CN101419160B - 中低空大气成分临边探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气物理探测，尤其是中低空大气成分临边探测方法。通过装有步进电机的飞艇云台搭载成像光谱仪，飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控成像光谱仪按飞艇居留高度进行水平方向或垂直方向连续或不连续采集大气后向散射光并成像；成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过光谱数据分析和处理，进而得到探测范围内的大气化学成分。既能减少地表反照率对大气成分剖面反演的影响，提高水平面内地表覆盖范围和垂直方向上的分辨率，又能灵活地选择大气成分剖面探测的高度范围。实现了大气成分剖面连续、大面积、高精度的探测。

Description

中低空大气成分临边探测方法

技术领域：

本发明涉及一种大气物理探测，尤其是中低空大气成分的临边探测。

背景技术：

大气成分的垂直分布探测对研究大气成分，特别是污染或温室气体的空间分布、输送、演变过程有着重要的意义。

现有的从卫星遥感中低空大气成分的探测几何上可以分为垂直探测、临边探测和掩星探测三种方式。从探测机理上又分为多光束光谱遥感和单激光源谐波遥感技术。正在使用和发展的光谱遥感有傅氏变换红外光谱、差分光学吸收光谱、差分吸收激光雷达与激光长程吸收技术。光谱遥感技术实现大范围实时连续观测，灵敏度度和分辨率高，但其共同特点都是需要不同波长的两束或多束光，设备操作复杂、成本高，如CN 101109699公开的“大气成分垂直分布探测的多轴差分吸收光谱方法与装置”和CN 201051075Y公开的“被动差分光学吸收光谱仪”。单激光源谐波遥感技术只需要发射单束激光，利用反射光实现大气成分的探测，相对多束光成本降低，但相对传统的利用大气被动发射光谱探测大气成分其功耗大，对设备控制频率的特性要求高，如CN 1470863A公开的“单激光源谐波遥感探测气体的方法及其设备”。作为一种新型的大气成分探测技术，临边探测综合了单源和被动光谱遥感大气成分技术，而且它不仅具有与垂直探测类似的水平覆盖，而且具有与掩星探测类似的高垂直分辨率。另外，通过大气邻边散射探测反演大气成分剖面也能够有效地减少地表反照率对大气成分反演的影响，这是其它大气成分遥感探测技术不能解决的问题。但是，由于云覆盖限制，卫星遥感大气成分剖面通常在对流层顶(约10km)以上高度范围内精度较高。

在低空大气成分探测方法中多采用地基的光谱遥感监测技术，如在地面、观测塔、观测车等平台上的监测技术，但其可观测的有限大气剖面高度取决于观测平台的高度，一般只有几百米。由于受到常规大气成分光谱探测技术的限制，即使采用飞艇等低空飞行器作为平台，也只是利用飞艇的上升过程进行一次性观测，其观测的高度和范围明显受到飞艇有限的飞行高度限制，一般只达到平流层底约10km的高度，同时在大气剖面反演中明显受到地表反照率的影响。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种中低空大气成分临边探测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

中低空大气成分临边探测方法，包括下述顺序和步骤：

a、通过装有步进电机的飞艇云台搭载成像光谱仪；

b、飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，使成像光谱仪按飞艇居留高度进行水平方向或垂直方向连续或不连续采集大气后向散射光，或根据需要定址在某角度采集大气后向散射光并成像；

c、成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的水平方向上或垂直方向上的大气成分信息，进而得到探测范围内的大气化学成分。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

成像光谱仪水平0—360°转动为连续转动或根据需要往复转动或定址在某角度采集大气后向散射光；成像光谱仪垂直0—90°转动为往复转动或根据需要定址在某角度采集大气后向散射光；

