CN102944530A - 一种温室气体柱浓度实时遥测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温室气体柱浓度实时遥测系统和方法，包括一个固定的站房，站房开有自动天窗；安装于站房内固定平台上的太阳跟踪器，接收由天窗进入的太阳光，从而自动跟踪太阳；太阳跟踪器的出射光穿过样品池，进入红外光谱仪；红外光谱仪的输出端连接有计算机；站房外还安装有微型气象站和无线数据传输天线，均连接到所述计算机的对应输入端；实测光谱和基于大气辐射传输模型的数值模拟计算光谱同时获得，并通过非线性最小二乘循环迭代方法实时获得多种温室气体柱浓度。本发明弥补了温室气体立体化高时空分辨测量技术手段的不足，能够为机载星载遥测提供校准数据，能够提供本地长期的温室气体观测结果。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测与保护、光学遥感领域，具体指一种温室气体柱浓度实时遥测系统与方法。
背景技术
准确测量温室气体浓度在节能减排、环境安全、气候变化等领域具有重要意义。目前，针对特定地点大气中的温室气体浓度主要采用采样地表空气的气相色谱和质谱分析方法和原位测量的监测手段，针对特定区域采用机载主动和被动遥测，针对全球尺度的温室效应采用星载被动遥测和模型模拟研究。另外，少数的高塔测量结果也有报道。在这些测量方法和系统中，气相色谱和质谱方法的测量设备笨重昂贵、采样测量周期长；机载温室气体测量的结果有限，不能获得连续时间尺度的温室气体浓度变化状况；卫星温室气体遥测和模型模拟结果需要地基柱浓度测量结果校准。这些技术手段均不能获得特定地点的高时间分辨力的从地表到大气层顶的温室气体柱浓度含量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种温室气体柱浓度实时遥测系统与方法，弥补温室气体立体化高时空分辨测量技术手段的不足，提供一种地基、快速、简便、实时在线遥测、成本相对低廉、多组份同时测量的从地表到大气层顶的温室气体柱浓度含量的测量系统与方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：包括有一个固定的站房，所述站房上设有自动天窗，站房内设置有一固定平台，固定平台上安装有太阳跟踪器，太阳跟踪器接收由天窗进入的太阳光，太阳跟踪器的出射光穿过样品池后进入红外光谱仪，所述红外光谱仪的输出端连接有计算机；所述站房外还安装有微型气象站和无线数据传输天线，微型气象站和无线数据传输天线均连接到所述计算机的对应输入端。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述站房天窗的面积大小和倾斜角度根据所处地理位置和测量时段的太阳天顶角与方位角设计，由计算机控制其打开与关闭。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述太阳跟踪器在测量时段内自动调整其内部反射镜的俯仰角和方位角，始终跟踪太阳，使得太阳直射光同一角度进入红外光谱仪。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述样品池为内部充有低压HCl气体的长10cm底面直径大于太阳跟踪器出射光光束直径的圆柱石英样品池。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述红外光谱仪为基于双臂扫描式干涉仪的傅里叶红外光谱仪。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述微型气象站包括温度、压力、湿度、太阳辐射、叶面湿度传感器。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述计算机实时记录微型气象站气象参数，实时记录分析所述红外光谱仪数据，通过所述天线完成站点数据发送和远程命令接收。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述计算机可与所述太阳跟踪器交互通信，可以启动、停止太阳跟踪器工作，查询、校准太阳跟踪器工作状态。
一种温室气体柱浓度实时遥测方法，其特征在于：所述的遥测方法包括以下步骤：
