一种基于变角光学密度的多光程折叠腔标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于折叠腔标定技术领域，涉及一种基于变角光学密度的多光程折叠腔标 定方法。
【背景技术】
[0002] 多光程折叠腔是利用气体的光谱吸收特性测量气体浓度的光学仪器。对于这种用 于气体浓度测量的多光程折叠腔的标定，目前主要是使用已知浓度的标准气体进行腔体标 定，然后利用最小二乘法拟合差分吸收谱，计算痕量气体的浓度，根据拟合残差进行系统检 出限的估计。这种检出限的估计是一种实验数据基础上的估计而不是直接的实验标定检出 限。实验标定检出限是通入该检出限浓度的待测气体，观察测量浓度值对于待测气体浓度 真值的相对误差是否小于50%。这是最直接、最可信的验证小型多光程DOAS系统检出限的 方法。事实上，直接实验标定ppb量级检出限的难度非常大：首先，它要求准确地产生ppb 量级的标气；其次，由于材料吸附等问题的存在，实际很难准确地控制吸收池内PPb量级的 痕量气体浓度。因此，国内外研究者在对多光程折叠腔系统做性能分析时都是估计系统检 出限而非实验标定检出限，该种方式得出的检出限存在一定误差，精度不能得到有效保证。
【发明内容】
[0003] (一）要解决的技术问题
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种基于变角光学密度的多光程折叠腔标定方 法，通过实验的方式标定检出限，提高检出限的标定精度，降低误差。
[0005] (二）技术方案
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于变角光学密度的多光程折叠腔标定 方法，其包括以下步骤：
[0007] 步骤一：根据待标定的多光程折叠腔的基本参数分析计算多光程折叠腔的折返光 束和标准光学密度片相互作用所产生的所有光学密度值供,
[0008] 步骤二：在光学密度标准装置上测量标准光学密度片得到，并将所有 ￡)(心C/),., A)积分得到总的光学密度值Ds ( λ );
[0009] 步骤三：把标准光学密度片放入多光程折叠腔中，测得多光程折叠腔的光学密度 值DJ λ);然后计算多光程折叠腔的测量偏差：〇 (DJ = I(A)-Ds(X)，根据所述测量偏 差计算多光程折叠腔的标准不确定度和标定的扩展不确定度，所得到的标定的扩展不确定 度即为多光程折叠腔的检出限。
[0010] 其中，所述步骤一中，所述多光程折叠腔的基本参数包括测量光源、测量几何条件 和测量量值范围；所述测量光源为漫射光源；所述测量几何条件包括按照所述多光程折叠 腔光路结构所确定的所有光学密度测量的角度；所述测量量值范围为根据多光程折叠腔需 标定的气体浓度的等级、气体的种类推算出的光学密度测量值的量级。
[0011] 其中，所述步骤一和步骤二包括以下过程：
[0012] 以多光程折叠腔中放置标准光学密度片进行分析计算；
[0013] 根据多光程折叠腔在场镜中形成的光斑阵列的行数m、列数n，得到光源入射到密 度片的次数N为：N = 4X (mn-1);
[0014] 不同光束对密度片的入射角不同，光束的入射角度记为0f;对应每一个光斑，计 算密度片的入射弧矢角钤和入射子午角Θ y θ ι= 90-Θ f，其中，f = 1，2，……，N，i = l， 2,……，mn，得到成对的入射弧矢角約和入射子午角集合；
[0015] 利用光学密度测量装置分别测量在每一对入射弧矢角货和入射子午角Θ i的入射 条件下的光学密度为WL#，其中，λ为光源波长；
[0016] 计算多光程折叠腔总的标准光学密度值DsU):
[0017]
[0018] 其中，所述光学密度测量装置包括：光源模块，密度片模块和探测模块；
[0019] 所述光源模块包括原始光源、光纤束和光纤半球发射器单元，光纤半球发射器单 元包括光纤半球发射器、底板和乳玻窗；光纤半球发射器为半球状，其开口上方设置底板， 底板圆心位置设置乳玻窗；光纤束包括多根光纤，光纤的入射端端面接收原始光源发出的 光线；光纤束的出射端在光纤半球发射器的半球壁上以等立体角方式排布，且每根光纤出 射端的端面与半球内壁处于同一表面；
