基于日盲紫外光進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的裝置及其檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超快光學(xué)技術(shù)和非線性光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于日盲紫外光進(jìn)行 霧霾粒子檢測(cè)的裝置；本發(fā)明還涉及利用該檢測(cè)裝置進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，霧霾天氣成為了突出的環(huán)境問(wèn)題，特別 是大中城市的上空難見"藍(lán)天白云"，社會(huì)各界對(duì)加大霧霾治理力度的呼聲日益強(qiáng)烈。2015 年初的紀(jì)錄片《穹頂之下》也深刻的告訴人們：霧霾治理已經(jīng)刻不容緩。霧霾天氣是一種 大氣污染狀態(tài)，是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，其PM2. 5 (Particulate Matter 2.5)被認(rèn)為是造成霧霾天氣的"元兇"。PM2. 5是指空氣中飄浮的直徑小于等于 2. 5 μm的顆粒物，是形成霧霾天氣的主要原因之一。霧霾天氣被公認(rèn)為災(zāi)害性天氣：一是 影響通行安全，地面能見度降低交通事故多發(fā)；二是導(dǎo)致氣象變異，區(qū)域氣候反常；三是損 害人體健康，PM2. 5能被人體吸入并粘附在呼吸道和肺葉而引起鼻炎、支氣管炎等病癥。目 前對(duì)TSP (Total Suspended Particulates)，PM10, PM2. 5的測(cè)量技術(shù)主要有：微量振蕩天 平法、濾膜稱重法、壓電晶體法、β射線吸收法以及光散射測(cè)量法等。這些測(cè)量技術(shù)都有各 自的優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一種方法能夠同時(shí)滿足檢測(cè)設(shè)備在實(shí)用性、精確性、可靠性及便利性等方 面的要求。
[0003] 日盲紫外光散射傳播具有全天候、無(wú)背景光干擾、寬視場(chǎng)接收等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有 在線測(cè)量、采樣周期短、受環(huán)境因素影響小、無(wú)需暗盒等優(yōu)點(diǎn)。偏振是各矢量波的共有性質(zhì)， 紫外光也具有這種特性，紫外偏振光分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光， 它們的偏振狀態(tài)不同，即Stokes矢量不同，更重要的是可以作為信息調(diào)制的載體。偏振狀 態(tài)因霧霾顆粒物對(duì)光的散射而改變，經(jīng)過(guò)起偏器后的紫外光成為偏振紫外光在霧霾天氣傳 播過(guò)程中，由于霧霾顆粒物形狀、大小、性質(zhì)各異，即粒子在不同散射角度的散射矩陣不同， 經(jīng)過(guò)不同顆粒物散射后的偏振狀態(tài)不同，偏振紫外光發(fā)生散射的同時(shí)，就將待測(cè)粒子相關(guān) 信息加載到了光束偏振態(tài)上，在霧霾檢測(cè)中可以測(cè)得散射后的偏振狀態(tài)，計(jì)算得到霧霾粒 子的散射矩陣，用于分析霧霾粒子粒徑。
[0004] 因此，需要結(jié)合日盲紫外光偏振的特性，運(yùn)用偏振態(tài)測(cè)量技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣霧霾 粒子粒徑的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供基于日盲紫外光進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù) 條件下，霧霾檢測(cè)技術(shù)的精度不高、受環(huán)境影響因素大、成本高，不能對(duì)大氣霧霾顆粒物進(jìn) 行實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的另一目的是提供利用上述檢測(cè)裝置進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的方法。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于日盲紫外光進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的裝置，包括用 于發(fā)射紫外光的LED燈，沿紫外光傳播方向依次設(shè)有空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、起偏器、λ/4 波片、分子氣體容器和光電探測(cè)器；起偏器、λ/4波片分別與步進(jìn)電機(jī)控制器連接，計(jì)算機(jī) 與步進(jìn)電機(jī)控制器連接；
[0008] 光電探測(cè)器包括沿光路依次設(shè)置的鍍膜分光器、偏振分光棱鏡a、偏振分光棱鏡 b、光電倍增管a、光電倍增管b、光電倍增管c和光電倍增管d ;其中，鍍膜分光器與入射光 呈45°夾角放置，偏振分光棱鏡a位于鍍膜分光器后方與入射光共線放置，鍍膜分光器、偏 振分光棱鏡a、光電倍增管a和光電倍增管b構(gòu)成反射光路；偏振分光棱鏡b位于鍍膜分光 器正上方與入射光垂直放置，鍍膜分光器、偏振分光棱鏡b、光電倍增管c和光電倍增管d構(gòu) 成透射光路。
[0009] 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，基于日盲紫外光進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的方法，采 用一種基于日盲紫外光進(jìn)行霧霾粒子檢測(cè)的裝置，其結(jié)構(gòu)為：包括用于發(fā)射紫外光的LED 燈（1)，沿紫外光傳播方向依次設(shè)有空間濾波器（2)、準(zhǔn)直透鏡（3)、起偏器（4)、λ/4波片 (5)、分子氣體容器（6)和光電探測(cè)器（7);起偏器（4)、λ/4波片（5)分別與步進(jìn)電機(jī)控制 器⑶連接，計(jì)算機(jī)（9)與步進(jìn)電機(jī)控制器⑶連接；
