CN110887794A - 一种二维大气痕量气体廓线测量系统 - Google Patents

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司福祺
周海金
罗宇涵
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Abstract

本发明公开一种二维大气痕量气体廓线测量系统，包括光学接收系统、光谱仪、控制系统。光学接收系统用于太阳散射光谱的采集，汇聚到紫外光纤，为了针对SO2反演，因为可见部分光强太强易饱和，需要滤除部分可见光，增加了滤光片控制单元。光谱仪包括光栅和探测器，光谱仪用于接收通过光纤的光束，控制系统包括角度控制单元、光源控制单元、背景控制单元。角度控制单元用于将不同角度的散射光导入接收望远镜中，背景控制单元用于驱动遮光板实现对背景的测量，光源控制单元用于将棱镜接收的散射光完成色散、采集与数字化后传输到控制系统中存储、计算。本发明通过获取不同角度上的痕量气体浓度廓线信息，实现了二维大气痕量气体廓线的监测。

Description

一种二维大气痕量气体廓线测量系统
技术领域
本发明涉及气痕量气体廓线测量领域，特别涉及一种二维大气痕量气体廓线测量系统。
背景技术
随着中国工业化和城市化进程的快速发展，环境问题日益突出，尤其是大气污染尤为严重，如大气中的CO、N2O、SO2、O3、NO、NO2、CH4、NH3、H2S、卤化物、有机化物等污染痕量气体和大气细粒子等污染物浓度增加，强烈影响着地球的辐射平衡，造成了气候变化。因此，对大气环境进行长期监测是其中重要一项任务。现阶段，对大气中痕量气体监测有不同的方法，有直接抽取式的测量方法，这种可以获取局部痕量气体信息，并可对经过仪器入口处的浓度梯度进行研究。如果想测量获得更大范围的浓度廓线，采用被动DOAS(MAX-DOAS)测量方法更具有先进性。DOAS技术采用朗伯比尔定律，利用具有窄带吸收特征的光学厚度选择性地探测痕量气体，其中MAX-DOAS以太阳散射光为光源，利用光路分布的差异性对近地面痕量气体的监测从而反演出垂直廓线分布。
现有技术中使用的是一维大气痕量气体廓线监测设备，但是此设备只能对同一方位角上不同仰角进行测量。从实际污染气体水平分布的不均匀性来分析，不同方位角的浓度是不同的，以某一个方位角上的观测结果代表测量区域污染气体浓度存在一定的局限性。因此目前急需一种能够测量不同方位角的气体廓线监测设备，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种二维大气痕量气体廓线测量系统及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，以获取不同角度上的痕量气体浓度廓线信息。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种二维大气痕量气体廓线测量系统，其特征在于：包括光学接收系统、光谱仪、控制系统，所述光谱仪与控制系统电性连接，所述光学接收系统以旋转台为支撑，所述旋转台通过电机驱动实现望远镜在水平和竖直方向上的自动扫描，所述光谱仪包括光栅和探测器，所述光谱仪用于接收通过光纤的光束，所述探测器进行采集并传输到计算机保存，进行下一步的数据处理；所述控制系统包括角度控制单元、光源控制单元、背景控制单元、自动校准系统，所述角度控制单元用于将不同角度的散射光导入接收望远镜中；所述背景控制单元包括背景电机，所述背景电机用于带动的遮光板实现对背景的测量；所述光源控制单元用于将进入望远镜的散射光完成色散、采集与数字化后通过USB先传导到控制系统中存储、计算，所述自动校准系统用于解决不同地区、不同时刻下，对角度、光源、背景的控制。
优选地，所述光谱仪外面包裹有加热膜，并利用温度控制器控制温度。
优选地，所述温度控制器采用PWM模式进行自闭环温度控制，利用温度闭环控制，来实现温度的精确控制，痕量气体监测设备温度保持控制系统采用PWM模式进行温度控制，采用专用PWM控制芯片作为温度控制电路的主要控制部件，利用温度闭环控制，实现温度的精确控制；同时，辅以8位单片机MEGA128对温度进行采样并进行PWM细调，以获得更为准确的温度控制范围。
优选地，还包括汞灯在线自动标定功能，由单片机和上位机建立通讯，在规定的一天中某个时间控制转台转动让汞灯对准玻璃窗口，打开汞灯，测量一条标准汞灯谱线，测量结束之后通过上位机软件控制关闭汞灯，整个系统重新进入痕量气体廓线测量流程。
优选地，在入射光路和光纤之间增加了一个滤光片控制单元。
本发明公开了以下技术效果：本发明对常规一维大气痕量气体廓线测量系统进行改进，构建了二维大气痕量气体廓线监测系统，以获取不同方位角上的痕量气体浓度廓线信息。在此过程中通过控制系统实现对角度、光源、背景的控制，通过背景单元的遮光板实现对背景的测量，便于实现对背景的分割。当不同角度的散射光导入接收望远镜中时，使用光源控制单元将进入望远镜的散射光，在完成色散、采集与数字化后通过USB先传导到控制系统中存储、计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的自动校准系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-2，本发明提供一种二维大气痕量气体廓线测量系统，包括光谱仪、望远镜、光纤、控制系统，所述光谱仪与控制系统电性连接，所述望远镜以旋转台为支撑，通过电机驱动旋转台实现望远镜在水平和竖直方向上的自动扫描，采用最小细分和从上至下的循环扫描方式，实现系统在扫描监测过程中在不同光路采集得到的光谱经DOAS浓度反演算法，准确获得大气污染物沿各个光路的平均浓度。
