CN102323219A - 基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置 - Google Patents

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CN102323219A CN201110142896A CN201110142896A CN102323219A CN 102323219 A CN102323219 A CN 102323219A CN 201110142896 A CN201110142896 A CN 201110142896A CN 201110142896 A CN201110142896 A CN 201110142896A CN 102323219 A CN102323219 A CN 102323219A
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谢品华
王杨
李昂
方武
曾议
吴丰成
刘文清
刘建国
徐晋
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Abstract

基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，包括具有天体追踪功能的二维旋转平台系统、望远镜系统、光谱仪和计算机；接收的直射太阳光、月光、星光和散射太阳光经望远镜系统通过光纤传输到光谱仪，光谱仪采集的光谱信息经过AD转化传输到计算机，通过计算机利用相关算法进行反演，获得大气痕量气体的垂直柱浓度和垂直柱分布信息。本发明可以实现对大气常规污染气体的日夜监测，在不需要任何人造光源的条件下，通过旋转平台带动望远镜追踪天体或定向扫描，完成污染气体吸收光谱的测量，与其他光学方法相比，系统结构简单、装卸简单、携带方便、可实现日夜连续测量，获得痕量气体柱浓度和垂直柱分布信息。

Description

基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置
技术领域
本发明属于光学测量方法领域，具体的说是一种用于大气污染成分日夜遥测装置。
背景技术
日益严峻的大气污染使得人们越来越关注对大气痕量气体时空分布的研究，例如NO2、SO2等对人体有害的气体，成为各级环保部门长期监测的项目，HCOH、BrO、O3、NO2以及NO3等在大气化学中起到了重要的作用，其在大气中的浓度成为许多研究机构希望获得的数据。现在的测量技术主要是传统的化学点式测量方法和光学遥测的方法，光学遥测的方法方便获得整层大气的痕量气体浓度，可以同时监测多种气体，实现实时连续监测。相比而言点式化学方法只能提供测量点的数据，无法提供整层大气中测量气体的浓度，而且较难实现实时监测。
传统的光学遥测装置有长光程差分吸收光谱系统、分光光度计和散射太阳光差分吸收光谱系统。其中长光程差分吸收光谱系统虽然可以日夜监测，但是需要配备光源，系统复杂、笨重，运输、安装、拆卸都很复杂；分光光度计和散射太阳光差分吸收光谱系统只能用于白天测量，无法日夜监测。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，可以日夜监测，多种气体同时测量，获得污染气体的垂直柱浓度和柱垂直分布信息，从而满足快速建立观测基站进行日夜测量的需要；且结构简单，携带方便，安装拆除快速。
本发明的技术解决方案：基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，所采用的测量装置是，可接收直射太阳光、月光、星光和散射太阳光，经光谱仪进行分光和AD转化，将光谱信息输入计算机，通过计算机利用相关算法进行反演，获得大气痕量气体的垂直柱浓度和垂直柱分布信息。
本发明具体包括：具有天体追踪功能的二维旋转平台系统、望远镜系统、光谱仪和计算机，其中：
