CN103674853A - 一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，包括了二维旋转台，俯仰、方位角传感器，GPS定位系统，导光系统，光谱仪，计算机。导光系统搭载在二维旋转台上，太阳散射光经光纤从导光系统导入光谱仪，光谱仪将收集到的光谱信息送入计算机，计算机对获取的光谱进行解析获取污染气体柱浓度。GPS系统获得每个测量点上的经纬度信息，方位角传感器中可根据实际测量需求对方位角的测量模式进行设定。俯仰角传感器获取二维旋转台俯仰角信息。本发明可应用于研究污染物水平方向上的不均匀性、污染物输送以及对卫星数据产品、模型结果进行校验。
Description
技术领域
本发明涉及光学遥感测量系统领域，具体为一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统。
背景技术
在环境质量监测和大气化学研究中的一个重要问题是较高分辨的绘制出痕量气体时间、空间分布。而快速灵活的绘制出区域大气污染气体的水平、垂直分布对环境管理及环境治理具有重要意义。
目前遥测污染气体浓度水平、垂直分布的方法主要有：激光雷达技术、被动差分吸收光谱技术、车载实验室方法等。激光雷达技术受到激光器波长的限制，不能进行多组分的同时测量，在探测低层污染气体的水平分布时，发出的激光具有一定的危险性且也不适用于气体的探测。车载实验室的方法是将一些点式监测仪器放置在移动平台上进行观测，这种方法能够获取污染物浓度的水平分布信息，但无法获取污染物的垂直分布信息。被动差分吸收光谱技术用来探测污染物浓度的分布主要采用的是在机载、车载、星载等平台上的观测。而目前这些方法的观测采用的一般都是一个仰角下的观测或多个仰角的同步观测。一个仰角的观测下无法获取污染物的垂直分布信息，多个仰角的同步观测一方面需要多台线阵光谱仪，会引入仪器测量误差，另一方面并未考虑角度校准问题，进而无法解析污染物的垂直分布信息。因此，所述的移动式区域大气污染气体分布的遥测装置与方法能够快速、灵活，多组分、低成本的获取区域大气污染气体的分布，尤其针对城市区域的观测对直观了解城市环境状况具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，通过对俯仰角、方位角的准确校正，能够快速灵活获取区域污染气体浓度沿测量路径的水平、垂直分布。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：包括有水平的二维旋转台、搭载在二维旋转台上的导光系统、方位角传感器、俯仰角传感器、计算机、设置在恒温箱内的光谱仪、GPS定位系统，所述二维旋转台由一个方位角调整电机驱动其沿自身中心轴旋转以进行方位角调整，且二维旋转台由一个俯仰角调整电机驱动其在竖向面内转动以进行俯仰角调整，所述导光系统通过光纤与光谱仪光学连接，所述GPS定位系统、光谱仪分别通过数据线与计算机连接，所述的方位角传感器和俯仰角传感器安装在二维旋转台的平面上，方位角传感器通过RS232串口与二维旋转台连接，俯仰角传感器通过RS232串口与计算机连接；方位角传感器数据直接被二维旋转台接收，二维旋转台根据读取数据实时调整方位角；俯仰角传感器数据被计算机接收，计算机接收二维旋转台平面的实时变化数据并根据需求反馈给二维旋转台俯仰角电机，对俯仰角做出调整。
二维旋转台上的导光系统在随二维旋转台移动过程中根据设定的方位角和俯仰角进行顺序循环扫描测量，得到不同测量点、不同角度下的太阳散射光，太阳散射光再通过光纤从导光系统导入光谱仪，光谱仪将收集到的光谱信息送入计算机，计算机对获取的光谱进行解析获取污染气体柱浓度；GPS系统获得每个测量点上的经纬度信息，计算机将测量点上的污染气体柱浓度与经纬度信息叠加获取污染气体的水平分布信息，同时计算机通过对每个测量点上的扫描测量结果进行反演得到污染气体柱浓度的垂直分布信息；俯仰角、方位角传感器对俯仰角度、方位角度分别进行实时获取，方位角传感器通过RS232串口直接与二维旋转台连接，根据实际测量需求对方位角的测量模式进行设定，俯仰角传感器通过RS232串口与计算机相连，计算机实时读取俯仰角信息，并通过软件反馈对失准的二维旋转台的俯仰角进行实时调整。