（1）、当气象站获取的气象参数达到仪器工作条件时，自动天窗打开，太阳跟踪器跟踪太阳，红外光谱仪记录穿过整层大气的直射太阳光干涉图数据；对获得的干涉图进行预处理，包括：剔除异常干涉图、干涉图滤波；
（2）、对预处理后的干涉图进行傅里叶变换获得光谱图，对该光谱图进行基线校正和相位修正，得到实际测量的包含有温室气体信息的光谱图；
（3）、根据所述计算机内的气体分子谱线参数数据库计算出气体分子标准吸收截面，并结合气象站测量的气象参数数据和站点处先验气体浓度垂直分布廓线，再通过逐线积分大气辐射传输模型数值计算得到整层大气透过率；
（4）、从所述样品池内HCl气体的光谱信息获得仪器的响应函数；
（5）、由已知的大气层顶太阳光谱、仪器响应函数、整层大气透过率可获得数值模拟计算的光谱图；将以状态向量即气体浓度垂直廓线、频率漂移为自变量的数值计算光谱图与实测光谱图进行非线性最小二乘拟合，循环迭代获得待分析气体的斜柱浓度；
步骤（2）-（5）简言之为：通过同时获得实测光谱和基于大气辐射传输模型的数值模拟计算光谱，并通过非线性最小二乘循环迭代方法实时获得温室气体斜柱浓度；
（6）、由获得的斜柱浓度和大气质量因子即可得到垂直柱浓度。
所述的一种温室气体柱浓度实时遥测方法，其特征在于：所述的计算机在干涉图数据采集和温室气体柱浓度定量分析上是并行处理，同时获取多种温室气体柱浓度。
本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种地基、快速、简便、实时在线遥测、成本相对低廉、多组份同时测量的从地表到大气层顶的温室气体柱浓度含量的测量系统与方法。
2、本发明弥补了温室气体立体化高时空分辨测量技术手段的不足，能够为机载星载遥测提供校准数据，能够提供本地长期的温室气体观测结果。
附图说明
图1为本发明的系统组成结构示意图。
图2为本发明的温室气体柱浓度遥测方法方框图。
具体实施方式
参见图1，一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：遥测系统包括有一个固定站房1，所述站房1开有自动天窗2；安装于站房1内固定平台3上的太阳跟踪器4，接收由天窗2进入的太阳光5，从而自动跟踪太阳6；所述太阳跟踪器4的出射光7穿过样品池8，进入红外光谱仪9；所述红外光谱仪9的输出端连接有计算机10；所述站房1外还安装有微型气象站11和无线数据传输天线12，均连接到所述计算机10的对应输入端。
所述站房天窗2的面积大小和倾斜角度根据所处地理位置和测量时段的太阳6天顶角与方位角设计，由计算机10控制其打开与关闭。
所述太阳跟踪器4在测量时段内自动调整其内部反射镜13的俯仰角和方位角，始终跟踪太阳6，使得太阳直射光5同一角度进入红外光谱仪9。
所述样品池8为内部充有低压HCl气体的长10cm底面直径大于太阳跟踪器4出射光7光束直径的圆柱石英样品池。
所述红外光谱仪9为基于双臂扫描式干涉仪的傅里叶红外光谱仪。红外光谱仪9的入射光14，经过反射镜15、16，分束器17分成两束，一束经过反射镜19和直角反射镜20，一束经过反射镜18和直角反射镜20。两束光由反射镜18、19组成的干涉仪两臂水平扫描形成光程差，再次经过分束器17、抛物镜21将干涉光信号会聚于探测器22的光敏面上。
所述微型气象站11包括温度、压力、湿度、太阳辐射、叶面湿度传感器。
所述计算机10实时记录微型气象站11气象参数，实时记录分析所述红外光谱仪9数据，通过所述无线数据传输天线12完成站点数据发送和远程命令接收。
所述计算机10可与所述太阳跟踪器4交互通信，可以启动、停止太阳跟踪器4工作，查询、校准太阳跟踪器4工作状态。
遥测方法包括以下步骤：
（1）、当气象站11获取的气象参数达到仪器工作条件时，自动天窗2打开，太阳跟踪器4跟踪太阳6，红外光谱仪9记录穿过整层大气的直射太阳光5干涉图数据。对获得的干涉图进行预处理，包括：剔除异常干涉图、干涉图滤波；
（2）、对预处理后的干涉图进行傅里叶变换获得光谱图。对该光谱图进行基线校正和相位修正，得到实际测量的包含有温室气体信息的光谱图；
（3）、根据所述计算机内的气体分子谱线参数数据库计算出气体分子标准吸收截面，并结合气象站11测量的气象参数数据和站点处先验气体浓度垂直分布廓线，再通过逐线积分大气辐射传输模型数值计算得到整层大气透过率；
