CN110873590A - 一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车 - Google Patents

一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，基于定点大气臭氧探测激光雷达的基础上，研制车载式臭氧雷达搭建到车载系统中，将臭氧浓度垂直分布监测从单点扩展到多点、线、面的大范围监测，形成对大气臭氧浓度的网格化立体化监测，同时，可对重污染、地区局部污染等污染突发事件，进行及时响应。环境监测溯源走航车上，同时搭载VOCs在线监测系统及微型气象站，将气象参数、污染气体浓度、颗粒物浓度等多个参数融合在一台走航车内。

Description

一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车
技术领域
本发明涉及激光雷达环境监测装置领域，具体是一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车。
背景技术
从京津冀到西南、西北、华东、华南，我国大范围城市化、工业化程度高的地区都面临着严峻的臭氧污染问题。近两年，多地市政府、环保气象部门屡次发布臭氧污染预警。
对流层臭氧污染并不是直接由工厂企业等大气污染源直接排放的，而是由排放到空气中的NOx（氮氧化物）、VOCs（可挥发性有机物），在空气中进行光化学反应产生的。城市中出现的臭氧污染，属于典型的二次污染。NOx和VOCs是形成臭氧的前体物，其中，NOx的来源较广，但基本是人为排放，主要来自机动车尾气、化石燃料燃烧，工业生产过程中也会产生。
对流层臭氧污染对眼睛和呼吸道有刺激作用。如果空气中臭氧浓度过高，容易引起上呼吸道炎症病变，出现咳嗽、头疼等症状，对皮肤、眼睛、鼻黏膜产生刺激。
由于臭氧的重要前体物VOCs，其来源十分复杂，且种类繁多、活性差异大，想要精准控制的难度很大。同时，由于化学生成机制复杂，臭氧与前体物的关系并非线性，削减前体物的难度较大；臭氧存在的时间长，且能长距离“漫游”，从而容易造成区域性污染，在这方面也较难防控。因此，对臭氧污染的时空动态的把握，以及对VOCs的精准监测就十分重要。
目前已有研发投产的大气臭氧探测激光雷达由发射系统、光学接收系统、探测系统三部分组成，利用差分原理，利用待测吸收气体对两个激光波长的吸收差别确定气体浓度。臭氧探测激光雷达监测精度可达到ppb级别，且设备采用全固态激光器、高速数据采集卡，有效探测距离大，时空分辨率高。
该款大气臭氧探测激光雷达，可应用于环保、气象部门，作为站点仪器对大气颗粒物特性、臭氧前体物VOCs、城市光化学反应、重大污染物过程进行有效监测。
为了弥补定点监测在源分析、区域与时空监测上的短板，我公司在大气臭氧探测激光雷达的基础上研发走航车载臭氧激光雷达设备，从点到线从先到面，构建起区域三维立体观测系统，更精准地进行污染物源分析，把握臭氧污染的成因及演变。
发明内容 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：包括集成于车体的工控机、臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机，其中：
所述臭氧激光雷达通过减震器安装于车内底部，车顶对应臭氧激光雷达位置开设有天窗并在天窗内安装有光学玻璃，臭氧激光雷达的发射光路和接收光路均对准光学玻璃；
所述风廓线激光雷达通过支架和减震器悬挂安装于车内顶部，风廓线激光雷达的发射光路和接收光路均对准光学玻璃；
VOCs在线监测系统通过减震器安装于车内底部，车体中安装有通风系统，通风系统具有连通车内和车外的通风管道，VOCs在线监测系统的采集管路与通风管道连通；
微型气象站、云台摄像机分别安装于车顶；
所述工控机的数据输入端分别与臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机的数据输出端连接，臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机各自信号转换为数据后分别送入工控机，工控机的信号输出端还连接有中控显示屏和无线模块，工控机将数据输出至中控显示屏显示，且工控机通过无线模块与外部通讯连接。
