CN102735632B - 利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置及方法 - Google Patents
利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置及方法，包括二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、光谱仪和CCD、计算机、氧二聚体浓度测量装置、定标灯；光接收系统搭载到二维转动平台上，指向任意方位角和仰角，利用电子罗盘和电子倾角仪获得精确的方位角和仰角信息；天空散射光经光接收系统传输到光谱仪，光谱仪采集的光谱信息经过CCD AD转化传输到计算机，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演，得到光的传输路径上的污染气体柱浓度，并同时得到光的传输路径上氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置测得氧二聚体浓度，获得光的传输路径的长度，最终获得光路上的污染气体平均浓度。本发明可以实现对大气污染气体的水平分布的测量，并利用扫描DOAS算法可获得近地面的大气污染气体竖直分布，结构简单。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体的说是一种利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置及方法。
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测量的项目，HCHO、BrO、O3、NO2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，光学遥测的方法相比化学点式测量方法具有非接触、多组分、高时间分辨率的特点，便于实现实时连续自动测量。利用太阳光为光源的光学遥感方法较容易给出污染气体的柱浓度，但是气体的吸收路径长度还是较难获得的，所以污染气体的浓度也较难获得。另外污染气体的水平分布只能采用搭载到移动平台的测量设备获得，固定测量设备还无法给出污染气体的水平分布。污染气体的垂直分布现阶段多采用高塔和放球的方法获得，成本较高。因此综上，目前现有技术中还没有采用被动光源的同时能够测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的固定测量装置的文献报道。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，利用天空散射太阳光同时实现测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布。
本发明的技术解决方案：利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，包括：二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、光谱仪和CCD、计算机、氧二聚体浓度测量装置和定标灯；其中：光接收系统搭载到二维转动平台上，使光接收系统能够指向任意仰角和方位角；电子罗盘用于确定光接收系统指向的方位角；电子倾角仪用于确定光接收系统指向的仰角；光接收系统指向定标灯，用于对光谱仪和CCD进行校准；天空散射光经光接收系统通过石英光纤传输到光谱仪内，经光谱仪分光后照亮CCD，CCD采集的光谱信息经过AD转化传输到计算机，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演，得到所测光路上的污染气体柱浓度，并同时得到所测光路上氧二聚体柱浓度；氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度；根据以上两个氧二聚体信息获得光的传输路径长度，从而将污染气体柱浓度转化为光的传输路径的平均浓度；当光接收系统指向多个方位角时，获得大气污染气体水平分布；当光接收系统指向小于5度的多个仰角时，获得大气污染气体近地面竖直分布。
所述二维转动平台可由计算机控制，转到任意方向，转动范围0到360°，有较高的指向精度，其转动误差应小于0.1°。有较高的转动速度和加速度，提高水平扫描的时间分辨率。电子罗盘和电子倾角仪，可实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的信息，应有较高的精度，误差应小于0.1度。
所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°；内置滤光片，根据所测气体的强吸收所在波长，选择合适的滤光片，减少系统杂散光，提高信噪比；内置挡光轮，实时测量装置的背景噪声，提高装置信噪比。
定标灯可选择Hg元素灯，可在夜晚利用Hg元素灯对光谱仪进行定标。
光谱仪应置于恒温盒内，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。应对CCD进行制冷，尽量降低其温度，减少CCD的暗噪声，提高系统信噪比。
氧二聚体浓度测量装置应与光接收系统等放于同一地点，应实时得到此时此地近地面大气中氧二聚体的浓度。氧二聚体浓度测量装置可采用长程差分吸收光谱测量装置实时测量氧二聚体浓度；或者采用氧气浓度测量装置，根据氧二聚体浓度与氧气浓度的关系换算得到氧二聚体浓度。
二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、定标灯应置于有机玻璃半球保护罩中，可长期放置于室外，达到防水、防尘的标准，满足连续测量的要求。有机玻璃半球保护罩采用300nm以上紫外可见透过率达到50%以上的高透过率有机玻璃制作，提高所需波段光的通过率，提高装置所接收的光信号强度。光谱仪和CCD及其温控系统、计算机应置于室内。
