进行测量。5. 根据权利要求2所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于： 所述监视器对气流稳定性进行监视，并对散射光测量信号做归一化处理，该监视器放置于 散射角30°~40°之间，其前端放置有准直小口或光阑，密封罩内部涂有黑色涂料。6. 根据权利要求1所述的一种自然大气气溶胶穆勒矩阵自动测量装置，其特征在于:所 述气体预处理单元包括喷嘴、接收管道、气流计及气栗，其中喷嘴的直径小于接收管道口 径，且喷嘴与接收管道之间有一距离，气体抽样采用出口端气栗抽气的方式进行。
【文档编号】G01N21/49GK205562386SQ201620240104
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】胡帅, 高太长, 李 浩, 翟东力, 刘磊, 程天际, 陈鸣
【申请人】中国人民解放军理工大学