大气气溶胶浓度检测及检测系统设计

提出了一种双通道交替探测透射和散射的气溶胶浓度检测方法,并设计了相应的检测装置。利用光通过气溶胶后被吸收和散射的作用,采用双光路周期性测量90°散射光及透射光光强,消除了光源老化及探测器灵敏度不同对测量结果的影响。选用MSP430单片机作为主控芯片,通过对激光管施加脉冲信号实现对光信号调制,并在探测接收端进行信号的放大及滤波,有效消除了环境因素对测量精度的干扰。采用该测量装置进行了气溶胶测量,结果显示其线性较好,线性相关系数为0.976 5,表明测量系统稳定可靠。     

大气气溶胶消光系数检测系统设计

利用半导体激光器照射大气气溶胶试样后光强衰减得到大气气溶胶消光系数。光束经过气溶胶后检测透射方向的光强值,经光电转换、信号调理、AD采样后根据朗伯比尔定理计算气溶胶消光系数。采用双通道测量气溶胶消光系数的方法,减小了由于半导体激光器光强不稳定和大气分子对测量结果的影响。对设计的系统以不同浓度的气溶胶进行了检测,其线性度良好,相对误差小于4%。所设计的大气气溶胶检测装置体积小、操作简单、探测速度快,对监测大气污染和能见度等有一定的应用价值。     

基于CCD成像的侧向散射激光雷达几何标定方法

通过分析CCD成像特点,设计了侧向散射激光雷达几何标定实验,得到CCD各像元的角宽度,并确定了CCD像元与散射光位置之间的对应关系.对两次实验中采集的回波信号进行标定,并分别与POM02进行相函数比对、与后向散射激光雷达进行探测信号比对,结果表明:相函数廓线和POM02测量结果相吻合;侧向散射激光雷达信号与后向散射雷达的距离修正信号在650m以上的变化趋势一致.侧向散射激光雷达弥补了后向散射激光雷达在近地面段不能探测气溶胶的不足,该标定方法可靠,为进一步利用侧向散射激光雷达研究近地面气溶胶的时空分布奠定了坚实的基础.     

激光雷达研制及其探测大气气溶胶的实验研究

作为一种激光探测大气气溶胶特征的新技术,采用分子滤波技术的高光变分辨率激光雷达在国际上得到了发展,给出了对这种YAG激光雷达系统的理论分析并建立了实验装置,其接收望远镜孔径为300mm,YAG激光脉冲能量为150mJ。通过数值模拟与初步测量估计了激光雷达性能,测量了大气回向散射信号,测量结果表明实结果与理论分析一致。     

南京北郊气溶胶质量浓度空间垂直分布反演

使用拉曼 米激光雷达在南京北郊进行常规性检测,通过分析激光雷达回波信号,借助气溶胶质量浓度的线性模型和指数模型进行气溶胶质量浓度空间垂直分布反演。为提高反演的精确度,对米散射信号进行近场修正,消除重叠因子的影响,拉曼散射信号进行小波分析等去噪方法处理。处理过的米散射信号用来反演0~3 km大气的气溶胶质量浓度,拉曼散射信号用来反演3 km~10 km大气的气溶胶质量浓度,然后通过2个信号拼接反演中低层气溶胶质量浓度。实验结果:2种模型反演的气溶胶质量浓度在不同时刻的相关性系数为0.991和0.973 6,具有一定的可信度。     

基于CCD的侧向散射激光雷达信号提取方法

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶空间分布的强有力手段,但由于盲区和过渡区的存在,限制了它在近距离段的探测范围和精度。基于电荷耦合器(CCD)的侧向散射激光雷达可实现近距离段气溶胶信号的连续探测,且探测精度较高。分析了侧向散射激光雷达中干扰光和背景光的特点,找到了减少它们的方法。分析了激光在大气中产生侧向散射光的特点,找到了同一距离处侧向散射光的叠加方法。应用Matlab编程实现了对信号的自动提取,并与后向散射激光雷达信号进行了实验比对,结果表明该信号提取方法是可靠的、可行的。     