本发明的测量方法为：当需要获得大气污染气体水平分布时，控制二维转动平台使光接收系统指向不同的方位角。对于每一个方位角，首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向仰角1°，得到测量光谱。利用被动差分吸收光谱算法（参见著作《Differential Optiacl Absorption Spectroscopy》U.Platt and J.Stutz.,Physics of Earth and Space Environments,2008,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008.）得到近地面污染气体和氧二聚体的柱浓度。柱浓度是气体浓度对光的传输路径的积分。氧二聚体浓度测量装置可测量得到此时此地近地面的氧二聚体浓度，由于氧的二聚体浓度在大气中水平分布稳定，垂直分布廓线稳定（参见文献“MAX-DOAS O4 measurements:A new technique to deriveinformation on atmospheric aerosols—Principlesand informationcontent”2004,JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH,VOL.109,D22205），所以在氧二聚体的柱浓度和浓度已知的情况下，可计算出光的传输路径长度，从而计算出污染气体在光的传输路径上的平均浓度。不同方位角上的污染气体平均浓度可以反映出大气污染气体水平分布。
当需要获得大气污染气体近地面竖直分布时，控制二维转动平台使光接收系统依次指向小于5°（仰角的间隔最小不得小于0.2度）的多个仰角和90°仰角。首先使光接收系统指向90°仰角，得到参考光谱，然后使光接收系统依次指向小于5°的多个仰角，得到多个测量光谱。用被动差分吸收光谱算法得到多个仰角的污染气体和氧二聚体的柱浓度。氧二聚体浓度测量装置可测量得到此时此地近地面的氧二聚体浓度。在氧二聚体的柱浓度和浓度已知的情况下，可计算出多个仰角的光的传输路径长度。根据多个仰角的光的传输路径长度和大气污染气体的柱浓度，利用扫描DOAS算法（参考文献“大气污染物垂直廓线扫描差分吸收光谱方法研究”光学学报，2009年第2期），可得到污染气体近地面的垂直分布，垂直分布的距离分辨率由仰角的间隔和仰角的个数决定。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明在测量大气污染气体在光的传输路径上的柱浓度的同时，也测量了在同一传输路径上的氧二聚体的柱浓度。通过氧二聚体水平分布稳定，垂直分布廓线稳定的特点，利用氧二聚体浓度测量装置得到此时此地近地面的氧二聚体浓度。利用氧二聚体的柱浓度和浓度可得到光的传输路径长度，从而得到光的传输路径上的大气污染气体平均浓度，从而实现对大气污染气体的水平分布的测量，并再利用扫描DOAS算法可获得近地面的大气污染气体竖直分布。与其他光学方法相比，采用被动光源，系统结构简单；与普通被动测量方法相比，可得到所测量气体吸收路径长度和气体的平均浓度，而普通被动测量方法只能得到污染气体的柱浓度；再利用二维转动平台，可测量污染气体的水平分布和近地面竖直分布。
（2）本发明测量实现了在固定平台上研究的大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的能力。与搭载到移动平台和建立高塔的方法相比，系统结构简单、成本较低。.
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明的实现原理框图；
图3为本发明中获得大气污染气体水平分布的实现流程图；
图4为本发明中获得大气污染气体近地面竖直分布中实现流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明实施例中，二维转动平台1.1置于平台上，计算机6通过控制线1.2控制二维转动平台1.1，电子罗盘2安装在二维转动平台1.1上，提供方位角信息，电子倾角仪安装在光接收系统4.1的上平面上，提供仰角信息，光接收系统4.1搭载到二维转动平台1.1上，接收到的天空散射光通过光纤4.2传输到光谱仪5.1内，经其色散后照亮CCD5.2，经CCD 5.2AD转化后将光谱信息经传输控制线5.4传输到计算机6，计算机6可对光谱信息进行处理，计算机6通过传输控制线5.4控制光谱5.1和CCD5.2，光谱仪5.1和CCD 5.2放置于温控箱5.3内，光接收系统4.1指向定标灯7，对光谱仪5.1和CCD 5.2进行校准，二维转动平台1.1、电子罗盘2、电子倾角仪3、光接收系统4.1和定标灯7放置在有机玻璃半球防护罩8内，起到防尘和防水作用。氧二聚体测量装置9放置在主体测量装置附近，给出此时此地的氧二聚体浓度。
如图3所示，本发明利用天空散射光大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的测量装置用于测量大气污染气体水平分布的实现流程为，依次扫描n个需要测量的方位角。在每一方位角测量时，仰角首先转到90°，光接收系统接收天空散射光经光纤传输到光谱仪和CCD，经AD转化后将光谱信息传输到计算机，计算机根据光强大小调整光谱仪和CCD采集参数，获得参考光谱。然后仰角转到1°，调整采集参数后，获得测量光谱。计算机利用被动差分吸收光谱算法反演大气污染气体的柱浓度和氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度，根据氧二聚体柱浓度和浓度计算光的传输路径长度，从而计算出该方位角的大气污染气体平均浓度。
