基于腔衰荡光谱检测技术的气溶胶检测研究
气溶胶是大气污染的主要成分，是影响太阳辐射及气候变化的主要因素。气溶胶的消光系数作为大气能见度的重要组成指标，在大气传输计算、气候变化研究、空地观测以及航空安全等方面具有重要意义。 腔衰荡光谱技术作为一种快速检测的光谱技术，具有高灵敏度、可选择性强等优点，是气溶胶消光特性研究的有效手段。本文开展了气溶胶腔衰荡光谱检测技术的理论及实验研究，主要包括以下内容： 1、研究分析了腔衰荡光谱的测量原理。由光子弹模型和多光束干涉原理出发，分析了直线腔中的激光光束时域和频域特性，总结了决定衰荡腔体性能的特征参数和表达；分析了衰荡特性及腔内高斯光束的传输，为衰荡腔设计提供理论依据；对腔内的模式匹配进行研究，为激光与衰荡腔匹配过程中的腔失调以及腔失配问题提出解决方法。 2、基于动态能量角度研究了腔衰荡全过程。分析了连续波腔衰荡测量过程中的腔内能量变化过程，针对电流调制光腔衰荡的充光过程，建立了基于波长扫描速率的注入光强模型，进而解释了电流调制失谐关断时的过充现象。实验发现改变阈值和延迟时间均能提升检测精度，验证了充光时间的模拟。提升阈值使得衰荡过程的数据获取速率将逐渐降低，在设定时要在满足检测精度的前提下兼顾检测效率；增加适当延迟时间，能够提高衰荡时间和检测精度，实现高精度采样。 3、开展了腔衰荡光谱气溶胶消光实验研究。对搭建腔衰荡光谱消光仪的组成器件及关键流程进行介绍，详细介绍了模式匹配及关断系统的模拟及实验调试过程。通过对仪器进行标定测量和性能表征，得到背景衰荡时间为38.29μs，标准差为0.62μs；在长时间测量中基线漂移值为2.1084×10-8m-1，最小消光检测限2.0843×10-6m-1，搭建气溶胶检测装置性能优异，实验能够得出不同气溶胶粒径的衰荡时间及消光系数，实现了气溶胶消光系数的快速在线检测。在数据处理时还对数据采集部分的“采样”及“平均”进行了分析，单次采样更精确表现数据采集中的误差。
大气污染;气溶胶检测;腔衰荡光谱;电流调制;频率匹配
长春理工大学
硕士
电子科学与技术
魏志鹏
2022
中文
X513;X502
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）