[0020] 所述密度片模块包括光纤半球发射器单元安装台和载片舟，载片舟包括小转台， 作为承载装置并能带动其上的被承载物进行转动；平面架载台，位于小转台上，其上承载平 面架；平面架，位于平面架载台上，其上安装平面载体；平面载体，通过销轴安装在平面架 上，用于承载标准密度片；小转台上设置有小转台电机，用于带动小转台及其上的被承载物 在平面内转动；平面架上设置有俯仰调节电机，用于带动安装在平面架上的平面载体和标 准密度片绕平面架的销轴做绕轴转动；平面载体上设置有投影调节电机，用于带动标准密 度片绕平面法线360°转动；标准密度片通过空气压缩模块固定在平面载体上；光纤半球 发射器单元通过乳玻窗发出的光束入射到标准密度片上；
[0021] 所述探测模块用于接收探测标准密度片的辐射通量，以获得不同入射弧矢角釣和 入射子午角 9Jt应的光学密度
[0022] 其中，在ppm级的气体浓度测量需求时，对应的原始光源为卤妈灯；当气体浓度的 测量需求增加到PPb级时，对应的原始光源为超连续光源。
[0023] 其中，所述步骤三中，多光程折叠腔的标准不确定度表示为：
[0024]
[0025] 按照正态分布规则，取扩展因子k = 2,则标定的扩展不确定度为
[0026] υ(λ) =2ιι(λ)
[0027] 其中，δ (L)为多光程折叠腔的光程L的设计装调误差，δ (DJ为多光程折叠腔 的光学密度测量误差，S (Cl。）为多光程折叠腔中充入标准吸收截面为〇 " (j)的第i种标 准气体的单位浓度C1。的来源误差。
[0028] (三）有益效果
[0029] 上述技术方案所提供的基于变角光学密度的多光程折叠腔标定方法，完全基于光 学测量，不需要引入标准气体评估，由于气体测量受温度、压强和流量等参数的影响，不确 定性比较大，且难以控制和复现，所以本方法剔除由气体引入的不确定度很大的复杂影响， 只是基于光学密度的精密测量和折叠腔的装调误差，实现多光程折叠腔在较小不确定度水 平上的标定，提高了检出限标定的精度。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例中光学密度片在折叠腔的标定位置示意图；
[0031] 图2为本发明实施例中场镜中的矩阵光斑示意图；
[0032] 图3为本发明实施例中入射角度求解示意图；
[0033] 图4为本发明实施例中光学密度测量装置原理图；
[0034] 图5为本发明实施例中载片转动结构示意图。
[0035] 图中，Ml :第一反射镜；M2 :第二反射镜；Rl :入射孔径；R2 :出射孔径；F :场镜焦 点；Fl :第一反射镜焦点；F2 :第二反射镜焦点；P :标准密度片；T :场镜；01 :光源模块；02 : 密度片模块；03 :探测模块；1 :离轴椭球镜；2 :卤钨灯；3 :吸热玻璃；4 :平面反射镜；5 :可 变光阑；6 :光纤束入射端；7 :真空管；8 :电磁阀；9 :乳白玻璃；10 :载片舟；11 :限杂散光屏 A ; 12 :收集透镜；13 :限杂散光屏B ; 14 :准直透镜；15 :明视滤光片；16 :会聚透镜；17 :(XD 线阵谱仪；18 :平面架载台；19 :小转台电机；20 :俯仰调节电机；21 :平面载体；22 :投影调 节电机；23:标准密度片。
【具体实施方式】
[0036] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具 体实施方式作进一步详细描述。
[0037] 本发明提出了一种基于变角光学密度的多光程折叠腔标定方法，其中，用于气体 浓度测量的多光程折叠腔是基于比尔朗伯定律工作的。比尔朗伯定律给出了气体的吸收谱 和光学密度之间的对应关系，将气体浓度c的测量转化为光学密度D的测量，如式1所示， 图1中各部件的标号及名称见【附图说明】所示，其中σ为所测气体的吸收截面，L为多光程 折叠腔的光程。
[0038]
( 1 )
[0039] 设长为L的多光程折叠腔中充入的标准吸收截面为〇 " (j)的第