基于积分浊度法测量气溶胶散射系数的系统设计与实现

大气气溶胶散射系数不仅是反映大气污染程度的指标,也是研究气候变化的重要参数之一。介绍了一种基于积分浊度法测量大气气溶胶散射系数的方法及系统设计。分别从系统原理、硬件设计和软件设计等方面介绍系统设计实现过程;采用恒流驱动方式保证光源稳定发光,高速单光子计数方式对散射光信号进行探测。最后通过实验验证了系统光源的线性、稳定性和探测器的准确性,并给出了与HW-N1型前向散射式能见度仪测量结果的对比,得出系统的设计是可行和可靠的结论。     

便携式激光雷达能见度仪的研制

介绍了正在研制的用于较低能见度测量的便携式激光雷达能见度仪,给出了用能见度仪测量斜程能见度的测量原理,并分析了大气气溶胶消光后向散射比对能见度测量的影响。详细描述了便携式激光雷达能见度仪的系统结构和时序控制。便携式激光雷达能见度仪具有体积小,结构紧凑的特点,可用于机场等地斜程能见度的准确测量。     

前向散射能见度仪测量误差的理论分析

前向散射能见度仪(FSVM)是测量能见度的主要仪器.从测量原理和散射理论出发,推导出了FSVM的探测方程,以此为基础,采用模拟计算与统计分析相结合的方法,分析了由于气溶胶性质不确定性和仪器光电机技术性能变化两方面引起的FSVM的8类误差源及其不确定度值.结果及分析表明:现有技术条件下仅考虑光电机性能不确定性而引起的能见度相对不确定度为4%;气溶胶性质不同而引起的相函数变化以及忽略吸收效应是FSVM的主要误差源,考虑到气溶胶性质的不确定性,能见度相对不确定度可达28%;若能识别出气溶胶性质,对于单一的雾、乡村型气溶胶和城市型气溶胶,能见度相对不确定度分别为7%、9%和18%;相函数对散射角的变化比较敏感,由于运输、架设和使用过程会对散射角产生相当的影响,必须对散射角进行校准.研究结果对FSVM的使用、改进和校准提供了理论支持.     

散射能见度仪接收器视场角对测量的影响

散射式能见度仪一般通过透镜限制接收器的视场角,接收光束成张角较大的锥形,测量角度具有不确定性,不符合严格的角散射系数定义.文中提出了使用透镜和阶跃光纤组合方式限制接收器视场角,接收光束为测量角度的入射平行光束,符合严格的角散射系数定义.使用TDA-4B气溶胶发生器产生6种浓度的气溶胶粒子,粒子直径不随浓度变化,对每一种浓度的粒子同时使用透镜和透镜加光纤组合两种限制接收器视场角的方式进行角散射系数的测量实验.通过实验得出,在单分散系条件下接收器的视场角偏大会导致角散射系数测量结果偏大,而通过Koschmieder定律计算得出能见度值会偏小.     

获取多波长气溶胶光学特性的方法研究

为了获得多波长气溶胶的垂直消光特性,本文提出了一种综合利用光学粒子计数器、能见度仪和激光雷达获取多波长气溶胶光学特性的新方法。该方法根据光学粒子计数器测量的谱分布、能见度仪测量的能见度和激光雷达测量的消光后向散射比反演出气溶胶粒子(λ=0.532μm)的折射率,作为初始值,根据气溶胶模式提供的折射率随波长的变化关系,确定其他波长上的折射率。再根据气溶胶折射率和谱分布计算不同波长上的消光特性,最后采用激光雷达测量的垂直消光廓线来反演其他波长上的消光廓线。以0.532μm,1.06μm和 10.6μm三波长为例,给出北京2004年8月24日气溶胶在不同波长上的垂直消光廓线。     