所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：搭载在二维旋转平台上的导光系统在移动过程中，俯仰方向能够根据设定的角度进行顺序循环扫描测量，采集不同俯仰角下的太阳散射光谱。
所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：方位角传感器通过RS232串口与二维旋转台直接相连，根据实际测量需要对方位角的测量模式进行选择，有定位模式、跟随模式和固定模式，通过二维旋转台内部单片机对方位角信息的读取，实现定位模式下方位角在移动测量过程中始终指北，跟随模式下方位角会跟随车头的行驶方向，固定模式下在测量过程中方位角会固定在某一位置处。
所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：俯仰角传感器通过RS232串口与计算机相连，在光谱采集过程中计算机实时读取俯仰角信息，通过软件对读取到的信息进行判断，并实时反馈给二维旋转台的俯仰角调整电机，对与设定值有偏差的俯仰角进行调整。
所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：GPS定位系统与计算机相连，计算机在光谱采集的同时，记录当前的经纬度信息，做到了光谱与测量点的精确映射关系。
本发明的有益效果为：
通过本发明的移动式区域大气污染气体分布的遥测装置与方法，可以实现在移动平台上获取区域污染气体的水平、垂直分布状况。可应用于大气污染气体的分布研究，为环保部门对区域污染水平评估提供技术及数据支持；而且还可以对污染物水平方向上的不均匀性、污染物输送进行研究以及对卫星数据产品、模型结果进行校验。
附图说明
图1为本发明结构原理示意图。
具体实施方式
如图1所示。一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，包括有水平的二维旋转台1、搭载在二维旋转台1上的导光系统2、方位角传感器8、俯仰角传感器9、计算机4、设置在恒温箱内的光谱仪3、GPS定位系统5，二维旋转台1由一个方位角调整电机6驱动其沿自身中心轴旋转以进行方位角调整，且二维旋转台1由一个俯仰角调整电机7驱动其在竖向面内转动以进行俯仰角调整，导光系统2通过光纤与光谱仪3光学连接，GPS定位系统5、光谱仪3分别通过数据线与计算机4连接，方位角传感器8通过RS232串口与二维旋转台1连接，俯仰角传感器9通过RS232串口与计算机4连接；方位角传感器8和俯仰角传感器9安装在二维旋转台1的平面上，方位角传感器8通过RS232串口与二维旋转台1连接，俯仰角传感器通过RS232串口与计算机4连接；方位角传感器8数据直接被二维旋转台1接收，二维旋转台1根据读取数据实时调整方位角；俯仰角传感器9数据被计算机4接收，计算机4接收二维旋转台1平面的实时变化数据并根据需求反馈给二维旋转台1的俯仰角电机，对俯仰角做出调整，如，在30°俯仰角测量时，当俯仰角传感器9读取平面变化+1°，则计算机4读取后对设定的俯仰角度值上减去1°，即将29°值反馈给俯仰角电机7；当俯仰角传感器9读取平面变化-1°，则计算机4读取后对设定的俯仰角度值上加上1°，即将31°值反馈给俯仰角电机。