如图4所示，本发明利用天空散射光大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的测量装置用于测量大气污染气体近地面竖直分布的实现流程为，仰角首先转到90°，光接收系统接收天空散射光经光纤传输到光谱仪和CCD，经AD转化后将光谱信息传输到计算机，计算机根据光强大小调整CCD采集参数，获得参考光谱。依次扫描n个需要测量的低角度仰角（都小于5°，扫描间隔大于0.2°），调整参数后，获得测量光谱。计算机利用被动差分吸收光谱算法反演每个仰角大气污染气体的柱浓度和氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度，根据氧二聚体柱浓度和浓度计算光的传输路径长度。根据每个仰角的光的传输路径长度和大气污染气体柱浓度，利用扫描DOAS算法，得到近地面大气污染气体竖直分布。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于包括：二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、光谱仪和CCD、计算机、氧二聚体浓度测量装置和定标灯；其中光接收系统搭载到二维转动平台上，使光接收系统能够指向任意仰角和方位角；电子罗盘用于确定光接收系统指向的方位角；电子倾角仪用于确定光接收系统指向的仰角；光接收系统指向定标灯，用于对光谱仪和CCD进行校准；天空散射光经光接收系统通过光纤传输到光谱仪内，经光谱仪分光后照亮CCD，CCD采集的光谱信息经过AD转化传输到计算机，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演，得到所测光路上的污染气体柱浓度，并同时得到所测光路上氧二聚体柱浓度；氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度；根据以上两个氧二聚体信息获得光的传输路径长度，从而将污染气体柱浓度转化为光的传输路径的平均浓度；当光接收系统指向多个方位角时，获得大气污染气体水平分布；当光接收系统指向小于5度的多个仰角时，获得大气污染气体近地面竖直分布；
所述二维转动平台能够由计算机控制，转动范围0到360°，其转动误差小于0.1°；
所述电子罗盘和电子倾角仪能够实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1度；
所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°；
所述氧二聚体浓度测量装置与光接收系统放于同一地点，实时得到此时此地近地面大气中氧二聚体的浓度；所述氧二聚体浓度测量装置采用长程差分吸收光谱测量装置或者采用氧气浓度测量装置，根据氧二聚体浓度与氧气浓度的关系换算得到氧二聚体浓度；
所述二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、定标灯置于有机玻璃半球保护罩中；所述有机玻璃半球保护罩采用300nm以上紫外可见波段的透过率高于50％的有机玻璃材料制作。
2.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述定标灯选择Hg元素灯，能够在夜晚利用Hg元素灯对光谱仪进行定标。
3.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，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。
4.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述CCD需要制冷。
5.利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的方法，其特征在于包括测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布步骤，所述大气污染气体水平分布的方法为：当需要获得大气污染气体水平分布时，控制二维转动平台使光接收系统指向不同的方位角，对于每一个方位角，首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向仰角1°，得到测量光谱；计算机利用被动差分吸收光谱算法反演大气污染气体的柱浓度和氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度，根据氧二聚体柱浓度和浓度计算光的传输路径长度，计算出该方位角的大气污染气体平均浓度；不同方位角上的污染气体平均浓度即反映出大气污染气体水平分布；
所述测量大气污染气体近地面竖直分布的方法为：当需要获得大气污染气体近地面竖直分布时，控制二维转动平台使光接收系统依次指向小于5°的多个仰角和90°仰角；首先使光接收系统指向90°仰角，得到参考光谱，然后使光接收系统依次指向小于5°的多个仰角，其中多个仰角的间隔最小不得小于0.2度，得到多个测量光谱；计算机利用被动差分吸收光谱算法反演每个仰角大气污染气体的柱浓度和氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度，根据氧二聚体柱浓度和浓度计算光的传输路径长度；根据每个仰角的光的传输路径长度和大气污染气体柱浓度，利用扫描DOAS算法，得到近地面大气污染气体竖直分布。
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