偏振-米散射激光雷达的研制

研制的偏振-米散射激光雷达（PML）,可用于探测卷云和沙尘气溶胶的后向散射光退偏振比以及研究流层大气气溶胶的消光特性。采用窄带滤光片和光阑,将接收到的激光大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱）从天空太阳背景噪声中分离出来,以提高系统的白天探测能力。介绍了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。对偏振-米散射激光雷达的性能参数进行了测定,并对测定结果进行了分析与讨论,给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市地区(117.16°E, 31.90°N)上空大气气溶胶的消光特性和卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。结果表明：研制的偏振-米散射激光雷达性能可靠,能对大气气溶胶和卷云的物理和光学特性进行有效的探测。     

基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制

 在分析瑞利、喇曼和米散射仿真回波信号的基础上,研制了一台探测大气温度、气溶胶和卷云的瑞利-喇曼-米散射激光雷达,实现了一台激光雷达针对大气温度、气溶胶和卷云光学特性的多参数探测。为提高瑞利和喇曼微弱回波信号信噪比,采用了极高灵敏度的R4632光电倍增管和光子计数技术;为实现对大气气溶胶和卷云的探测,532 nm回波信号采取高低分层技术、高层通道回波衰减方法和探测器门控技术。瑞利-喇曼-米散射激光雷达的探测结果证明了利用仿真回波信号指导激光雷达设计的可行性。     

大气颗粒物近前向光散射特性研究

为了考察大气颗粒物近前向光散射特性及其在粉尘质量浓度测量中的应用,建立了大气颗粒物近前向散射光测量实验装置,通过单分散和多分散颗粒物样本的实验测量和基于米散射理论的颗粒物光散射计算,得到颗粒物近前向散射光强度与粒径及分布宽度的关系,结果表明该装置可用于测量环境大气气溶胶质量浓度。通过已知参数的单分散气溶胶样品测量,借助米散射理论计算,可以获得较为准确的响应度数值,并估计测量实际大气颗粒物的误差范围。采用亚利桑那超细标准粉尘进行质量浓度定标,测量城区自然环境颗粒物的粉尘质量浓度,需要约2.5倍的修正。     

大气颗粒物近前向光散射特性研究EI北大核心CSCD

为了考察大气颗粒物近前向光散射特性及其在粉尘质量浓度测量中的应用,建立了大气颗粒物近前向散射光测量实验装置,通过单分散和多分散颗粒物样本的实验测量和基于米散射理论的颗粒物光散射计算,得到颗粒物近前向散射光强度与粒径及分布宽度的关系,结果表明该装置可用于测量环境大气气溶胶质量浓度。通过已知参数的单分散气溶胶样品测量,借助米散射理论计算,可以获得较为准确的响应度数值,并估计测量实际大气颗粒物的误差范围。采用亚利桑那超细标准粉尘进行质量浓度定标,测量城区自然环境颗粒物的粉尘质量浓度,需要约2.5倍的修正。     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。     

双气室气体检测系统的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用该系统对CH₄气体进行了实验研究,实验表明该系统的测量灵敏度可以达到0.2×10^-6。     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和发展

高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、化学、光电子等领域应用的前提条件。常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、拉曼、散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技术。其中,拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒子,然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子,固有的光漂白和blinking现象也对单粒子探测形成了挑战。散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法,从理论上讲,由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势,在细胞或生物组织内,小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来。众所周知,介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化,进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布,称为光热效应(photothermal effect)。基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏度高、无背景散射、原位和免标记等优点,在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力。综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展,首先介绍了光热效应的测量原理;接着分别讨论了光热透镜测量技术、微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置,比较了各种测量技术的信噪比、灵敏度、分辨率等特点,并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展;接着,论述了近年来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果;最后,简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战。     