所述具有天体追踪功能的二维旋转平台系统架设在三脚架上，该系统包括电机控制系统、水平转动电机、竖直转动电机、水平仪和指南针；水平仪用于二维旋转平台系统初始位置水平调节，保证天体追踪模式中的追踪精度和散射光测量模式中仰角精度，手动调节三角架，使通过水平仪判断平台是否水平；指南针用于天体追踪模式中望远镜初始指向调节和散射光测量模式中方位角的确定，手动调节，使架设在二维旋转平台上的望远镜指向指南针所指北方；电机控制系统包括单片机、GPS装置和自动导星装置，所述单片机内存储着太阳、月亮和星体的天体历法，所述GPS装置将测量点经度和纬度输入到单片机中，单片机根据地理信息、当地时间、天文历法计算出天体的位置，将位置转化成电机的控制命令，并将所述控制命令输出到水平转动电机和竖直转动电机，从而控制电机系统带动望远镜追踪天体；所述自动导星装置包括照相机和数字信号处理模块，照相机安装在望远镜系统中的寻星镜后，所追踪天体经过寻星镜成像在照相机上，照相机将图像信号转化成数字信号送至数字信号处理模块，数字信号处理模块判断所追踪天体是否在望远镜视场中心，将反馈信号输出至单片机，单片机根据天体历法控制水平转动电机和竖直转动电机带动望远镜系统追踪天体，并通过自动导星装置中数字处理模块的反馈信号校正追踪误差；
望远镜系统架设在二维旋转平台系统上，望远镜系统白天可接收直射太阳光和和散射太阳光，夜间可接收星光，实现获取直射太阳光和散射太阳光及星光的目的；所述望远镜系统包括望远镜前段装置、主镜和寻星镜；望远镜前段装置设置两种不同的前段装置，一个用于接收直射太阳光，另一个用于接收夜间月光、星光和散射太阳光；所述主镜实现会聚光、滤光和传导光，它包括会聚透镜、滤光片和传导光纤，会聚透镜将天体光会聚进光纤，滤光片为287nm-490nm紫外光波段的滤光片，滤除所需光谱波段以外的光束，减少杂散光，传导光纤将会聚透镜会聚后的光传输到光谱仪；寻星镜背负在主镜的镜筒上，与主镜共轴，使所追踪天体同时在寻星镜和望远镜主镜中成像，通过判断寻星镜的指向，即可得到望远镜主镜的指向；
在天体追踪模式下，从望远镜系统中传导光纤出射的光成像在光谱仪入射狭缝上，经光谱仪处理模数转换后，将光谱信息送入计算机进行后续处理，根据差分吸收光谱算法(参见著作《Differential Optical Absorption Spectroscopy》U.Platt and J.Stutz.，Physics ofEarth and Space Environments，2008，Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008.)获得污染气体垂直柱浓度信息；在散射太阳光测量模式下，计算机控制二维旋转平台转到所需的天顶角和方位角，望远镜系统收集散射太阳光，会聚入光谱仪，经光谱仪分光和数模转化后获得光谱信号，将光谱信号送人计算机中由计算机进行后续处理，根据差分吸收光谱算法获得污染气体的垂直柱浓度，并结合最优化算法(参见著作《INVERSE METHODSFOR ATMOSPHERIC SOUNDING Theory and Practice》Clive D.Rodgers，university ofoxford)获得垂直柱分布信息。
所述用于接收直射太阳光的望远镜前段装置由石英窗口、经过表面黑色处理的具有限制视场角功能(限制到3°以内)的铝制长筒和减弱太阳光强的透射漫射体组成；铝制长筒长度可根据要得到的视场角和孔径来确定，一般在40cm-80cm之间；铝制长筒前段嵌入与其口径相当的石英玻璃片，此石英玻璃片防止灰尘或水进入其后面的光学部件，起保护作用，称作石英窗口；铝制长筒后端嵌入与其口径相当的透射漫射体。
所述用于接收夜间月光、星光和散射太阳光的望远镜前段装置由石英窗口、孔径较大(要大于6cm，保证光通量)且表面黑色处理的具有限制视场角功能的铝制长筒组成；铝制长筒长度一般40-80cm之间；在铝制长筒前段嵌入与其口径相当的石英玻璃片，此石英玻璃片防止灰尘或水进入其后面的光学部件，起保护作用，称作石英窗口。