利用大气能见度获取多波长气溶胶光学特性

介绍了一种利用测量得到的大气能见度获取多波长气溶胶光学特性(主要探讨气溶胶的消光系数、散射系数和吸收系数)的新方法。首先，由能见度求出波长0.55 μm的大气消光系数，在减去大气分子的消光系数后得到0.55 μm气溶胶的消光系数，使用Mie散射理论求出气溶胶粒子的数密度；因为同一时间大气状态下气溶胶的数密度是不变的，所以再次使用Mie散射理论即可得到其他波长下气溶胶的光学特性。以1.06、1.536、3.75 μm为例，给出了合肥2003年近地面层的气溶胶光学特性，该方法对于研究大气环境和大气中光传输模式具有重要意义。     

基于散射法原理的能见度及气溶胶消光特性测量分析

气溶胶是指悬浮在大气中的各种半径为0.01～20μm的固体和液体粒子,它们对光的影响表现为散射和吸收,是致使大气中光波传输时能量损失的原因之一.介绍了两种测量大气气溶胶光散射特性的仪器,前向散射能见度仪和三波长积分浊度计,通过在合肥地区系统的测量,获得了该地区大气能见度和气溶胶消光的统计特征,为有关光学工程试验提供了科学依据.对比分析了两种设备测量结果,为提高探测精度,将两种仪器的测量结果放在一起进行了研究,获得了满足特殊试验要求的第一手数据,夏秋两季的能见度较高时,平均能见度的最大值超过10 000 m.实验结果对于大气环境评价和辐射气候效应及有关光学试验有重要的参考价值.     

基于分水岭分割算法夜间能见度仪的图像处理方法研究

基于数字摄像技术的夜间能见度仪是利用人眼观测原理研制的一种适用于夜间的能见度观测的仪器.通过CCD采集的光源图像的亮度信息来反演能见度,关键技术在于能够准确分割出目标光源和黑体的图像.介绍了一种基于控制标记符的分水岭分割的光源图像处理方法.实验验证了该方法具有很好的提取目标光源亮度信息的效果,能达到夜间能见度观测的要求.与Vaisala FD12前向散射能见度仪的结果进行相关性对比,具有较好的一致性.     

基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素,对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器,可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离,从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下,独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术,开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果,给出基于气溶胶光学参数的分类方法,并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比,参照建立的气溶胶分类查找表,实现了对气溶胶的分类识别,并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。     

基于数字双相位锁相放大器的前向散射能见度仪

从散射式能见度仪的理论基础出发,给出散射式能见度仪的测量原理和锁相放大器检测强噪声背景下微弱信号的原理。重点给出在日光、灯光等强噪声背景下检测散射的红外光和稳定发射器光源功率的解决方案。并根据该原理研制了VJC-2型能见度仪,在高速公路的试运行结果表明,该仪器具有很高的准确性和稳匙性。     

基于光声光谱和腔衰荡光谱的气溶胶光学特性测量研究

气溶胶光学特性是影响大气辐射强迫的重要因素, 对全球气候起着决定性作用。针对当前气溶 胶光学特性测量仪器存在的测量参数单一、测量不确定度高和溯源体系不完善等问题,本文 将光声光谱(PAS)技术和光腔衰荡光谱(CRDS)技术相结合,实现了气溶胶的消光、吸收及散 射系数同时在线测量, 并研制了一套大气气溶胶多光学参数的高精度在线测量装置。本文测量装置经过NO₂气体 标准物质校准 后,用于大气气溶胶光学特性测量,具有测量相对误差小于4%、测量重复性优于0. 2%和测量不确定 度为2.8%(k=2)等优点。与积分浊度计 、黑碳仪现场实验数据比较,本文测量装置的消光系数、吸收 系数和散射系数的E_n值均小于1,显示出良好的测量一致性和 稳定性。实验结果表明,本文测量装置具备 多参数测量能力,且测量结果准确可靠,可用于大气气溶胶光学特性的现场实时测量,也可 用于相 关测量仪器的计量校准,为测量仪器提供量值溯源。     

合肥、东南沿海地区气溶胶光学特性测量及模式分析

对合肥和东南沿海地区气溶胶粒子的光学特性进行了较为系统地实验观测和统计分析,并初步建立了两个典型地区气溶胶光学特性的模式,对这些地区气溶胶粒子的尺度谱分布、数浓度、散射和吸收系数以及大气能见度获得了规律性认识,这有助于较为全面地了解合肥和东南沿海地区大气气溶胶粒子的各种光学特征量,并可深入了解陆地和海洋型气溶胶粒子的光学特性.     