所述光谱仪包括光学接收系统、探测器，所述光学接收系统用于接收通过光纤的光束，所述探测器进行采集并传输到计算机保存，进行下一步的数据处理。所述望远镜和连接到光谱仪上的石英光纤的光学设计与光谱仪的孔径数一致，从而将光强的损失降到最低，驱动电机带动棱镜旋转将不同角度的散射光导入接收望远镜，并通过光纤会聚到光谱仪，进入光谱仪的散射光在完成色散、光电转化与数字化后通过USB线传导到计算机中存储、计算，最终实现对大气痕量气体垂直柱浓度及廓线的解析。为保证光谱仪恒温成像，在光谱仪外面包裹有加热膜，并利用温度控制器控制温度。
所述温度控制器采用PWM模式进行自闭环温度控制，利用温度闭环控制，来实现温度的精确控制，采用专用的PWM控制芯片作为温度控制电路中的主要执行部件，利用温度采集并完成自闭环控制，保证光谱仪工作温度恒定，防止由于温度变化的光谱漂移给反演带来误差，实现温度的精确控制及自动运行，为工作人员减少工作量。以8位单片机MEGA128对温度进行采样并进行PWM细调，以获得更为准确的温度控制范围。
所述控制系统包括角度控制单元、光源控制单元、背景控制单元、自动校准系统，所述角度控制单元用于将不同角度的散射光导入接收望远镜中；所述背景控制单元包括背景电机，所述背景电机用于带动的遮光板实现对背景的测量，便于实现对背景的分割；所述光源控制单元用于将进入望远镜的散射光完成色散、采集与数字化后通过USB先传导到控制系统中存储、计算；所述自动校准系统用于实现不同地区、不同时刻的情况下，根据大气参数，可以实现对角度、光源、背景的实时控制，进一步提高本系统的实用性。为了保证紫外波段的光强，需要把可见部分的光滤除，还可以在入射光路和光纤之间增加了一个滤光片控制单元。
所述角度控制单元能够实现对方位角、俯仰角的控制，并将方位角、俯仰角的数据保存，便于后期数据的整理，使得角度数据的获取更加准确，调节过程更加便捷。
所述自动校准系统包括气体检测仪、地理监测模块、主控芯片、反馈模块，所述气体检测仪、地理监测模块对待检测区域的气压、温度轮廓线、痕量气体地理条件进行监测并将数据存储到主控芯片上，根据具体的大气状况主控芯片控制反馈模块反馈给角度控制单元、光源控制单元、背景控制单元，减小了由于外界环境导致的误差，进一步增强了系统的可靠性和抗干扰性，最终实现对大气痕量气体垂直柱浓度及廓线的解析。
本发明中设计了汞灯在线自动标定功能，解决光谱漂移问题。具体设计是在光栅入射口，由单片机和上位机建立通讯，在规定的一天中某个时间控制转台转动让汞灯对准玻璃窗口，打开汞灯，测量一条标准汞灯谱线。测量结束之后通过上位机软件控制关闭汞灯，整个系统重新进入痕量气体廓线测量流程。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种二维大气痕量气体廓线测量系统，其特征在于：包括光谱仪、光学接收系统、控制系统，所述光谱仪与控制系统电性连接，所述光学接收系统以旋转台为支撑，所述旋转台通过电机驱动实现光学接收系统在水平和竖直方向上的自动扫描，所述光谱仪包括光栅和探测器，所述光谱仪用于接收通过光纤的光束，所述探测器进行采集并传输到计算机保存，进行下一步的数据处理；所述控制系统包括角度控制单元、光源控制单元、背景控制单元、自动校准系统，所述角度控制单元用于将不同角度的散射光导入接收望远镜中；所述背景控制单元包括背景电机，所述背景电机用于带动的遮光板实现对背景的测量；所述光源控制单元用于将进入望远镜的散射光完成色散、采集与数字化后通过USB线传导到控制系统中存储、计算，所述自动校准系统用于解决不同地区、不同时刻下，对角度、光源、背景的控制。
2.根据权利要求1所述的二维大气痕量气体廓线测量系统，其特征在于：所述光谱仪外面包裹有加热膜，并利用温度控制器控制温度。
3.根据权利要求1所述的二维大气痕量气体廓线测量系统，其特征在于：所述温度控制器采用PWM模式进行自闭环温度控制，利用温度闭环控制，来实现温度的精确控制，痕量气体监测设备温度保持控制系统采用PWM模式进行温度控制，采用专用PWM控制芯片作为温度控制电路的主要控制部件，利用温度闭环控制，实现温度的精确控制；同时，辅以8位单片机MEGA128对温度进行采样并进行PWM细调，以获得更为准确的温度控制范围。
4.根据权利要求1所述的二维大气痕量气体廓线测量系统，其特征在于：还包括汞灯在线自动标定功能，由单片机和上位机建立通讯，在规定的一天中某个时间控制转台转动让汞灯对准玻璃窗口，打开汞灯，测量一条标准汞灯谱线，测量结束之后通过上位机软件控制关闭汞灯，整个系统重新进入痕量气体廓线测量流程。
5.根据权利要求1所述的二维大气痕量气体廓线测量系统，其特征在于：在入射光路和光纤之间增加了一个滤光片控制单元。
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