基于激光自混合效应的空气颗粒物多物理参数测量方法研究

颗粒物是影响我国空气质量的首要污染物，已严重危害到生态环境和人类健康。当前对空气颗粒物的实时监测大多采用光学方法，仍存在系统复杂、难以调节、测量参数单一等问题。为此，本项目提出一种简便可行的基于激光自混合效应的空气颗粒物运动速度、浓度和粒径的测量方法，并解决反馈信号弱波动大时颗粒物参数难以提取等问题。.本项目将从理论分析着手，运用三镜腔和Mie散射理论建立完善的空气颗粒物动态反馈下激光自混合理论模型，模拟分析关键参数对自混合效应的影响，构建颗粒物物理参数与自混合信号的函数关系；采用激光二极管泵浦微片激光器和外部探测方案，设计建立高灵敏高精度激光自混合颗粒物传感系统；提出采用差频模拟锁相、自相关运算等信号处理方法实现颗粒物多种信息的高精度提取；结合实验和理论结果，研究颗粒物反馈下激光自混合效应的基本规律和系统灵敏度特性，探索系统优化的有效途径，为该方法用于亚微米颗粒物监测奠定理论和技术基础。

颗粒物是影响我国空气质量的首要污染物，已严重危害到生态环境和人类健康。当前对空气颗粒物的实时监测大多采用光学方法，仍存在系统复杂、难以调节、测量参数单一等问题。为此，我们研究了一种简便可行的基于激光自混合效应的空气颗粒物多物理参数的测量方法。. 首先，基于颗粒物Mie散射特性、激光自混合三镜腔理论和激光器稳态条件，推导出在大气颗粒物光反馈下激光器频率、功率、线宽的理论表达式，建立了大气颗粒物光反馈下激光自混合理论模型。同时，数值模拟和分析了大气颗粒物参数对激光自混合干涉信号的影响。. 其次，提出基于微片激光器和共焦原理的高灵敏激光自混合颗粒物传感系统方案，提出基于三角波电流调制的颗粒物多维速度测量方案，实验研究了微片激光器和光纤激光器的自混合信号特征和系统参数的影响。. 最后，采用截止频率法，在频谱展宽较大时实现了38~193mm/s速度范围内颗粒物运动速度的准确测量，误差小于1%。提出了利用双口RAM内存芯片CY7C028作为数据共享存储器，实现CPLD和单片机之间的高速大容量通信，有效地提取了颗粒物粒径信息。利用电子学时间多道存储技术，结合大规模可编程逻辑控制器FPGA 和高速大容量双端口内存芯片，设计了一种高速大容量颗粒物信息分类计数存储系统，实现了颗粒物的快速识别与分类存储。