CN106908858B - 一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，包括：一无人机；操控单元，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，包括：一箱体，装设于无人机上；一测量光腔，设置于箱体内；气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：样气背景气气路；抽气气路；数据传输组件，其包括：光电倍增管；数据采集卡；光谱仪。所述测量系统结构紧凑、轻便，测量精度高，能够实现大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线的精确测量。

Description

一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统

技术领域

本发明属于大气测量领域，尤其是大气气溶胶光学特性测量领域，具体地，涉及一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中的液体或固体微粒，时空多变，化学成分复杂。大气气溶胶单次散射反照率(ω)是指气溶散射系数与消光系数(消光系数为吸收系数与散射系数之和)之比，是气溶胶的重要光学参数之一，是辐射强迫评估中用于计算气溶胶直接辐射强迫的量。大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线是指气溶胶单次散射反照率随高度变化的轮廓曲线，对于气溶胶-气候研究具有重要意义。

现有气溶胶单次散射反照率测量仪器采用的技术方案主要有以下几种：(1)使用两台仪器分别测量气溶胶散射系数、吸收系数或消光系数中的两种来获得单次散射反照率，这种方法代价昂贵、测量复杂且分开测量带来的误差较大；(2)在散射积分球水平直径方向两端分别添置腔镜，用积分球测量散射 系数，使用腔衰荡光谱测量消光系数(“Afixed frequency aerosol albedometer”，Optics Express，2008，16(3)：2191～ 2205)，该结构的仪器对积分球体积与截止角误差的关系难以克服，若要截止角误差越小，则积分球体积需越大，相应的仪器时间响应就越慢，并且腔衰荡光谱测量消光系数时所需的激光器设备及高速探测设备价格昂贵；(3)使用添加截止管的散射积分球及宽带腔增强方法分别测量散射系数和消光系数(中国发明专利公布文本CN103308482A)，该技术方案截止角误差小，测量精度高；(4)还有如中国发明专利公布文本 CN104122214，涉及一种同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，包括光路系统和气路系统，光路系统包括发光二极管和接收发光二极管输出光的光学谐振腔，光学谐振腔的光出射端设有检测消光系数的消光光谱仪，光学谐振腔中部从侧面插入有散射光积分检测器。使用消光光谱仪分析从发光二极管射出并进入光学谐振腔不同波长的透射光，用散射光积分检测器测量多个波长下的散射系数，在测量到消光系数和散射系数的基础上，可以进一步得到气溶胶的吸收系数和单次散射反照率等光学参数，更大程度地满足大气气溶胶光学性质研究工作的需要。然而，上述技术方案所述仪器装置结构不够紧凑，且体积和重量也较大，并非针对垂直廓线测量设计，停留在在地面工作阶段，仅能得到地面数据，无法获得垂直廓线。

当前气溶胶单次散射反照率垂直廓线直接测量只能通过飞行平台实现，将原本在地面使用的仪器装置及相关操作人员装载在如热气球、飞艇、飞机或直升飞机等大型飞行平台内，对大气不同高度层进行测量，这种方式十分耗费人力物力，实施起来并不方便。

无人机飞行平台是近些年高速发展的新技术，具有低成本、高灵活性等诸多大型飞行平台不具备的优势，目前尚无专门针对无人机平台设计的气溶胶单次散射反照率垂直廓线直接测量仪器装置，故发展一种全新结构、轻便紧凑的无人机载型大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线测量系统十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，解决现有气溶胶单次散射反照率垂直廓线直接测量人力物力耗费较大、实施不方便的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，所述测量系统结构紧凑、轻便，测量精度高，能够实现大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线的精确测量。