二维旋转台1上的导光系统2在随二维旋转台1移动过程中根据设定的方位角和俯仰角进行顺序循环扫描测量，得到不同测量点、不同角度下的太阳散射光，太阳散射光再通过光纤从导光系统2导入光谱仪3，光谱仪3将收集到的光谱信息送入计算机4，计算机4对获取的光谱进行解析获取污染气体柱浓度；GPS系统5获得每个测量点上的经纬度信息，计算机4将测量点上的污染气体柱浓度与经纬度信息叠加获取污染气体的水平分布信息，同时计算机4通过对每个测量点上的扫描测量结果进行反演得到污染气体柱浓度的垂直分布信息；俯仰角、方位角传感器9、8对俯仰角度、方位角度分别进行实时获取，方位角传感器8通过RS232串口直接与二维旋转台1连接，根据实际测量需求对方位角的测量模式进行设定，俯仰角传感器9通过RS232串口与计算机4相连，计算机4实时读取俯仰角信息，并通过软件反馈对失准的二维旋转台1的俯仰角进行实时调整。
搭载在二维旋转平台1上的导光系统2在移动过程中，俯仰方向能够根据设定的角度进行顺序循环扫描测量，采集不同俯仰角下的太阳散射光谱。
方位角传感器8通过RS232串口与二维旋转台1直接相连，根据实际测量需要对方位角的测量模式进行选择，有定位模式、跟随模式和固定模式，通过二维旋转台1内部单片机对方位角信息的读取，实现定位模式下方位角在移动测量过程中始终指北，跟随模式下方位角会跟随车头的行驶方向，固定模式下在测量过程中方位角会固定在某一位置处。
俯仰角传感器9通过RS232串口与计算机4相连，在光谱采集过程中计算机实时读取俯仰角信息，通过软件对读取到的信息进行判断，并实时反馈给二维旋转台1的俯仰角调整电机7，对与设定值有偏差的俯仰角进行调整。
GPS定位系统5与计算机4相连，计算机4在光谱采集的同时，记录当前的经纬度信息，做到了光谱与测量点的精确映射关系。
本发明主要包括二维旋转台1（二维旋转台中又含有方位角调整电机6和俯仰角调整电机7），导光系统2，装有光谱仪3的恒温箱，计算机4，方位角传感器8，俯仰角传感器9，GPS定位系统5。导光系统2和光谱仪3之间通过光纤进行连接，方位角传感器8直接与二维旋转台1连接，俯仰角传感器9直接与计算机进行连接。同时，计算机4也负责整个系统的控制及数据采集、反演等，因此光谱仪3、GPS 5和二维旋转台都直接与计算机4连接。
测量开始时，按照上述要求将GPS、俯仰角传感器、方位角传感器、光谱仪、二维旋转台等与计算机连接，根据测量需求选定方位角测量模式，即定向、跟随或固定模式。汽车（以汽车为例，其他移动平台也适用）开动，根据选择模式方位角转至指定方向，俯仰角电机7驱动导光系统2按照设定的俯仰角度进行顺序循环扫描，导光系统2在不同的俯仰角度下接收天空散射太阳光，将太阳散射光通过光纤送入光谱仪3，进行光谱采集。在光谱采集过程中，计算机4同时调用俯仰角传感器9的俯仰角信息，将信息送入计算机4进行处理判断，并反馈给当前的俯仰角电机7，俯仰角电机7对导光系统2的俯仰角实时调整以满足指定角度需求。在一个俯仰角下的光谱采集完成后，计算机4同时停止调用俯仰角传感器9信息。光谱仪将采集到的光谱经过AD转换后送入计算机4中进行保存，处理。当一个俯仰角度测量完成后，按照上述步骤进行下一角度测量，直至完成一个循环（0~90度之间）的测量。整个测量过程中二维旋转台1与方位角传感器8实时通信，按照要求自动调整。一个循环测量后，根据不同俯仰角度得到当前位置下的污染物垂直柱浓度，并且根据不同仰角下的不同斜柱浓度解析得到污染物垂直分布。一个循环测量完成后，再进行下一循环测量，并且根据汽车移动不间断测量下去，可获取每个测量点上的污染物浓度垂直分布，再结合整个测量路径上的水平分布信息得到污染物分布状况。
本发明的主要特点如下：
1、处于移动平台上的遥测装置通过方位角传感器与二维旋转转台的连接，设定了定位、跟随和固定三种方位角测量模式，根据测量的需求能够实现测量过程中方位角始终指北、方位角跟随车头行驶方向而变化以及方位角固定在某一方位上的功能。这些方便在柱浓度垂直分布解析时的模型参数的准确设置。