Polar nephelometer for light-scattering measurements of ice crystals

We report on a small, lightweight polar nephelometer for the measurement of the light-scattering properties of cloud particles, specifically designed for use on a balloonborne platform in cirrus cloud conditions. The instrument consists of 33 fiber-optic light guides positioned in a two-dimensional plane from 5 degrees to 175 degrees that direct the scattered light to photodiode detectors-amplifier units. The system uses an onboard computer and data acquisition card to collect and store the measured signals. The instrument's calibration is tested by measurement of light scattered into a two-dimensional plane from small water droplets generated by an ultrasonic humidifier. Excellent comparisons between the measured water-droplet scattering properties and expectations generated by Mie calculation are shown. The measured scattering properties of ice crystals generated in a cold chamber also compare reasonably well with the theoretical results based on calculations from a unified theory of light scattering by ice crystals that use the particle size distribution measured in the chamber.     

基于受激布里渊散射的宽带宽和高精度的微波频率瞬时测量

提出了一种基于受激布里渊散射效应的瞬时频率测量方法.未知信号经过强度调制作为泵浦光,矢量网络分析仪产生的信号经过相位调制作为扫描信号光,当泵浦光和扫描信号光之间满足相位匹配条件时,受激布里渊散射效应发生并实现相位调制到强度调制的转换,未知信号的频率被测量.实验验证可以测量0.5 GHz-27 GHz的微波信号的频率,最大误差小于20 MHz.     

水体细菌微生物多波长散射光谱快速定量检测

通过分析细菌细胞的结构特征,将细菌菌体的多波长散射分为外部结构散射和内部结构散射两个部分,建立了细菌菌体前向散射光谱解释模型。利用该模型对大肠杆菌400～900 nm波段的前向散射光进行了快速解析,得到了大肠杆菌外部结构、内部结构的平均粒径大小及两结构占细菌体前向散射的比例;基于单细胞的散射光密度与整体细菌悬浮液光密度之间的关系可以快速检测出细菌的浓度。多次细菌浓度测量结果之间的最大差异为1.83%,且与平板法相比较,测量结果在同一量级,相对误差为3.44%。对不同生长时期的大肠杆菌和肺炎克雷伯菌进行了光谱解析,得到了两种细菌浓度及菌体大小随时间的变化曲线。研究结果不仅为细菌微生物生长过程的科学研究提供了一种快捷方法,而且为水体细菌微生物的快速检测与预警提供了技术手段。     

偏振同步光散射和同步光散射光谱区分与同时测定奎宁和奎尼丁对映异构体

在酸性缓冲溶液中,阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠SDBS能与金鸡纳类生物碱药物体系中一对对映异构体QN和QD作用产生增强的同步光散射(synchronous light scattering,SLS)信号,本文首先利用偏振同步光散射(polarized synchronous light scattering)信号,建立了同步光散射偏振度(P)区分QN和QD这对对映异构体,同时利用同步散射光谱和双标准曲线计量分析法对2种金鸡纳类生物碱药物进行同时测定,并将该方法应用于尿样中QN和QD的同时测定,结果令人满意。     

圆形阵列光电探测系统双目标识别方法

针对双弹丸同时着靶情况下的立靶坐标测量问题,提出一种圆形阵列光电探测系统的双目标识别方法。采用光电探测器件组成1个圆形的探测阵列,并将3个发光角度均为60°的扇形一字线激光器均匀设置于圆形探测阵列上组成探测光幕。当2发弹丸同时穿过探测光幕时,会在圆形探测阵列上产生6个弹丸投影,通过信号处理电路识别6个弹丸投影的中心位置,最后通过系统弹丸着靶坐标测量公式计算得到2发弹丸的着靶坐标。在对系统测量原理进行论述的基础上,建立了系统的弹丸着靶坐标测量模型,并对坐标测量误差进行了分析和仿真。仿真结果显示,系统在测量靶面为1 m×1 m时的X坐标测量误差标准差最大为2.7 mm,Y坐标测量误差标准差最大为0.6 mm。实验结果表明,系统在测量靶面为1 m×1 m时的X坐标测量误差标准差为2.22 mm,Y坐标测量误差标准差为1.98 mm。因此,该文所提出的系统可以有效测量弹径4.5 mm及其以上的双弹丸着靶坐标。