具体地，本发明采用的技术方案是：

一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，所述系统包括：一无人机；操控单元，设置于地面，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，与所述操控单元数据采集处理端数据、通信连接，其包括：一箱体，装设于所述无人机上，其侧壁上间隔开设背景气气孔、样气气孔以及抽气气孔；一测量光腔，设置于所述箱体内，其包括：散射积分球，为一由两半球扣合形成的空心球体，两半球表面沿所述散射积分球径向分别对称开设插孔，一半球表面还开设有一透光通孔；第一、第二截止管，分别插设于所述散射积分球两插孔上，第一截止管侧壁沿垂直第一截止管方向开设样气通孔，第二截止管侧壁沿垂直第二截止管方向开设抽气通孔，所述样气通孔与抽气通孔位于异侧；所述样气通孔以及抽气通孔上分别对应插设有样气接头以及抽气接头；一石英管，两端分别通过两插孔架设于散射积分球内并与所述第一、第二截止管连通；第一、第二高反腔镜，分别设置于第一、第二截止管远离所述散射积分球开口端内，并分别与所述第一、第二截止管内部腔室形成谐振腔；散热筒，轴向两端开口，一开口端与所述第一截止管远离散射积分球开口端同轴连接；光源筒，同轴设置于所述散热筒另一开口端，且相对散热筒一端设有一LED光源，所述散热筒沿轴向、LED光传播方向间隔内接有准直透镜和宽带滤光片；尾筒，轴向两端开口，一开口端与所述第二截止管远离散射积分球开口端同轴连接，内接一自聚焦透镜；一用于接收透过光的光纤头，同轴设置于所述尾筒另一开口端；一透光管，一端插设于所述散射积分球透光通孔，其内部沿轴向依次内接滤光片和会聚透镜；气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：样气背景气气路，包括一三通阀，其一端通过一背景气过滤单元与箱体背景气气孔连通、一端通过管路与箱体样气气孔连通、另一端通过管路与所述样气接头连通，三通阀对应背景气气孔一端以及样气气孔一端交替开通；抽气气路，包括一采样器，其进气端通过管路与所述抽气接头连通，出气端通过管路与箱体抽气气孔连通；数据传输组件，其包括：光电倍增管，光阴极一端插设于所述透光管远离散射积分球一端，并与所述会聚透镜相对应；数据采集卡，设置于所述箱体内，输出端与所述操控单元数据采集处理端通信连接，输入端与所述光电倍增管阳极数据连接；光谱仪，输入端与所述光纤头数据连接，输出端与所述数据采集卡输入端数据连接。

进一步地，所述气路传输组件还包括：设置于箱体内的保护气气路，其包括保护气过滤单元，其进气端通过管路与开设于箱体侧壁的保护气气孔连通；对应地，所述第一、第二截止管上分别沿垂直第一、第二截止管方向开设第一、第二保护气通孔，且第一、第二保护气通孔上分别插设有第一、第二保护气接头，所述保护气过滤单元出气端通过两保护气管分别与所述第一、第二保护气接头连通，且两保护气管上分别设有限流小孔；所述第一、第二保护气通孔与样气通孔位于同侧；所述第一保护气通孔位于样气通孔外侧，所述第二保护气通孔位于抽气通孔外侧。

进一步地，所述散射积分球两半球为第一、第二半球，第一半球对应第一截止管，第二半球对应第二截止管，散射积分球内壁涂覆有聚四氟乙烯漫反射层，内侧对应透光通孔的位置架设有一聚四氟乙烯挡光板；所述透光管为一散射法兰。

进一步地，位于所述第一截止管内的第一高反腔镜到第一半球插孔的直线距离以及位于所述第二截止管内的第二高反腔镜到第二半球插孔的直线距离分别大于或等于散射积分球内径。

进一步地，所述第一、第二高反腔镜分别通过第一、第二紧固法兰密封安装于第一、第二截止管远离散射积分球开口端内。

进一步地，所述光源筒相对散热筒另一端端面设置若干针状散热片；所述散热筒外壁沿散热筒轴向同轴、间隔设置若干圆片式散热片。

进一步地，所述三通阀为三通电磁阀；采样器为直流微型采样泵。

进一步地，所述背景气过滤单元为一粒子过滤器。

进一步地，所述保护气过滤单元包括粒子过滤器和活性炭层。

进一步地，所述第一截止管与第一半球为一体式结构，第二截止管与第二半球为一体式结构；第一、第二半球之间通过螺栓形成可拆卸连接；所述透光通孔开设于第二半球上。

本发明具有如下优点：

结构紧凑轻便，灵活性高，人力物力成本低，将大气气溶胶单次散射反照率测量仪集成在一个箱体内，结构紧凑，并通过无人机搭载，灵活性高，配合设置于底面的操控单元，操控方便，人力物力成本低；

测量光腔将散射积分球与第一、第二截止管集成使用，配合设置于散射积分球的光电倍增管接收散射光信号，配合设置于第二截止管的尾筒上的光纤头接收透过光信号，并通过无线发送到地面操作人员计算机进行处理。透过光信号经处理可得到气溶胶消光系数，散射光信号经处理可得到气溶胶散射系数，散射系数与消光系数的比值即可得到大气气溶胶的单次散射反照率。地面操作人员通过遥控无人机飞行高度和驻留时间，进行大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线测量，即得到气溶胶单次散射反照率-高度曲线；

