CN101109699B - 大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱方法与装置，是设置多个望远镜，从地面不同俯仰角度观测太空，探测和收集经过大气散射的太阳光，望远镜镜筒进行表面处理染黑减少杂散光，散射的太阳光经过望远镜中的透镜、滤光片后会聚到光纤的端头，多个望远镜筒尾端的光纤合束后将多束太阳散射光导入成像光谱仪的入射狭缝，光谱仪对太阳散射光进行色散后聚集在面阵成像CCD探测器的光敏面上，光谱信号经A/D转换后输入计算机进行光谱数据分析和处理。可应用于大气化学研究，为大气化学模型提供输入数据以及模型验证；可应用于校验了卫星大气成分的探测结果。
Description
技术领域
本发明属于一种光学遥控方法与装置，具体的说是一种用于大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱测量方法与装置。
背景技术
大气污染成分(如NO2、SO2、HCHO等)的垂直分布对于掌握污染气体的空间分布、输送、演变过程是十分重要的。目前对于污染气体的垂直分布的测量方法主要有：1)采用建立观测塔的方式，在建立的观测塔的不同高度上分别放置点式气体监测仪(如NO2监测仪)来实现对不同高度的气体成分浓度的观测，从而获得气体的垂直分布。但主要问题是可观测的高度取决于观测塔的高度(一般最好只有300多米)，并且需要多个不同成分的气体监测仪，仪器尚需定期进行标定。2)采用差分吸收激光雷达探测，差分吸收激光雷达一般可以实现高度至3-5km的气体垂直分布的探测，主要缺点是目前激光器的有限波长限制了能够探测的气体的种类，并且价格昂贵，而且不易实现自动化测量，操作复杂。3)探空气球(或飞艇)，利用气球的上升过程进行探测，只是一次性观测，不能进行长时间观测。
发明内容
本发明的目的是实现对近地面边界层、对流层的大气痕量成分(如：NO2、SO2和HCHO等)的垂直分布进行地基遥感探测，系统结构简单，可观测多种气体成分，并能进行长期观测，测量高度可至平流层(10km)。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现。
大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱方法，其特征在于采用多个望远镜，从地面不同俯仰角度观测太空，探测和收集经过大气散射的太阳光，望远镜镜筒进行表面处理染黑减少杂散光，散射的太阳光经过望远镜中的透镜、滤光片后会聚到光纤的端头，滤光片滤除太阳光的长波波段，让紫外光和可见光通过，多个望远镜筒尾端的光纤合束后将多束太阳散射光导入成像光谱仪的入射狭缝，光谱仪对太阳散射光进行色散后聚集在面阵成像CCD探测器的光敏面上，同时成像多条光谱，光谱信号经A/D转换后输入计算机进行光谱数据分析和处理；同时设置温湿度传感器和雨滴传感器，把温湿度及是否下雨的信息传给计算机；同时多个望远镜的俯仰角度调整由计算机控制步进电机通过机械传动机构实现。
大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱的装置，包括成像光谱仪、面阵成像CCD探测器，计算机，其特征在于有多个俯仰角度可调整的望远镜，每个望远镜的镜筒内安装有凸透镜、滤光片，镜筒经过表面处理染黑减少杂散光镜筒尾部安装有光纤，光纤的端头处于凸透镜的焦点位置，滤光片滤除太阳光的长波波段，让紫外光和可见光通过，各个望远镜尾部的光纤经过合束后，接入成像光谱仪的入射狭缝，成像光谱仪对入射的太阳散射光进行色散后聚集在后续光路上的面阵成像CCD探测器的光敏面上，面阵成像CCD探测器的输出信号经过A/D转换后输入到计算机；同时另外设置温湿度传感器和雨滴传感器的信号线与计算机连接。
本发明的主要特点在于：
1、采用多轴被动差分吸收光谱方法，以散射太阳光(自然光源)作光源来获得近地面边界层、对流层的大气痕量成分的垂直分布，是一种地基光学遥测量方法与系统。
2、采用多个望远镜、多束光纤耦合与面阵CCD探测器组合的成像光谱探测方式，同时获取来自多个方向的光谱信息，实现对多个方向的同时探测。
3、独特设计的望远镜角度调整机械机构，实现多个望远镜的观测方向扫描调整。在一次测量循环过程中，各个望远镜同时测量来自不同方向的光谱，然后通过该机械机构，采用一个步进电机通过不同的传动比，同时转动各个望远镜至天顶方向，测量天顶的光谱(用于去除平流层的气体吸收)。