所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的臭氧激光雷达选择频率20Hz，单脉冲能量50mj@266nm的固态激光器作为光源，臭氧激光雷达的发射光路采取全密封结构，且发射光路充入氮气以提供无尘无水汽环境。
所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的风廓线激光雷达基于激光相干探测原理对环境大气中的气象信息垂直分布情况进行立体观测。
所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的VOCs在线监测系统基于质子转移反应质谱(PTR-MS)原理，其由离子源、离子-分子反应管以及离子探测质谱系统组成，离子-分子反应管作为采集管路其一端与通风管道连通，离子源从离子-分子反应管另一端向离子-分子反应管通入离子，离子探测质谱系统的探测部伸入离子-分子反应管以进行质谱测量。
所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的车体内部还集成有配电系统，配电系统包括静音发电机、市电接口、双控开关、分线器、UPS、蓄电池，其中静音发电机的电输出端、市电接口的电输出端分别通过双控开关连接分线器的输入端，分线器的一个输出端连接车内自带空调，分线器的另一个输出端连接车内照明及其他用电设备，分线器还有一个输出端连接UPS的输入端，UPS的输出端连接蓄电池，蓄电池供电连接至工控机、臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机。
所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的车体底盘安装有电动支腿，电动支腿的控制端与工控机连接。
本发明的优点是：将臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、供电系统、通讯显示系统、通风系统创新性的搭建到车载系统中，将臭氧浓度垂直分布监测从单点扩展到多点、线、面的大范围监测，形成对大气臭氧浓度的网格化立体化监测。同时搭载VOCs在线监测系统及微型气象站，将气象参数、污染气体浓度、颗粒物浓度等多个参数（如风速、风向、臭氧、SO2、NO、VOCs、PM2.5、PM10等）融合在一台走航车内。结合空间风速风向信息，获得臭氧浓度空间分布通量；综合其他气体污染物和颗粒物浓度信息，实现对臭氧污染的实时监测和溯源。可快速解析污染成因，反映污染区域输送。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图。
图2是本发明的整车内部结构俯视图。
图3是本发明的整车外部结构侧视图。
图4是本发明配电系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图4所示，一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，包括集成于车体的工控机、臭氧激光雷达1、风廓线激光雷达4、VOCs在线监测系统2、微型气象站5、云台摄像机6，车体10底盘安装有电动支腿12，电动支腿12的控制端与工控机连接。其中：
臭氧激光雷达1通过减震器安装于车体10内底部，车顶对应臭氧激光雷达1位置开设有天窗11并在天窗11内安装有光学玻璃，臭氧激光雷达1的发射光路和接收光路均对准光学玻璃；
风廓线激光雷达4通过支架和减震器悬挂安装于车体10内顶部，风廓线激光雷达4的发射光路和接收光路均对准光学玻璃；
VOCs在线监测系统2通过减震器安装于车体10内底部，车体10中安装有通风系统，通风系统具有连通车内和车外的通风管道，VOCs在线监测系统2的采集管路与通风管道连通；
微型气象站5、云台摄像机6分别安装于车顶；
工控机的数据输入端分别与臭氧激光雷达1、风廓线激光雷达4、VOCs在线监测系统2、微型气象站5、云台摄像机6的数据输出端连接，臭氧激光雷达1、风廓线激光雷达4、VOCs在线监测系统2、微型气象站5、云台摄像机6各自信号转换为数据后分别送入工控机，工控机的信号输出端还连接有中控显示屏8和4G无线模块9，工控机将数据输出至中控显示屏8显示，且工控机通过4G无线模块9与外部通讯连接。