可同时测量气溶胶消光系数、散射系数及单次散射反照率垂直廓线，测量精度高，垂直廓线分辨高；

设置第一、第二保护气接头，通过粒子过滤器和活性炭层直接连接大气，使用过滤后的大气对第一、第二高反腔镜进行冲刷保护，延长腔镜使用寿命，提高测量精度；

保护气管上设置限流小孔，控制保护气流量，加强对第一、第二高反腔镜的保护；

第一、第二保护气通孔与样气通孔位于同侧，抽气通孔位于异侧，保证保护气对第一、第二高反腔镜的充分冲刷，保障测量精度，防止位于谐振腔内的大气气溶胶受污染；

设置三通阀，增设背景气气路以及样气气路，背景气通过粒子过滤器净化后进入谐振腔，用于校零，保障测量精度的准确；样气气路直接通过氧气接头通入谐振腔，保证测量数据真实性；

背景气气路与样气气路不能同时工作，只能有一路工作，保证测量和校零顺利进行；

除石英管外，所述测量光腔各部件材料优选为铝合金材质，保障测量准确性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统的立体示意图。

图2为本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统的结构示意图。

图3为本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统中测量光腔的剖面结构示意图。

图4为采用本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统测量所得大气气溶胶单次散射反照率廓线的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明，但实施例并不限制本发明的保护范围。

实施例1

参见图1～图4，本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，所述系统包括：一无人机100；操控单元(未图示)，设置于地面，包括与无人机100通信连接的无人机控制模块(未图示)以及数据采集处理端(未图示)；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪200，与所述操控单元的数据采集处理端数据、通信连接，其包括：一箱体300，装设于所述无人机100上，其侧壁上间隔开设背景气气孔301、样气气孔302以及抽气气孔303；一测量光腔400，设置于所述箱体300 内，其包括：散射积分球410，为一由两半球扣合形成的空心球体，两半球表面沿所述散射积分球径向分别对称开设插孔411，一半球表面还开设有一透光通孔412；第一、第二截止管420、420’，分别插设于所述散射积分球410的两插孔411上，第一截止管420侧壁沿垂直第一截止管420 方向开设样气通孔421，第二截止管420’侧壁沿垂直第二截止管420’方向开设抽气通孔422，所述样气通孔421与抽气通孔422位于异侧；所述样气通孔421以及抽气通孔422上分别对应插设有样气接头423以及抽气接头424；一石英管430，两端分别通过两插孔411架设于散射积分球 410内并与所述第一、第二截止管420、420’连通；第一、第二高反腔镜 440、440’分别设置于第一、第二截止管420、420’远离所述散射积分球 410开口端内，并分别与所述第一、第二截止管420、420’内部腔室形成谐振腔441；散热筒450，轴向两端开口，一开口端与所述第一截止管420 远离散射积分球410开口端同轴连接；光源筒460，同轴设置于所述散热筒450另一开口端，且相对散热筒450一端设有一LED光源461，所述散热筒450沿轴向、LED光传播方向间隔内接有准直透镜451和宽带滤光片452；尾筒470，轴向两端开口，一开口端与所述第二截止管420’远离散射积分球410开口端同轴连接，内接一自聚焦透镜471；一用于接收透过光的光纤头480，同轴设置于所述尾筒470另一开口端；一透光管 490，一端插设于所述散射积分球410透光通孔412，其内部沿轴向依次内接滤光片491和会聚透镜492；气路传输组件500，设置于所述箱体300 内，其包括：样气背景气气路510，包括一三通阀511，其一端通过一背景气过滤单元512与箱体300背景气气孔301连通、一端通过管路与箱体300样气气孔302连通、另一端通过管路与所述样气接头423连通，三通阀511对应背景气气孔301一端以及样气气孔302一端交替开通；抽气气路520，包括一采样器521，其进气端通过管路与所述抽气接头424 连通，出气端通过管路与箱体300抽气气孔303连通；数据传输组件600，其包括：光电倍增管610，光阴极(未图示)一端插设于所述透光管490 远离散射积分球410一端，并与所述会聚透镜492相对应；数据采集卡 620，设置于所述箱体300内，输出端与所述操控单元数据采集处理端通信连接，输入端与所述光电倍增管610阳极(未图示)数据连接；光谱仪630，输入端与所述光纤头480数据连接，输出端与所述数据采集卡 620输入端数据连接。