（4）、从所述样品池8内HCl气体的光谱信息获得仪器的响应函数；
（5）、由已知的大气层顶太阳光谱、仪器响应函数、整层大气透过率可获得数值模拟计算的光谱图。将以状态向量（气体浓度垂直廓线、频率漂移）为自变量的数值计算光谱图与实测光谱图进行非线性最小二乘拟合，循环迭代获得待分析气体的斜柱浓度；
步骤（2）-（5）简言之为：通过同时获得实测光谱和基于大气辐射传输模型的数值模拟计算光谱，并通过非线性最小二乘循环迭代方法实时获得温室气体斜柱浓度；
（6）、由获得的斜柱浓度和大气质量因子即可得到垂直柱浓度。
计算机10在干涉图数据采集和温室气体柱浓度定量分析上是并行处理，同时获取多种温室气体柱浓度。
Claims (10)
1.一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：包括有一个固定的站房，所述站房上设有自动天窗，站房内设置有一固定平台，固定平台上安装有太阳跟踪器，太阳跟踪器接收由天窗进入的太阳光，太阳跟踪器的出射光穿过样品池后进入红外光谱仪，所述红外光谱仪的输出端连接有计算机；所述站房外还安装有微型气象站和无线数据传输天线，微型气象站和无线数据传输天线均连接到所述计算机的对应输入端。
2.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述站房的天窗的面积大小和倾斜角度根据所处地理位置和测量时段的太阳天顶角与方位角设计，由计算机控制其打开与关闭。
3.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述太阳跟踪器在测量时段内其内部反射镜的俯仰角和方位角均自动调整，始终跟踪太阳，太阳直射光同一角度进入红外光谱仪。
4.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述样品池为内部充有低压HCl气体的长10cm底面直径大于太阳跟踪器出射光光束直径的圆柱石英样品池。
5.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述红外光谱仪为基于双臂扫描式干涉仪的傅里叶红外光谱仪。
6.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述微型气象站包括温度、压力、湿度、太阳辐射、叶面湿度传感器。
7.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述计算机实时记录微型气象站气象参数，实时记录分析所述红外光谱仪数据，通过所述无线数据传输天线完成站点数据发送和远程命令接收。
8.根据权利要求1所述的一种温室气体柱浓度实时遥测系统，其特征在于：所述计算机可与所述太阳跟踪器交互通信，可以启动、停止太阳跟踪器工作，查询、校准太阳跟踪器工作状态。
9.一种温室气体柱浓度实时遥测方法，其特征在于：所述的遥测方法包括以下步骤：
（1）、当气象站获取的气象参数达到仪器工作条件时，自动天窗打开，太阳跟踪器跟踪太阳，红外光谱仪记录穿过整层大气的直射太阳光干涉图数据；对获得的干涉图进行预处理，包括：剔除异常干涉图、干涉图滤波；
（2）、对预处理后的干涉图进行傅里叶变换获得光谱图，对该光谱图进行基线校正和相位修正，得到实际测量的包含有温室气体信息的光谱图；
（3）、根据所述计算机内的气体分子谱线参数数据库计算出气体分子标准吸收截面，并结合气象站测量的气象参数数据和站点处先验气体浓度垂直分布廓线，再通过逐线积分大气辐射传输模型数值计算得到整层大气透过率；
（4）、从所述样品池内HCl气体的光谱信息获得仪器的响应函数；
（5）、由已知的大气层顶太阳光谱、仪器响应函数、整层大气透过率可获得数值模拟计算的光谱图；将以状态向量即气体浓度垂直廓线、频率漂移为自变量的数值计算光谱图与实测光谱图进行非线性最小二乘拟合，循环迭代获得待分析气体的斜柱浓度；
（6）、由获得的斜柱浓度和大气质量因子即可得到垂直柱浓度。
10.根据权利要求9所述的一种温室气体柱浓度实时遥测方法，其特征在于：所述的计算机在干涉图数据采集和温室气体柱浓度定量分析上是并行处理，同时获取多种温室气体柱浓度。
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