本发明车体内部还集成有配电系统3，包括静音发电机3.1、市电接口3.2、双控开关3.3、分线器3.4、UPS3.5、蓄电池3.6，其中静音发电机3.1的电输出端、市电接口3.2的电输出端分别通过双控开关3.3连接分线器3.4的输入端，分线器3.4的一个输出端连接车内自带空调3.7，分线器3.4的另一个输出端连接车内照明及其他用电设备3.8，分线器3.4还有一个输出端连接UPS3.5的输入端，UPS3.5安装于车体内的工作台7柜体中，UPS3.5的输出端连接蓄电池3.6，蓄电池3.6供电连接至工控机、臭氧激光雷达1、风廓线激光雷达4、VOCs在线监测系统2、微型气象站5、云台摄像机6。
本发明中，臭氧激光雷达1为满足走航对时间分辨率的较高要求，选择频率20Hz，单脉冲能量50mj@266nm的固态激光器作为光源，在保证直径300mm望远镜大口径接收面的前提下，光机设计使臭氧激光雷达结构更加紧凑，重量比定点大气探测臭氧激光雷达减轻了2/3。针对车载，结构上进行了减震设计，满足在走航的工况下，光路的稳定，设备能够稳定运行采集。臭氧测量需要266nm波长的激光激发拉曼频移光，266nm波长较短，单分子能量较高，很容易损伤镜片，需要做到密封的发射光路环境以应对车载的较恶劣工况。发射光路采取全密封设计，充氮气保证发射光路处于一个无尘无水汽的洁净环境。有效保证臭氧激光雷达能够在车内的较恶劣和较不稳定的工况条件下，稳定运行，保障数据的有效性。
本发明中，风廓线激光雷达4基于激光相干探测原理，对环境大气中的气象信息垂直分布情况进行立体观测。风廓线激光雷达数据采集模块，采集回波信号强度，并解析各个径向的频谱分布。结合GPS自动生成点位数据分析和走航数据精度校准功能, 可对激光雷达走航监测的多项数据进行3D空间立体展示，需要可以选择不同的空间高度来进行数据的3D展示。
本发明中，VOCs在线监测系统2适用于空气中含氧有机物、含氮有机物、含硫有机物、苯系物等VOCs以及氨气、硫化氢等恶臭气体的实时在线定量分析。车载VOCs在线监测系统基于质子转移反应质谱(PTR-MS)原理，主要由离子源、离子-分子反应管以及离子探测质谱系统组成。离子-分子反应管作为采集管路其一端与通风系统连通，离子源从离子-分子反应管另一端向离子-分子反应管通入离子，离子探测质谱系统的探测部伸入离子-分子反应管以进行质谱测量。VOCs在线监测系统2利用离子源制备的母体离子H3O+与进样口吸入的有机物M进行质子转移反应（
Figure DEST_PATH_IMAGE002
）使得每种有机物M被离子化为MH+离子，再通过质谱对各种离子质荷比和强度进行测量，从而实现对有机物分子量和浓度的检测。VOCs在线监测系统同时内置了EI源作为H3O+源的补充，可对H3O+无法离子化的待测物进行应急检测。
本发明中，微型气象站5可监测Pm2.5, Pm10, SO2, NO2, CO, O3,NO, H2S, VOC,噪声等环境要素, 还可集成监测大气温湿度，风速风向, 气压, 雨量, 辐射, 紫外等气象要素。
本发明臭氧激光雷达1、风廓线激光雷达4、VOCs在线监测系统2、微型气象站5、配电系统3、工控机、通风系统搭建到车载系统中，将臭氧浓度垂直分布监测从单点扩展到多点、线、面的大范围监测，形成对大气臭氧浓度的网格化立体化监测。同时搭载VOCs在线监测系统及微型气象站，将气象参数、污染气体浓度、颗粒物浓度等多个参数（如风速、风向、臭氧、SO2、NO、VOCs、PM2.5、PM10等）融合在一台走航车内。结合空间风速风向信息，获得臭氧浓度空间分布通量；综合其他气体污染物和颗粒物浓度信息，实现对臭氧污染的实时监测和溯源。可快速解析污染成因，反映污染区域输送。
本发明工控机的集成软件采用松耦合、高内聚的模块化设计方案，保证系统运行的高可靠性和稳定性；系统需支持在相关计算机中对走航数据进行脱机分析的功能，实现系统使用的高度灵活性和适应性。车载走航集成软件主要由以下几个软件部分组成。
①车载走航数据采集软件
该软件主要功能是对部署在走航车辆上的相关设备的运行状态和监测数据进行现场实时采集，并结合车辆走航轨迹路线进行平面及立体等多种方式的展现，以及对实时视频监控数据的查看，同时对监测数据超标进行图像取证抓拍等。
②车载走航数据分析软件