进一步地，所述散射积分球410两半球为第一、第二半球413、413’，第一半球413对应第一截止管420，第二半球413’对应第二截止管420’，散射积分球410内壁涂覆有聚四氟乙烯漫反射层414，内侧对应透光通孔 412的位置架设有一聚四氟乙烯挡光板415；所述透光管490为一散射法兰。

进一步地，位于所述第一截止管420内的第一高反腔镜440到第一半球413插孔411的直线距离以及位于所述第二截止管420’内的第二高反腔镜440’到第二半球413’插孔411的直线距离大于或等于散射积分球 410内径。

进一步地，所述第一、第二高反腔镜440、440’分别通过第一、第二紧固法兰442、442’密封安装于第一、第二截止管420、420’远离散射积分球410开口端内。

进一步地，所述光源筒460相对散热筒450另一端端面设置若干针状散热片462；所述散热筒450外壁沿散热筒450轴向同轴、间隔设置若干圆片式散热片453。

进一步地，所述三通阀511为三通电磁阀；采样器521为直流微型采样泵。

进一步地，所述背景气过滤单元512为一粒子过滤器。

本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统的测量原理如下：

当测量光腔400内通入背景气时，光纤头480接收到的透射光腔为 I₀(λ)；当测量光腔400内通入样气时，光纤头480接收到的透射光腔为 I(λ)，光电倍增管(即PMT)610 接收到散射光腔为I_scat(λ)，则此时测量光腔400测得的消光系数为：

其中d为腔长，此时得出的α(λ)实为腔内气溶胶与气体的总消光系数，对上式进行多项式拟合

α(λ)＝∑n_iσ_i(s_i+t_iλ)+α_ext(λ)

上式中，α_ext(λ)表示实际所要测量的气溶胶消光系数，∑n_iσ_i(s_i+t_iλ)为总的气体消光系数，n_i为气体浓度，σ_i(s_i+tλ_i)为气体吸收截面，s_i和t_i分别表示谱线位置的平移和拉伸。

测量光腔测得的气溶胶散射系数为：

K为校准常数，在测量仪校准时，通过已知散射系数的不同样品进行测定。

由此可获得气溶胶单次散射反照率ω的精确值：

大气气溶胶单次散射反照率廓线参照图4所示。

本发明所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统的测量方法包括如下步骤：

(1)测量仪200开机，设置三通阀511(优选三通电磁阀)的样气气路与背景气气路切换时间，并完成系统测试；

(2)地面操作人员通过操控单元的无人机控制模块遥控无人机起飞，根据实际情况选择飞行高度与驻留时间，并实时接收测量系统发回的高度数据H与测量数据；

(3)光谱仪630经由光纤头480采集透射光信号发送至数据采集卡 620，光电倍增管610采集散射光信号发送至数据采集卡620，再经由数据采集卡620无线通信传输至操控单元数据采集处理端(优选计算机)，透射光信号由数据采集处理端处理可得到气溶胶的实时消光系数，散射光信号由数据采集处理端处理可得到实时散射系数，再经数据采集处理端(优选计算机)软件自动处理可得到实时单次散射反照率，ω-H曲线即所要测得的大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线。

实施例2

所述气路传输组件500还包括：设置于箱体300内的保护气气路 530，其包括保护气过滤单元531，其进气端通过管路与开设于箱体300 侧壁的保护气气孔304连通；对应地，所述第一、第二截止管420、420’上分别沿垂直第一、第二截止管420、420’方向开设第一、第二保护气通孔425、425’，且第一、第二保护气通孔425、425’上分别插设有第一、第二保护气接头426、426’，所述保护气过滤单元531出气端通过两保护气管532分别与所述第一、第二保护气接头426、426’连通，且两保护气管532上分别设有限流小孔533；所述第一、第二保护气通孔425、425’与样气通孔421位于同侧；所述第一保护气通孔425位于样气通孔421 外侧，所述第二保护气通孔425’位于抽气通孔422外侧。

所述保护气过滤单元531包括粒子过滤器和活性炭层。

其余同实施例1。

实施例3

所述第一截止管420与第一半球413为一体式结构，第二截止管420’与第二半球413’为一体式结构；第一、第二半球413、413’之间通过螺栓 800形成可拆卸连接；所述透光通孔412开设于第二半球413’上。其余同实施例1。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

一无人机；

操控单元，设置于地面，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；

一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，与所述操控单元数据采集处理端数据、通信连接，其包括：