实现NO2、SO2、HCHO等多种大气痕量污染成分垂直分布探测。
5、安装有温湿度传感器和雨滴传感器，雨天自动停止测量。
发明效果：
采用多轴被动差分吸收光谱方法与装置，实现对地面层、对流层大气污染成分的垂直分布测量，可应用于城市污染气体分布监测，掌握污染气体的分布、输送等信息，为环境保护部门掌握污染水平和制定措施提供技术支持；可应用于大气化学研究，为大气化学模型提供输入数据以及模型验证；可应用于校验了卫星大气成分的探测结果。
附图说明
附图是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
图中本发明的装置包括成像光谱仪6、面阵成像CCD探测器、计算机8，其有四个望远镜1、2、3、4，每个望远镜的镜筒端口安装有凸透镜11，镜筒经过表面处理染黑减少杂散光，凸透镜11的焦点处安装有光纤，其光纤端头与凸透镜11之间依次安装有紫外光、可见光滤光片12，多束光纤5一端接多个望远镜，另一端把多股光纤5合束成一纵列接入到成像光谱仪6的入射狭缝，成像光谱仪对光进行散射后聚集在后续光路上的面阵成像CCD探测器7的光敏面上，同时成像多条光谱，由成像CCD探测器7记录多条光谱进行A/D转换后输入计算机8进行光谱数据分析和处理，同时另外设置温湿度传感器和雨滴传感器9的信号线与计算机8连接。同时多个望远镜的俯仰角度调整由计算机8控制步进电机通过机械传动机构10实现。
图中望远镜1、2、3、4结构相同，四个望远镜指向水平仰角不同的四个方向(也可以增加更多方向)，接收和探测各个方向上散射的太阳光，不同的观测方向代表了太阳光穿越大气中的不同路径(或光程)，也就是包括了不同路径下大气成分的信息。通过设置接近于地面的观测方向(如：离地面俯仰角2°、5°、10°等)，所获取的信息包括了近地面层大气的分布信息，散射的太阳光经过望远镜中的透镜11、滤光片12后会聚到光纤的端头，滤光片滤除太阳光的长波波段，让紫外光和可见光透过。通过望远镜的镜筒进行表面处理染黑从而减少杂散光，光纤5一端分成四股光纤分别接入四个望远镜，另一端把四股光纤合束成一纵列将收集到的散射的太阳光导入成像光谱仪6的入射狭缝。光谱仪对光进行色散后聚集在面阵成像CCD探测器7的光敏面上，同时成像4条(多条)光谱，由面阵成像CCD探测器同时记录4条(或多条)光谱，光谱经模数转换后进入计算机8进行光谱解析。温湿度传感器和雨滴传感器9，可以将温湿度及是否下雨的信息传给计算机，方便在雨、雾等空气湿度较大的天气条件下由计算机8控制将望远镜系统配套的遮雨罩放下并停止测量，以防影响该系统的光学性能。同时多个望远镜的俯仰角度调整由计算机控制步进电机通过机械传动机构实现。
本发明采用一个步进电机通过不同的传动比控制4个望远镜的角度调整。
Claims (2)
1.大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱方法，其特征在于设置多个望远镜，从地面不同俯仰角度观测太空，探测和收集经过大气散射的太阳光，望远镜镜筒进行表面处理染黑减少杂散光，散射的太阳光经过望远镜中的透镜、滤光片后会聚到光纤的端头，滤光片滤除太阳光的长波波段，让紫外光和可见光通过，多个望远镜筒尾端的光纤合束后将多束太阳散射光导入成像光谱仪的入射狭缝，光谱仪对太阳散射光进行色散后聚集在面阵成像CCD探测器的光敏面上，同时成像多条光谱，光谱信号经A/D转换后输入计算机进行光谱数据分析和处理；同时设置温湿度传感器和雨滴传感器，把温湿度及是否下雨的信息传给计算机；同时多个望远镜的俯仰角度调整由计算机控制步进电机通过机械传动机构实现。
2.大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱的装置，包括成像光谱仪、面阵成像CCD探测器，计算机，其特征在于有多个俯仰角度可调整的望远镜，每个望远镜的镜筒内安装有凸透镜、滤光片，镜筒经过表面处理染黑减少杂散光，镜筒尾部安装有光纤，光纤的端头处于凸透镜的焦点位置，滤光片滤除太阳光的长波波段，让紫外光和可见光通过，各个望远镜尾部的光纤经过合束后，接入成像光谱仪的入射狭缝，成像光谱仪对入射的太阳散射光进行色散后聚集在后续光路上的面阵成像CCD探测器的光敏面上，面阵成像CCD探测器的输出信号经过A/D转换后输入到计算机；同时另外设置温湿度传感器和雨滴传感器的信号线与计算机连接。
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