2、处于移动平台上的遥测装置通过计算机与俯仰角传感器的连接，能够实时获取移动测量过程中当前的俯仰角变化信息，利用自主研发的软件对当前的俯仰角信息判断，实时反馈给二维旋转台的俯仰角调整电机，对失准的俯仰角进行调整。俯仰角的准确性是解析浓度垂直分布的基础，此关键问题的解决有助于污染物垂直分布的获取。
3、在移动平台上的移动测量，不仅能够快速获取污染物沿测量路径上的水平分布状况，而且通过对不同俯仰角下的柱浓度解析能够获得污染物的垂直分布状况。
Claims (5)
1.一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：包括有水平的二维旋转台、搭载在二维旋转台上的导光系统、方位角传感器、俯仰角传感器、计算机、设置在恒温箱内的光谱仪、GPS定位系统，所述二维旋转台由一个方位角调整电机驱动其沿自身中心轴旋转以进行方位角调整，且二维旋转台由一个俯仰角调整电机驱动其在竖向面内转动以进行俯仰角调整，所述导光系统通过光纤与光谱仪光学连接，所述GPS定位系统、光谱仪分别通过数据线与计算机连接，所述的方位角传感器和俯仰角传感器安装在二维旋转台的平面上，方位角传感器通过RS232串口与二维旋转台连接，俯仰角传感器通过RS232串口与计算机连接；方位角传感器数据直接被二维旋转台接收，二维旋转台根据读取数据实时调整方位角；俯仰角传感器数据被计算机接收，计算机接收二维旋转台平面的实时变化数据并根据需求反馈给二维旋转台俯仰角电机，对俯仰角做出调整；
二维旋转台上的导光系统在随二维旋转台移动过程中根据设定的方位角和俯仰角进行顺序循环扫描测量，得到不同测量点、不同角度下的太阳散射光，太阳散射光再通过光纤从导光系统导入光谱仪，光谱仪将收集到的光谱信息送入计算机，计算机对获取的光谱进行解析获取污染气体柱浓度；GPS系统获得每个测量点上的经纬度信息，计算机将测量点上的污染气体柱浓度与经纬度信息叠加获取污染气体的水平分布信息，同时计算机通过对每个测量点上的扫描测量结果进行反演得到污染气体柱浓度的垂直分布信息；俯仰角、方位角传感器对俯仰角度、方位角度分别进行实时获取，方位角传感器通过RS232串口直接与二维旋转台连接，根据实际测量需求对方位角的测量模式进行设定，俯仰角传感器通过RS232串口与计算机相连，计算机实时读取俯仰角信息，并通过软件反馈对失准的二维旋转台的俯仰角进行实时调整。
2.根据权利要求1所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：搭载在二维旋转平台上的导光系统在移动过程中，俯仰方向能够根据设定的角度进行顺序循环扫描测量，采集不同俯仰角下的太阳散射光谱。
3.根据权利要求1所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：方位角传感器通过RS232串口与二维旋转台直接相连，根据实际测量需要对方位角的测量模式进行选择，有定位模式、跟随模式和固定模式，通过二维旋转台内部单片机对方位角信息的读取，实现定位模式下方位角在移动测量过程中始终指北，跟随模式下方位角会跟随车头的行驶方向，固定模式下在测量过程中方位角会固定在某一位置处。
4.根据权利要求1所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：俯仰角传感器通过RS232串口与计算机相连，在光谱采集过程中计算机实时读取俯仰角信息，通过软件对读取到的信息进行判断，并实时反馈给二维旋转台的俯仰角调整电机，对与设定值有偏差的俯仰角进行调整。
5.根据权利要求1所述的一种移动式区域大气污染气体分布遥测系统，其特征在于：GPS定位系统与计算机相连，计算机在光谱采集的同时，记录当前的经纬度信息，做到了光谱与测量点的精确映射关系。
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