一箱体，装设于所述无人机上，其侧壁上间隔开设背景气气孔、样气气孔以及抽气气孔；

一测量光腔，设置于所述箱体内，其包括：

散射积分球，为一由两半球扣合形成的空心球体，两半球表面沿所述散射积分球径向分别对称开设插孔，一半球表面还开设有一透光通孔；

第一、第二截止管，分别插设于所述散射积分球两插孔上，第一截止管侧壁沿垂直第一截止管方向开设样气通孔，第二截止管侧壁沿垂直第二截止管方向开设抽气通孔，所述样气通孔与抽气通孔位于异侧；

所述样气通孔以及抽气通孔上分别对应插设有样气接头以及抽气接头；

一石英管，两端分别通过两插孔架设于散射积分球内并与所述

第一、第二截止管连通；

第一、第二高反腔镜，分别设置于第一、第二截止管远离所述散射积分球开口端内，并分别与所述第一、第二截止管内部腔室形成谐振腔；

散热筒，轴向两端开口，一开口端与所述第一截止管远离散射积分球开口端同轴连接；

光源筒，同轴设置于所述散热筒另一开口端，且相对散热筒一端设有一LED光源，所述散热筒沿轴向、LED光传播方向间隔内接有准直透镜和宽带滤光片，所述光源筒相对散热筒另一端端面设置若干针状散热片，所述散热筒外壁沿散热筒轴向同轴、间隔设置若干圆片式散热片；

尾筒，轴向两端开口，一开口端与所述第二截止管远离散射积分球开口端同轴连接，内接一自聚焦透镜；

一用于接收透过光的光纤头，同轴设置于所述尾筒另一开口端；

一透光管，一端插设于所述散射积分球透光通孔，其内部沿轴向依次内接滤光片和会聚透镜；

气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：

样气背景气气路，包括一三通阀，其一端通过一背景气过滤单元与箱体背景气气孔连通、一端通过管路与箱体样气气孔连通、另一端通过管路与所述样气接头连通，三通阀对应背景气气孔一端以及样气气孔一端交替开通；

抽气气路，包括一采样器，其进气端通过管路与所述抽气接头连通，出气端通过管路与箱体抽气气孔连通；

设置于箱体内的保护气气路，其包括保护气过滤单元，其进气端通过管路与开设于箱体侧壁的保护气气孔连通；

对应地，所述第一、第二截止管上分别沿垂直第一、第二截止管方向开设第一、第二保护气通孔，且第一、第二保护气通孔上分别插设有第一、第二保护气接头，所述保护气过滤单元出气端通过两保护气管分别与所述第一、第二保护气接头连通，且两保护气管上分别设有限流小孔；

所述第一、第二保护气通孔与样气通孔位于同侧；

所述第一保护气通孔位于样气通孔外侧，所述第二保护气通孔位于抽气通孔外侧；

数据传输组件，其包括：

光电倍增管，光阴极一端插设于所述透光管远离散射积分球一端，并与所述会聚透镜相对应；

数据采集卡，设置于所述箱体内，输出端与所述操控单元数据采集处理端通信连接，输入端与所述光电倍增管阳极数据连接；

光谱仪，输入端与所述光纤头数据连接，输出端与所述数据采集卡输入端数据连接。

2.根据权利要求1所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述散射积分球两半球为第一、第二半球，第一半球对应第一截止管，第二半球对应第二截止管，散射积分球内壁涂覆有聚四氟乙烯漫反射层，内侧对应透光通孔的位置架设有一聚四氟乙烯挡光板；所述透光管为一散射法兰。

3.根据权利要求1或2所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，位于所述第一截止管内的第一高反腔镜到第一半球插孔的直线距离以及位于所述第二截止管内的第二高反腔镜到第二半球插孔的直线距离分别大于或等于散射积分球内径。

4.根据权利要求3所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述第一、第二高反腔镜分别通过第一、第二紧固法兰密封安装于第一、第二截止管远离散射积分球开口端内。

5.根据权利要求1所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述三通阀为三通电磁阀；采样器为直流微型采样泵。

6.根据权利要求1所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述背景气过滤单元为一粒子过滤器。

7.根据权利要求1所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述保护气过滤单元包括粒子过滤器和活性炭层。

8.根据权利要求2所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述第一截止管与第一半球为一体式结构，第二截止管与第二半球为一体式结构；第一、第二半球之间通过螺栓形成可拆卸连接；所述透光通孔开设于第二半球上。