[0010] 其中，光電探測(cè)器（7)包括沿光路依次設(shè)置的鍍膜分光器（10)、偏振分光棱鏡 a (11)、偏振分光棱鏡b (12)、光電倍增管a (13)、光電倍增管b (14)、光電倍增管c (15)和光 電倍增管d(16);其中，鍍膜分光器（7)與入射光呈45°夾角放置，偏振分光棱鏡a(ll)位 于鍍膜分光器（10)后方與入射光共線放置，鍍膜分光器（10)、偏振分光棱鏡a(ll)、光電倍 增管a (13)和光電倍增管b (14)構(gòu)成反射光路；偏振分光棱鏡b (12)位于鍍膜分光器（10) 正上方與入射光垂直放置，鍍膜分光器（10)、偏振分光棱鏡b (12)、光電倍增管C (15)和光 電倍增管d (16)構(gòu)成透射光路；
[0011] 基于上述裝置的檢測(cè)方法按以下步驟進(jìn)行：
[0012] 步驟1，測(cè)量光電探測(cè)器的儀器矩陣A ;
[0013] 步驟2,利用步驟1測(cè)得的儀器矩陣A，得偏振紫外光照射待測(cè)霧霾粒子后散射光 的Stokes矢量矩陣Sciut;
[0014] 步驟3,根據(jù)mie散射理論，得待測(cè)霧霾粒子的粒徑。
[0015] 本發(fā)明的特征還在于，
[0016] 步驟1中，儀器矩陣A的測(cè)量過(guò)程為：
[0017] 步驟I. 1 :打開LED燈，紫外光依次通過(guò)空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、偏振器和λ /4波 片，計(jì)算機(jī)獲取并記錄偏振作用后紫外光的Stokes矢量：Sin。= [all al2 al3 al4];
[0018] 步驟I. 2 :步驟I經(jīng)偏振作用后的紫外光穿過(guò)未放置霧霾粒子的分子氣體容器，再 通過(guò)鍍膜分光器作用分為反射光和透射光，反射光通過(guò)棱鏡a的分割作用形成兩束正交的 偏振光，偏振光分別進(jìn)入光電倍增管a和光電倍增管b，光電倍增管a和光電倍增管b將偏 振光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，用電流表分別測(cè)得輸出電流131和I bi;透射光通過(guò)棱鏡b的分 割作用形成兩束正交的偏振光，偏振光分別進(jìn)入光電倍增管c和光電倍增管d，光電倍增管 c和光電倍增管d將偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，用電流表分別測(cè)得輸出電流I^P I dl; 令 Il= [I al Ibl Icl Idi];
[0019] 步驟1. 3 :計(jì)算機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)整偏振器和λ/4波片的位置，使偏 振紫外光的Sokes矢量為Sinl= [a21 a22 a23 a24]，重復(fù)步驟1. 2的方法測(cè)得I a2、Ib2、1。2和 Id2,令！2 - [I a2 Ib2 Ic2 Id2];
[0020] 步驟I. 4 :計(jì)算機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)整偏振器和λ /4波片的位置，使偏 振紫外光的Sokes矢量為Sin2= [a31 a32 a33 a34]，重復(fù)步驟1. 2的方法測(cè)得I a3、Ib3、Ic3和 Id3，令 I3= [Ia3 Ib3 Ic3 Id3];
[0021] 步驟I. 5 :計(jì)算機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)整偏振器和λ /4波片的位置，使偏 振紫外光的Sokes矢量為Sin3= [a41 a42 a43 a44]，重復(fù)步驟1. 2的方法測(cè)得I a4、Ib4、Ic4和 Id4,令 I4 - [I a4 Ib4 Irf Id4];
[0022] 步驟I. 6 :將步驟I. I~I. 5所測(cè)得偏振紫外光的Sokes矢量及電流值帶入Muller 矩陣計(jì)算公式I = SA中，即得光電探測(cè)器的儀器矩陣A :
[0023] A = Sin1Im,
[0024] 其中，Sin= [S inQ;S inl;S in2;S in3]，Sin1為 S J勺逆矩陣；
[0025] Im = [II ;I2 ;I3 ;14]。
[0026] 步驟2中，偏振紫外光照射待測(cè)霧霾粒子后散射光的Stokes矢量矩陣Sciut的獲取 過(guò)程為：
[0027] 步驟2. 1 :開LED燈，紫外光依次通過(guò)空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、偏振器和λ /4波片， 計(jì)算機(jī)獲取并記錄偏振作用后紫外光的Stokes矢量：Sin。= [all al2 al3 al4]，在偏振 后的紫外光穿過(guò)放置霧霾粒子的分子氣體容器，接收端的光電探測(cè)儀是放置于散射后某角 度，再通過(guò)鍍膜分光器作用分為反射光和透射光，反射光通過(guò)棱鏡a的分割作用形成兩束 正交的偏振光，偏振光分別進(jìn)入光電倍增管a和光電倍增管b，光電倍增管a和光電倍增管 b將偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，用電流表分別測(cè)得輸出電流I1JP I 12;透射光通過(guò)棱鏡 b的分割作用形成兩束正交的偏振光，偏振光分別進(jìn)入光電倍增管c和光電倍增管d，光電 倍增管c和光電倍增管d將偏振光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，用電流表分別測(cè)得輸出電流I13和 I14;令 1。此=[I!! 112 113 114];
[0028] 步驟2. 2 :計(jì)算機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)整偏振器和λ /4波片的位置，使偏 振紫外光的Sokes矢量為Sinl= [a21 a22 a23 a24]，重復(fù)步驟2. 1的方法測(cè)得121、122、 123 和 124,令 Iciut2= [121 122 123 124];
[0029] 步驟2. 3 :計(jì)算機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)整偏振器和λ /4波片的位置，使偏 振紫外光的Sokes矢量為Sin2= [a31 a32 a33 a34]，重復(fù)步驟2. 1的方法測(cè)得131、132、 133 和 134,令 Iciut3= [131 132 133 134];
[0030] 步驟2. 4 :計(jì)算機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)整偏振器和λ /4波片的位置，使偏 振紫外光的Sokes矢量為S1n3= [a41 a42 a43 a44]，重復(fù)步驟2. 1的方法測(cè)得141、142、 14