有益效果：实现飞艇居留点切点垂直向上的高度在360度范围内大气成分剖面的探测，既能减少地表反照率对大气成分剖面反演的影响，提高水平面内地表覆盖范围和垂直方向上的分辨率，又能灵活地选择大气成分剖面探测的高度范围。针对低空大气成分剖面探测，特别是一些不容易接近区域的污染气体应急检测，如危险物集散地、烟囱等排气口，有必要发展一种技术能够满足方便、快速、实时、灵敏度高的探测方法，实现大气成分剖面连续、大面积、高精度的探测。根据滤光和成像光谱仪的特征，能够反演得到O₃、NO₂、SO₂等多种大气成分剖面的探测。

附图说明：

附图为：中低空大气成分临边探测方法二维体发射网格几何模型图

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

中低空大气成分临边探测方法，包括下述顺序和步骤：

a、通过装有步进电机的飞艇云台搭载成像光谱仪；

b、飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，使成像光谱仪按飞艇居留高度进行水平方向或垂直方向连续或不连续采集大气后向散射光，或根据需要定址在某角度采集大气后向散射光并成像；

c、成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的水平方向上或垂直方向上的大气成分信息，进而得到探测范围内的大气化学成分。

成像光谱仪水平0—360°转动为连续转动或根据需要往复转动或定址在某角度采集大气后向散射光；成像光谱仪垂直0—90°转动为往复转动或根据需要定址在某角度采集大气后向散射光；

在临边散射观测中，大气体发射在升交点x-z平面内有二维分布。按照飞艇飞行轨迹角度边界和从地心开始的径向距离把此平面划分成二维离散网格，大气体发射剖面贯穿于整个网格，大气体发射网格是轨道面内的二维网格。一旦飞艇姿态角不为0时，观测方向可能不在这一平面内。在这种情况下，如果在连续平面间的径向体发射非均匀，模拟则受到限制。假设轨道面外体发射分布径向均匀，轨道面外一点的半径 $r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ 和角距γ＝tan^-1(z/x)。通常认为体发射平面内具有相同半径和角距的点有着相同的体发射。

如果以飞艇作为观测方向的原点，那么积分路径为沿飞艇到无穷远处。假设只有介于离散二维体发射网格最小和最大边界之间的积分贡献才有意义。观测是沿着视线的体发射贡献V(s)[kR/km]的积分，即

$O_{p_{\mathrm{asc}}}=\underset{\mathrm{sat}}{\overset{\∞}{\∫}}V\left(s\right)\mathrm{ds}---\left(1\right)$

式(1)离散形式如式(2)，表达了与视线P_asc相交的整个网格元素j总和，其中是通过每个元素的几何路径，V_j[kR/km]是每个元素的体发射贡献，这样有

$O_{p_{\mathrm{asc}}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{L}_{p_{\mathrm{asc},j}}{V}_j\left[\mathrm{kR}\right]---\left(2\right)$

针对错误！未找到引用源。中错误！未找到引用源。特定视线P_asc，式(2)展开为

$O_{p_{\mathrm{asc}}}=L_{p_{\mathrm{asc},8}}{V}_8+L_{p_{\mathrm{asc},7}}{V}_7+L_{p_{\mathrm{asc},10}}{V}_{10}+L_{p_{\mathrm{asc},13}}{V}_{13}+L_{p_{\mathrm{asc},14}}{V}_{14}\left[\mathrm{kR}\right]---\left(3\right)$

完整观测包含基于视线P_asc(β_k)_l的平均贡献，组成整个视场。通过式(4)和式(5)以确定完整视场中的观测模拟值，

$O=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{\mathrm{NumTimes}}\left(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\β}}_k\right)O_{p_{\mathrm{asc}}{\left({\mathrm{\β}}_k\right)}_l}\right)\left[\mathrm{kR}\right]---\left(4\right)$

$O=\underset{l,k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{\left({\mathrm{\β}}_k\right)}_l\left(\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{L}_{p_{\mathrm{asc}}{\left({\mathrm{\β}}_k\right)}_l,j}{V}_j\right)\left[\mathrm{kR}\right]---\left(5\right)$

