[发明专利]激光自混合大气颗粒物多物理参数测量方法和装置

说明书

技术领域

    本发明涉及大气颗粒物监测技术领域，尤其涉及一种大气颗粒物多物理参数的快速非接触测量方法和装置。

背景技术

    随着经济的不断发展，颗粒物污染成为大气的首要污染源，大气颗粒物浓度、粒径和运动速度等作为影响和表征大气空气质量的重要参数，越来越受到人们的关注。城市空气中颗粒物主要来源于土壤风沙尘、工业排放的烟气、施工扬尘、机动车尾气尘等，对于生态环境、工业生产、人类健康等领域都有着十分严重的危害。大气颗粒物会吸收或反射太阳的辐射，干扰自然界的能量辐射平衡，降低大气能见度。同时，大气中的颗粒物表面会吸附各种有害物质，一旦进入人体就会引发各种呼吸系统疾病，人类长期生活在颗粒物污染严重的环境中会导致体质下降或引发慢性疾病。

    目前，对于大气颗粒物微物理特征参数的测量技术，较为成熟的是激光多普勒和光散射技术。激光多普勒测速是利用外差方法测量多普勒频移来获得颗粒物的速度信息，具有非介入、高空间分辨和快速响应等优点，但一般需要分光器件以形成外部干涉，并且光程差需要在激光相干长度内才能观测到多普勒干涉信号，因此同时存在光路复杂、难以准直、对光源相干性要求高等不足，较难广泛应用于普通场合的颗粒物测量如烟道颗粒物监测等。光散射法是通过测量颗粒物对入射光在一定角度上的散射光信号并根据米散射原理推算出颗粒物粒径分布，主要有结合光散射的光学粒子计数和双光斑飞行时间测量技术，可实现多通道、高精度的微米级颗粒物粒径测量，但信号探测结构更为复杂，需要设计精巧的椭球镜信号收集系统，并将散射和接收光分别调整到不同的焦点上才能实现颗粒物粒径的测量。

    近年来，由激光多普勒技术发展而来的激光自混合技术（即激光器的出射光经外部物体散射或反射后，部分光反馈回激光腔形成新的谐振，通过测量激光功率、频率的变化来获取外部物体运动、形貌等信息的测量技术），无需外部干涉，具有系统结构简单、体积小、易于调节、精度高且不受激光器功率波动影响等优点，可广泛应用于速度、位移、距离等物理量的高精度测量。但是，由于大气颗粒物散射信号很弱、颗粒物多种物理特性会同时影响激光自混合信号并存在一定的随机波动，很难测量到明显的激光自混合信号，更无法实现颗粒物多种物理参数的有效提取。因此，普通的激光自混合传感系统无法实现大气颗粒物多参数的准确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光自混合大气颗粒物多物理参数测量方法和装置，以解决现有对于大气颗粒物微物理特征参数的测量技术中探测结构复杂、测量精度不高的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种激光自混合大气颗粒物多物理参数测量方法和装置，包括微片激光器和依次安装在其发射端轴线上的准直透镜、第一会聚透镜，其特征在于：所述准直透镜与第一会聚透镜之间安装有能将微片激光器发射光分光在发射光轴垂直方向的分光镜，所述分光镜分光后激光光路上安装有第二会聚透镜，所述第二会聚透镜焦点处安装有光电探测器，所述光电探测器后依次电连接有信号放大器、数据采集卡、频谱分析仪和计算机，所述光电探测器的输出端与信号放大器的输入端电连接，信号放大器的输出端分别电连接在数据采集卡和频谱分析仪的输入端，所述数据采集卡和频谱分析仪的输出端电连接在计算机上。

所述微片激光器采用激光二极管泵浦微片激光器，单横模和单纵模激光输出。选用的激光器单纵模工作可使得在激光聚焦点附近反馈下自混合波形无明显畸变，单横模工作使得自混合信号的频谱展宽较小。

所述激光器、准直透镜、会聚透镜、颗粒物共同构成共焦系统，只有在会聚点附近的散射光才能大量返回到激光器谐振腔中产生自混合效应，可以进一步提高系统的测量精度。

本发明的有益效果为：

本发明保持了激光自混合技术系统具有的结构简单、易于调节等优点，并且采用单纵模单横模微片激光器有效提高了激光自混合大气颗粒物传感的灵敏度，降低了大气颗粒物光反馈下的激光自混合信号频谱的展宽效应；同时设计的激光传输系统采用共焦光路，在提高反馈光强的同时限制会聚点以外的杂散光进入激光器谐振腔，进一步提高系统的灵敏度和测量精度。

附图说明

    图1为本发明的激光自混合大气颗粒物多物理参数测量装置原理图。

    图2为本发明的激光自混合模型原理图。

具体实施方式