该软件主要功能是对走航采集到的各类设备的监测数据结合走航轨迹路线进行相关的分析，主要包括臭氧浓度分布、近地面层风场、颗粒物污染分析、污染气体分析、污染传输分析及数据比对分析等方面。
③车载走航数据传输软件
该软件主要功能是将走航路线轨迹数据以及各类设备的监测数据通过移动无线网络传输到相关服务器中，以便后端相关的系统对走航数据进行展示和分析。
综上所述，本发明臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，将臭氧浓度垂直分布监测从单点扩展到多点、线、面的大范围监测，形成对大气臭氧浓度的网格化立体化监测，同时，可对重污染、地区局部污染等污染突发事件，进行及时响应。本发明结构紧凑、稳定度高、性能优良，而且供电通讯性能可靠，实时完成环境监测走航工作。可广泛应用于环保执法部门对大气污染源的排查，有效的监管大气环境质量，同时可对重污染、地区局部污染等污染突发事件，进行及时响应，为治理大气污染的环保行动保驾护航。

Claims (6)

1.一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：包括集成于车体的工控机、臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机，其中：
所述臭氧激光雷达通过减震器安装于车内底部，车顶对应臭氧激光雷达位置开设有天窗并在天窗内安装有光学玻璃，臭氧激光雷达的发射光路和接收光路均对准光学玻璃；
所述风廓线激光雷达通过支架和减震器悬挂安装于车内顶部，风廓线激光雷达的发射光路和接收光路均对准光学玻璃；
VOCs在线监测系统通过减震器安装于车内底部，车体中安装有通风系统，通风系统具有连通车内和车外的通风管道，VOCs在线监测系统的采集管路与通风管道连通；
微型气象站、云台摄像机分别安装于车顶；
所述工控机的数据输入端分别与臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机的数据输出端连接，臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机各自信号转换为数据后分别送入工控机，工控机的信号输出端还连接有中控显示屏和无线模块，工控机将数据输出至中控显示屏显示，且工控机通过无线模块与外部通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的臭氧激光雷达选择频率20Hz，单脉冲能量50mj@266nm的固态激光器作为光源，臭氧激光雷达的发射光路采取全密封结构，且发射光路充入氮气以提供无尘无水汽环境。
3.根据权利要求1所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的风廓线激光雷达基于激光相干探测原理对环境大气中的气象信息垂直分布情况进行立体观测。
4.根据权利要求1所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的VOCs在线监测系统基于质子转移反应质谱(PTR-MS)原理，其由离子源、离子-分子反应管以及离子探测质谱系统组成，离子-分子反应管作为采集管路其一端与通风管道连通，离子源从离子-分子反应管另一端向离子-分子反应管通入离子，离子探测质谱系统的探测部伸入离子-分子反应管以进行质谱测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的车体内部还集成有配电系统，配电系统包括静音发电机、市电接口、双控开关、分线器、UPS、蓄电池，其中静音发电机的电输出端、市电接口的电输出端分别通过双控开关连接分线器的输入端，分线器的一个输出端连接车内自带空调，分线器的另一个输出端连接车内照明及其他用电设备，分线器还有一个输出端连接UPS的输入端，UPS的输出端连接蓄电池，蓄电池供电连接至工控机、臭氧激光雷达、风廓线激光雷达、VOCs在线监测系统、微型气象站、云台摄像机。
6.根据权利要求1所述的一种基于臭氧激光雷达的环境监测溯源走航车，其特征在于：所述的车体底盘安装有电动支腿，电动支腿的控制端与工控机连接。
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