差分吸收光谱技术在气溶胶监测领域的应用研究

介绍了差分吸收光谱(DOAS)技术在气溶胶监测领域的应用.在研究、分析国外学者的研究基础上,提出采用单光路法并结合大气在550 nm处的能见度校准的方法测量气溶胶消光系数的研究计划.通过实验验证,该方法成功解析出大气气溶胶消光系数.     

气溶胶光学吸湿增长特性测量方法研究进展

吸湿性气溶胶会吸收环境空气中的水分, 其粒径会随相对湿度的增加而发生变化, 从而导致气溶胶的光学特 性 (如消光、散射、吸收系数与单次散射反照率等) 发生显著的变化。气溶胶光学吸湿增长因子 (湿状态与干状态下 光学参数的比值) 是衡量气溶胶光学吸湿增长能力的特征参数, 是计算大气能见度和气溶胶辐射强迫的关键输入量, 它的准确测量对于气溶胶环境和气候效应的评估具有重要意义。光学吸湿增长测量系统主要包括湿度调节系统和光 学测量装置, 通过湿度调节系统改变样品的相对湿度, 再结合光学测量装置实时测量光学参数的变化, 从而实现光学 吸湿特性的在线测量。鉴于气溶胶吸湿性研究的重要意义, 重点分析对比了现有的光学吸湿增长测量方法及应用, 并 对下一步气溶胶光学吸湿增长特性测量技术和研究方向做了展望。     

多角度偏振浊度计中扫描机构的设计

多角度偏振浊度计是一种利用了多角度散射和偏振测量技术的大气气溶胶测量仪器.核心扫描机构的设计是浊度计能否获取高精度大气气溶胶参数的关键.根据浊度计测量要求,选择了扫描机构实现方案,讨论了关键要求的实现方法,完成了扫描机构的设计并进行了验证.     

雾和气溶胶的光学特性对前向散射和总散射能见度仪性能的影响

建立了完整的散射式能见度仪（SVM）探测方程,搜集整理了典型天气条件下雾和气溶胶的观测资料,在此基础上,运用米散射理论计算并分析了雾和气溶胶的光散射特性及其对前向散射能见度仪（FSVM）和总散射能见度仪（TSVM）探测性能的影响。结果表明:大气散射特性显著影响SVM 的探测误差,且FSVM 受影响程度超过TSVM;雾天气下FSVM 与TSVM 的探测误差基本相当,而气溶胶天气下FSVM 探测误差比TSVM 约大6%;相同天气条件下,TSVM 接收的光通量约为FSVM 的7倍,但TSVM 泄露的散射光仍不能忽略,否则将导致较大的系统误差;若不计光通量测量误差,雾天气下FSVM 与TSVM 的探测误差分别为4.06%、5.54%,气溶胶天气下分别为35.80%、30.33%。所得结果可为SVM 的光路设计、误差分析和比对试验等提供支持。     

基于太阳辐射计的气溶胶光学特性反演算法研究

介绍了一种利用太阳直接辐射和天空漫射辐射来反演气溶胶光学特性的方法,研究了其算法实现过程.结合太阳辐射计CE318所测得的太阳直射辐照度和天空漫射辐亮度数据,反演获得了晴朗天气下四个波段的气溶胶光学厚度、Angstrom参数、单次散射反照率、散射相函数和偏振相函数.算法的实现为解决光学遥感应用中气溶胶散射相函数和偏振相函数的测量问题提供了一个实用的方法.