所述光谱仪置于恒温盒内，所述的恒温盒由半导体冷热电材料的制冷或加热实现盒内温度恒定，保证光谱仪工作条件稳定，获得稳定的光谱信息，保证测量精度。
所述在天体追踪模式下，计算机进行后续处理，根据差分吸收光谱算法，得到污染气体垂直柱浓度信息的基本原理为：利用痕量气体在大气中对不同波长的光有吸收作用的原理，将系统在“较干净大气”(比如在晴朗天气下，最小天顶角时)的条件下测得的光谱作为参考谱I0(λ)，利用实验室得到的标准气体吸收截面σj(λ)，根据公式采用最小二乘拟合的方法，获得测量光谱I(λ)中痕量气体的斜柱浓度Sj，在根据光谱测量时天体的天顶角θ，获得痕量气体的垂直柱浓度Vj＝Sj×cos(θ)。
所述在散射太阳光测量模式下，计算机进行后续处理，根据差分吸收光谱算法，得到获得污染气体的垂直柱浓度基本原理为：
利用痕量气体在大气中对不同波长的光有吸收作用的原理，将系统在望远镜仰角α＝90°时测得的光谱作为参考谱I0(λ)，利用实验室得到的标准气体吸收截面σj(λ)，根据公式
Figure BDA0000064882460000032
采用最小二乘拟合的方法，获得测量光谱I(λ)中痕量气体的斜柱浓度Sj，根据光谱测量时天体的天顶角θ，望远镜方位角φ，望远镜仰角α，利用McArtim模型(可在http://satellite.iup.uni-heidelberg.de/～tdeutsch/tracy-II下载相关软件和文献)计算出大气质量因子AMFj，获得痕量气体的垂直柱浓度
Figure BDA0000064882460000041
根据差分吸收光谱算法，结合最优化算法(参见著作《INVERSE METHODS FORATMOSPHERIC SOUNDING Theory and Practice》Clive D.Rodgers，university of oxford)得到污染气体的垂直柱分布的基本原理为：
一个循环中依次在n个不同(n≥3)的仰角处测量n条光谱作为测量谱I(λ)，采用前面相同的方法获得每个仰角测量的光谱的斜柱浓度n，利用McArtim模型计算出n个仰角对应的大气质量因子
Figure BDA0000064882460000043
，根据最优化算法，获得所测量气体的垂直柱浓度分布信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过将光谱系统和具有天体追踪功能的二维旋转平台相结合，可以利用直射太阳光、散射太阳光、月光、星光进行24小时全天监测，可以实现对大气常规污染气体的日夜监测，同时获得多种气体在大气中的垂直柱浓度和垂直柱分布信息。
(2)本发明在不需要任何人造光源的条件下，通过旋转平台带动望远镜追踪天体或定向扫描，完成污染气体吸收光谱的测量，与其他光学方法相比，系统结构简单、装卸简单、携带方便、可以在任意地点快速建立监测站点。
(3)本发明的望远镜前段设置有两种不同的前段装置，分别用于直射太阳光测量和星光、散射光测量。直射太阳光前段装置具有限制视场角、减弱光强、减少杂散光能力；星光、散射光前段装置具有限制视场角、减少杂散光、增加入射光强能力。
(4)本发明利用带有自动修正功能的基于天体历法的单片机和二维旋转平台，既可以自动追踪天体，用于收集直射太阳光、星光、月光等光源，也可以自动定向扫描，收集不同方位角、高度角的散射太阳光，结合计算机的自动信号采集和处理，实现无人管理自动监测。
(5)本发明直接会聚天体光进入光谱仪进行测量，信号强，测量时间段，可以快速给出当地大气污染物浓度，实现实时快速连续监测。附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的望远镜系统结构图；
图3为本发明的实现原理框图；
图4为本发明直射太阳光望远镜系统光路图；
图5为本发明月光、星光和散射太阳光望远镜系统光路图；
