專利名稱：多光路光學吸收大氣測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學吸收大氣測量儀，用于對大氣污染 物大范圍平面濃度分布實時監(jiān)測。
技術(shù)背景目前對大氣中污染氣體如二氧化氮、二氧化硫、臭氧的測量主要有空氣二氧化氮、二 氧化硫、臭氧自動監(jiān)測儀，以及長程差分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置。自動監(jiān)測儀在監(jiān)測 時，通過采樣管先將待測氣體抽入到儀器內(nèi)，使其與某些物質(zhì)進行化學反應，或用紫外光 照射或利用紫外吸收原理進行測量，比如二氧化氮分析儀工作時，先將二氧化氮轉(zhuǎn)化成一 氧化氮，再讓一氧化氮與過量的臭氧反應，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的二氧化氮，該激發(fā)態(tài)的二氧化氮 很不穩(wěn)定，很快躍遷回基態(tài)，并發(fā)射波長范圍為600 3000nm的光，根據(jù)測得的發(fā)射光強 來確定一氧化氮的濃度，最后由一氧化氮濃度推算出二氧化氮濃度。對臭氧分析儀利用紫 外吸收法，首先將樣氣通入吸收池，然后用紫外光照射，對比被紫外吸收和沒有紫外吸收 的光，可以分析樣氣中臭氧的濃度。對二氧化硫是采用紫外熒光法，儀器一般由樣品池、 紫外光源、探測器構(gòu)成，監(jiān)測時，將二氧化硫通入樣品池，然后用波長190 300nm的紫 外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光后躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子回到基 態(tài)時，發(fā)射出峰值波長在330nm附近的紫外熒光，該熒光強度與二氧化硫濃度呈線性關(guān)系， 進而再推算出二氧化硫濃度。但這類儀器的不足之處是每種儀器只能測量一種污染物，儀 器維護工作量大。長程差分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置是利用氣體分子對某些波長光的特 征吸收原理工作的，其工作過程是發(fā)射接/收望遠鏡固定在一端，在距離500m左右的地方 放置一角反射鏡，望遠鏡發(fā)射出去的光經(jīng)過角反射鏡反射后再被望遠鏡接收，然后通過光 纖將光傳輸?shù)焦庾V儀進行分光，光信號由探測器檢測，并送入計算機進行光譜分析，反演 出光路經(jīng)過區(qū)域中污染物的濃度。上面提到的自動分析儀由于需要通過采樣管抽取樣氣，因而只能進行點測量，長程差 分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置有一條測量光路，其測量結(jié)果反映的是測量光路上污染物濃 度值，是線測量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足處而提供一種多光路的光學吸收大氣測量儀。 本發(fā)明提出的多光路光學吸收大氣測量儀包括-可以同時向4個方向發(fā)射光并接收4個方向反射光的4光路發(fā)射和接收裝置；一根石英光纖；一個分光光譜儀；一個面陣探測器；一臺分析濃度用的計算機。其中，4光路發(fā)射和接收裝置共有4個光路，每個光路的結(jié)構(gòu)一致，分別由設(shè)置于該 光路入口端的一個球面反射鏡(如圖中15、 21、 16、 22)、設(shè)置于該光路后部且與該球面 反射鏡成45°角的平面反射鏡和設(shè)置于該光路中間且與該球面反射鏡垂直的另一平面反 射鏡組成。4光路發(fā)射和接收裝置工作時可以將光源發(fā)出的光沿4個不同方向發(fā)射出去， 并且接收這4個方向反射回來的光；石英光纖有4個入射端口，分別在4光路發(fā)射和接收 裝置的4個會聚焦點上，其出射端口在分光光譜儀的入射窗口處，石英光纖將4光路中由 4個方向返回的光會聚到一個光纖出射端送入分光光譜儀的入射窗口；面陣探測器與分光 光譜儀連接，輸出與計算機連接，面陣探測器同時探測經(jīng)分光光譜儀分光后的4條光譜， 并將他們輸入到計算機進行分析。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本儀器采用4光路發(fā)射和接收裝置，將光源的光沿4個不同方向發(fā) 射出去，這樣就同時有4條測量光路，可以測量4條光路上污染物濃度，因此測量范圍覆 蓋到一個面，克服了現(xiàn)有技術(shù)中只能進行點測量和線測量的不足。由于使用了面陣探測器， 本系統(tǒng)可以同時采集4個方向上的測量光譜，因此可以用較高的時間分辨率對一個區(qū)域上 空進行大面積測量，提高了測量效率和覆蓋區(qū)域。該儀器集成程度高，將以前需要多套設(shè)備才能完成的污染物面分布測量任務集中到一 個系統(tǒng)中，大大提高了測量效率，提高了儀器的性能價格比，非常適合于對大面積區(qū)域大 氣環(huán)境多種污染物進行連續(xù)、在線測量。


圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)面)。 圖2為4光路發(fā)射和接收裝置的橫剖面圖示。圖中標號l是4光路發(fā)射和接收裝置，15、 16、 21、 22是4塊球面反射鏡，11、 12、 17、 18是4塊與球面反射鏡成45度角的平面反射鏡，13、 14、 19、 20是4塊與球面反射 鏡垂直的平面反射鏡，2是光源，3是石英光纖，4是分光光譜儀，5是面陣探測器，6是 計算機。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式進行進一步的描述。參見圖l，光源2采用高壓氙燈，位于4光路光學發(fā)射和接收裝置1中，可以被4光 路的光學發(fā)射和接收裝置向4個方向準直發(fā)射；發(fā)射和接收裝置l中，第l光路由設(shè)置于該光路入口端的第1球面反射鏡15、設(shè)置于該光路后部且與第1球面反射鏡15成45。角 的第1平面反射鏡11和設(shè)置于該光路中間且與第1球面反射鏡15垂直的第5平面反射鏡 13組成；第2光路由設(shè)置于該光路入口端的第2球面反射鏡21、設(shè)置于該光路后部且與 第2球面反射鏡21成45°角的第2平面反射鏡17和設(shè)置于該光路中間且與第2球面反射 鏡21垂直的第6平面反射鏡19組成；第3光路由設(shè)置于該光路入口端的第3球面反射鏡16、設(shè)置于該光路后部且與第3球 面反射鏡16成45°角的第3平面反射鏡12和設(shè)置于該光路中間且與第3球面反射鏡16 垂直的第7平面反射鏡14組成；第4光路由設(shè)置于該光路入口端的第4球面反射鏡22、設(shè)置于該光路后部且與第4球 面反射鏡22成45°角的第4平面反射鏡18和設(shè)置于該光路中間且與第4球面反射鏡16 垂直的第8平面反射鏡20組成。該石英光纖3具有4個入射端口，但只有一個出射端口，其功能是將發(fā)射和接收裝置 l與分光光譜儀4連接，分光光譜儀4由準直系統(tǒng)、光柵組成，可以將在入射窗口縱向排 列的入射光在其出射窗口分解成縱向排列的光譜，面陣探測器5與分光光譜儀相連，同時 面陣探測器5又通過電纜線與計算機6相連。工作時，光源2發(fā)出的光被發(fā)射和接收裝置1中的平面反射鏡ll、 12、 17、 18和球面 鏡15、 16、 21、 22準直后向4個不同的方向發(fā)射，同時平面鏡13、 14、 19、 20和球面鏡 15、 16、 21、 22又將從這4個方向反射回來的光接收并匯聚在石英光纖3的4個入射端口 上，石英光纖3將這些光傳輸?shù)椒止夤庾V儀4的入射端口，在分光光譜儀4中經(jīng)過準直和 分光后，4條光路上的光譜信號由面陣探測器5檢測，并通過電纜線傳輸?shù)接嬎銠C6進行 光譜處理，在濾除大氣中米散射、瑞利散射對測量光譜的影響后，得到大氣污染物的吸收 光譜，用待測大氣污染物的標準吸收光譜對大氣吸收光譜進行最小二乘法擬合，就能反演 各條測量光路上的污染物濃度，最終結(jié)合計算機數(shù)值重建技術(shù)，描繪出監(jiān)測區(qū)域上空污染 物濃度的平面分布。
權(quán)利要求
1、一種多光路光學吸收大氣測量儀，其特征在于包括一個可以同時向4個方向發(fā)射光并接收4個方向反射光的4光路發(fā)射和接收裝置；一根石英光纖；一個分光光譜儀；一個面陣探測器的光譜儀；一臺分析濃度用的計算機；其中，4光路發(fā)射和接收裝置共有4個光路，每個光路的結(jié)構(gòu)一致，分別由設(shè)置于該光路入口端的一個球面反射鏡、設(shè)置于該光路后部且與該球面反射鏡成45°角的平面反射鏡和設(shè)置于該光路中間且與該球面反射鏡垂直的另一平面反射鏡組成；石英光纖有4個入射端口，分別在4光路發(fā)射和接收裝置的4個會聚焦點上，其出射端口在分光光譜儀的入射窗口處，石英光纖將4光路中由4個方向返回的光會聚到一個光纖出射端，送入分光光譜儀的入射窗口；面陣探測器與分光光譜儀連接，輸出與計算機連接，面陣探測器同時探測經(jīng)分光光譜儀分光后的4條光譜，并將他們輸入到計算機進行分析。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種多光路的光學吸收大氣測量儀。它包括4光路光學發(fā)射和接收裝置、石英光纖、面陣探測器、分光光譜儀等。光源位于發(fā)射和接收裝置中，石英光纖的4個入射端口分別在發(fā)射和接收裝置的4個會聚焦點上，出射端口在光譜儀的入射窗口處；光譜儀由準直系統(tǒng)、光柵構(gòu)成；面陣探測器連接在光譜儀的出射窗口處，接收4條測量光路上的光譜信號，同時通過電纜線與計算機相連接；計算機存儲和分析光譜信號，反演污染物濃度，并用于顯示測量區(qū)域上空的污染物濃度平面分布。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，集成化程度高，可以同時在4個方向的測量光路上測量大氣污染物濃度，適合于對大面積區(qū)域大氣環(huán)境多種污染物進行連續(xù)、在線測量。
文檔編號G01N21/01GK101241068SQ20081003454
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者斌 周 申請人:復旦大學