这些方程描述沿整个视场视线观测值的加权平均。式(4)中两个和代表观测亮度加权平均值包含一个瞬时视场，加权平均连续瞬时视场组成整个视场。式(5)中内和代表沿单一视线P_asc(β_k)_l每一个网格对观测贡献，外双重和代表这些观测值加权平均。

这样，已知每次采集的信号就能按照这个过程分配得到每个网格上的辐射，然后根据大气成分遥感光谱探测技术中的大气成分剖面反演方法反演得到每个网格的大气成分及其剖面。

实施例1

通过螺栓将成像光谱仪固定在装有的步进电机的飞艇云台上，飞艇按预测航线飞行，当飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，成像光谱仪在步进电机的带动下，使成像光谱仪在飞艇居留高度进行水平方向0—360°连续转动，连续采集大气后向散射光并成像；

成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的水平方向上的大气成分信息，进而得到探测范围内的大气化学成分。

实施例2

通过螺栓将成像光谱仪固定在装有的步进电机的飞艇云台上，飞艇按预测航线飞行，当飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，成像光谱仪在步进电机的控制下，使成像光谱仪在飞艇居留高度水平方向定址在成像光谱仪镜头中心轴线为中心线的30°夹角范围内采集大气后向散射光并成像；

成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的水平方向上定址在成像光谱仪镜头中心轴线为中心线的30°夹角范围内大气成分信息，进而得到探测30°夹角范围内的大气化学成分。

实施例3

通过螺栓将成像光谱仪固定在装有的步进电机的飞艇云台上，飞艇按预测航线飞行，当飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，成像光谱仪在步进电机的控制下，使成像光谱仪在飞艇居留高度水平方向，以成像光谱仪为中心每隔10°不连续的采集大气后向散射光并成像；

成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的水平方向上，每隔10°不连续的大气成分信息，进而得到探测范围内不连续的的大气化学成分。

实施例4

通过螺栓将成像光谱仪固定在装有的步进电机的飞艇云台上，飞艇按预测航线飞行，当飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，成像光谱仪在步进电机的带动下，使成像光谱仪在飞艇居留高度进行垂直方向0—90°，连续采集大气后向散射光并成像；

成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的垂直方向上连续的大气成分信息，进而得到探测范围内的大气化学成分。

实施例5

通过螺栓将成像光谱仪固定在装有的步进电机的飞艇云台上，飞机按预测航线飞行，当飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，成像光谱仪在步进电机的控制下，使成像光谱仪在飞艇居留高度垂直方向定址在30°夹角范围，采集大气后向散射光并成像；

成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的垂直方向上定址在30°夹角范围的大气成分信息，进而得到探测30°夹角范围内的大气化学成分。

Claims (3)

1.一种中低空大气成分临边探测方法，其特征在于，包括下述顺序和步骤：

a、通过装有步进电机的飞艇云台搭载成像光谱仪；

b、飞艇上升到探测目标大气的高度后，地面计算机系统通过无线通信遥控步进电机，使成像光谱仪按飞艇居留高度进行水平方向或垂直方向连续或不连续采集大气后向散射光，或根据需要定址在某角度采集大气后向散射光并成像；

c、成像后的光谱信号通过无线传输存储到地面计算机系统，经过A/D转换后进行光谱数据分析和处理，通过大气成分反演计算得到相应高度的水平方向上或垂直方向上的大气成分信息，进而得到探测范围内的大气化学成分。

2.按照权利要求1所述的中低空大气成分临边探测方法，其特征在于，成像光谱仪水平0—360⁰转动为连续转动或根据需要往复转动或定址在某角度采集大气后向散射光。

3.按照权利要求1所述的中低空大气成分临边探测方法，其特征在于，成像光谱仪垂直0—90⁰转动为往复转动或根据需要定址在某角度采集大气后向散射光。

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