图6为本发明中天体追踪测量模式中计算机信号采集和处理实现流程图；
图7为本发明中散射光测量模式中计算机信号采集和处理实现流程图。
具体实施方式
如图1、3所示，本发明基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置架设在三角架1上，由天体追踪功能的二维旋转平台系统2带动望远镜系统3追踪天体和定向扫描，具体包括具有天体追踪功能的二维旋转平台系统2、望远镜系统3、光谱仪4.2和计算机5，望远镜系统3接收的直射太阳光、月光、星光和散射太阳光经通过光纤3.2.5传输到位于温控盒4.1内的光谱仪4.2，光谱仪4.2采集的光谱信息经过AD转化经传输线8.1传输到计算机5，计算机5负责光谱的自动采集和处理工作，并通过数据线8.2与二维旋转平台2的单片机进行通讯，通过计算机5的计算处理，获得大气痕量气体的垂直柱浓度和垂直柱分布信息。
如图1、3二维旋转平台系统2包括电机控制系统、水平转动电机2.2、竖直转动电机2.4、水平仪和指南针2.3；电机控制系统包括单片机2.1、GPS装置2.5和自动导星装置3.3。单片机2.1内存储着太阳、月亮和星体的天体历法，GPS装置2.5将测量点的经度和纬度输入到单片机2.1中，单片机2.1根据地理信息、当地时间和天文体法计算出天体的位置，将位置转化成电机的控制命令，并将控制命令输出到水平转动电机2.2和竖直转动电机2.4，从而控制电机系统带动望远镜系统3追踪天体。
单片机2.1中存储这需要追踪的天体的格林时角GHA和赤纬坐标DEC(可以通过skymap等星图数据库获得)，根据当地GPS装置2.5输入的经度信息和测量时间对应的格林视角GHA计算出天体的当地时角LHA，根据以下公式计算出天体的高度h和方位A
Figure BDA0000064882460000051
Figure BDA0000064882460000052
其中
Figure BDA0000064882460000053
为测量点纬度；通过高度h确定竖直转动电机2.4的转动位置，通过方位A确定水平转动电机2.2的转动位置，自动跟踪天体。
如图2、3所示，自动导星装置3.4包括照相机和数字信号处理模块，照相机安装在望远镜系统3中的寻星镜3.3后，所追踪天体经过寻星镜3.3成像在照相机上，照相机将图像信号转化成数字信号送至数字信号处理模块，数字信号处理模块判断所追踪天体是否在望远镜视场中心，然后再将反馈信号输出至单片机2.1，单片机2.1根据天体历法确定要追踪天体的控制水平转动电机和竖直转动电机带动望远镜系统3追踪天体，并通过自动导星装置3.4中数字处理模块的反馈信号校正追踪误差。
如图2所示，望远镜系统3架设在二维旋转平台系统2上，望远镜系统3白天可接收直射太阳光和和散射太阳光，夜间可接收星光、月光，实现获取直射太阳光和散射太阳光及星光的目的。望远镜系统3包括望远镜主镜3.2、望远镜前段装置3.1和寻星镜3.3。望远镜前段装置3.1安装在望远镜主镜3.2前面.望远镜前段装置3.1设置两种不同的前段装置，一个用于接收直射太阳光，另一个用于接收夜间月光、星光和散射太阳光。寻星镜3.3背负在望远镜主镜3.2的镜筒上，与主镜共轴，使所追踪天体同时在寻星镜3.3和望远镜主镜3.2中成像，通过判断寻星镜3.3的指向，即可得到望远镜主镜3.2的指向。
如图4所示，用于接收直射太阳光的望远镜前段装置3.1由石英窗6.1、经过表面黑色处理的具有限制视场角功能的铝制长筒6.2和减弱太阳光强的透射漫射体6.3组成；限制视场角功能限制中的场角为3°以内，铝制长筒长度可根据要得到的视场角和孔径来确定，一般在40cm-80cm之间；铝制长筒6.2前段嵌入与其口径相当的石英玻璃片，此石英玻璃片防止灰尘、水等进入其后面的光学部件，起保护作用，称作石英窗6.1；铝制长筒6.2后端嵌入与其口径相当的投射漫射体6.3。
如图5所示，用于接收夜间月光、星光和散射太阳光的望远镜前段装置3.1由石英窗7.1、孔径较大(要大于6cm，保证光通量)且表面黑色处理的具有限制视场角功能的铝制长筒7.2组成。铝制长筒长度可根据要得到的视场角和孔径来确定，一般在40cm-80cm之间，铝制长筒7.2前段嵌入与其口径相当的石英玻璃片，此石英玻璃片防止灰尘或水进入其后面的光学部件，起保护作用，称作石英窗7.1。
如图2、4、5，望远镜主镜3.2包括会聚透镜3.2.3、滤光片3.2.4和传导光纤3.2.5；会聚透镜3.2.3安装在前部，滤光片3.2.4安装在后部，会聚透镜3.2.3将天体光会聚进传导光纤3.2.5，滤光片3.2.4为287nm-490nm紫外光波段的滤光片，滤除所需光谱波段以外的光束，减少杂散光，传导光纤3.2.5将会聚透镜3.2.3会聚后的光传输到光谱仪4.1。望远镜主镜3.2中的会聚透镜3.2.3、滤光片3.2.4和传导光纤3.2.5均采用石英材料。
本发明在天体追踪测量模式中，根据水平仪手动调节三脚架1，保证平台2水平，根据指南针手动调节平台水平转动轴，使望远镜指向指南针所指北方；GPS装置2.5将测量点的经度和纬度信息输入单片机2.1，单片机2.1根据本地时间、经纬度信息、天体历法计算出天体的方位角和仰角，转化成电机控制信号，输出到水平转动电机2.2和竖直转动电机2.4，两个电机带动望远镜追踪天体，自动导星装置3.4的照相机部分装在寻星镜3.3后，根据天体的像输出反馈信号到单片机2.1，单片机2.1控制电机修正追踪误差。经望远镜会聚后的光经光纤传导入光谱仪4.2进行分光，计算机5用于此工作模式的自动采集和处理控制光谱仪AD转换采集光谱、存储光谱和计算污染气体垂直柱浓度。
本发明在散射太阳光测量模式中，根据水平仪2.3手动调节三脚架1，保证平台2水平，根据指南针2.3手动调节平台水平转动轴，使望远镜指向指南针所指北方，单片机2.1接受计算机输入的方位角和仰角信号，转化成水平电机2.2和竖直电机2.4的控制信号，使望远镜转到指定位置。经望远镜会聚后的光经光纤传导入光谱仪4.2进行分光，计算机的用于此工作模式的自动采集和处理控制光谱仪AD转换采集光谱、存储光谱和计算污染气体垂直柱浓度与垂直柱分布。
如图6所示，在天体追踪测量模式中，计算机确定光谱积分时间和平均次数，设定光谱仪参数，采集光谱，存储光谱到指定目录，依次读取测量光谱、参考谱、标准吸收截面，根据差分吸收光谱方法(具体算法参见《Differential Optical AbsorptionSpectroscopy》U.Platt and J.Stutz.)，计算得到污染气体斜柱浓度，计算机根据测量光谱的时间，计算出天体天顶角，利用公式计算出污染气体垂直柱浓度，获得测量结果。
如图7所示，在散射光测量模式中，在一个测量循环中，计算机依次将n(要求n≥3)个望远镜指向的方位角和仰角信息输入单片机，单片机转化成电机的控制信号，电机带动望远镜转到指定位置，计算机确定光谱积分时间和平均次数，设定光谱仪参数，采集第j条光谱，存储光谱到指定目录，依次读取测量光谱、参考谱、标准吸收截面，根据差分吸收光谱方法(具体算法参见《Differential Optical Absorption Spectroscopy》U.Platt and J.Stutz.)，计算得到污染气体斜柱浓度Sj，利用McArtim模型(可在http://satellite.iup.uni-heidelberg.de/～tdeutsch/tracy-II下载相关软件和文献)结合方位角、高度角和测量时间，计算出大气质量因子AMFj，根据公式
Figure BDA0000064882460000071
计算出垂直柱浓度VCDj；每采集一条光谱j＝j+1，当j＞n时，设置j＝1，再根据一个循环中的n个斜柱浓度S和AMF，根据差分吸收光谱算法，结合最优化算法(参见著作《INVERSE METHODS FORATMOSPHERIC SOUNDING Theory and Practice》Clive D.Rodgers，university of oxford)得到污染气体的垂直柱分布。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，其特征在于包括：具有天体追踪功能的二维旋转平台系统、望远镜系统、光谱仪和计算机，其中：
所述具有天体追踪功能的二维旋转平台系统架设在三脚架上，该系统包括电机控制系统、水平转动电机、竖直转动电机、水平仪和指南针；水平仪用于二维旋转平台系统初始位置水平调节，保证天体追踪模式中的追踪精度和散射光测量模式中仰角精度；指南针用于天体追踪模式中望远镜初始指向调节和散射光测量模式中方位角的确定；电机控制系统包括单片机、GPS装置和自动导星装置，所述单片机内存储着太阳、月亮和星体的天体历法，所述GPS装置将测量点经度和纬度输入到单片机中，单片机根据地理信息、当地时间和天体历法计算出天体的位置，将位置转化成电机的控制命令，并将所述控制命令输出到水平转动电机和竖直转动电机，从而控制电机系统带动望远镜追踪天体；所述自动导星装置包括照相机和数字信号处理模块，照相机安装在望远镜系统中的寻星镜后，所追踪天体经过寻星镜成像在照相机上，照相机将图像信号转化成数字信号送至数字信号处理模块，数字信号处理模块判断所追踪天体是否在望远镜视场中心，将反馈信号输出至单片机，单片机根据天体历法控制水平转动电机和竖直转动电机带动望远镜系统追踪天体，并通过自动导星装置中数字处理模块的反馈信号校正追踪误差；
望远镜系统架设在二维旋转平台系统上，望远镜系统白天可接收直射太阳光和散射太阳光，夜间可接收星光，实现获取直射太阳光和散射太阳光及月光、星光的目的；所述望远镜系统包括望远镜主镜、望远镜前段装置和寻星镜；望远镜前段装置安装在望远镜主镜前面；所述望远镜系统设置两种不同的前段装置，一个用于接收直射太阳光，另一个用于接收夜间月光、星光和散射太阳光；所述望远镜主镜实现会聚光、滤光和传导光；寻星镜背负在望远镜主镜上，与望远镜主镜共轴，使所追踪天体同时在寻星镜和望远镜主镜中成像，通过判断寻星镜的指向，即可得到望远镜主镜的指向；
在天体追踪模式下，从望远镜系统中传导光纤出射的光成像在光谱仪入射狭缝上，经光谱仪处理模数转换后，将光谱信息送入计算机进行后续处理，根据差分吸收光谱算法获得污染气体垂直柱浓度信息；在散射太阳光测量模式下，计算机控制二维旋转平台转到所需的天顶角和方位角，望远镜系统收集散射太阳光，会聚入光谱仪，经光谱仪分光和数模转化后获得光谱信号，将光谱信号送人计算机中由计算机进行后续处理，根据差分吸收光谱算法获得污染气体的垂直柱浓度，并结合最优化算法获得垂直柱分布信息。
2.根据权利要求1所述的基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，其特征在于：所述用于接收直射太阳光的望远镜前段装置由石英窗口、经过表面黑色处理的具有限制视场角功能的铝制长筒和减弱太阳光强的透射漫射体组成；铝制长筒长度可根据要得到的视场角和孔径来确定，在40cm-80cm之间；铝制长筒前段嵌入与其口径相当的石英玻璃片，此石英玻璃片称作石英窗口；铝制长筒后端嵌入与其口径相当的透射漫射体；所述限制视场角为3°以内。
3.根据权利要求1所述的基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，其特征在于：所述用于接收夜间月光、星光和散射太阳光的望远镜前段装置由石英窗口、孔径大于6cm且表面黑色处理的具有限制视场角功能的铝制长筒组成；铝制长筒长度40-80cm之间；在铝制长筒前段嵌入与其口径相当的石英玻璃片，此石英玻璃片防止灰尘或水进入其后面的光学部件，起保护作用，称作石英窗口。
4.根据权利要求1所述的基于自然天体光源的便携式大气污染成分日夜遥测装置，其特征在于：所述光谱仪置于恒温盒内，所述的恒温盒由半导体冷热电材料的制冷或加热实现盒内温度恒定。
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