CN114993990A - 一种一体式小型开路温室气体通量监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及温室气体监测技术领域，尤其是一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，包括下列步骤：S1：利用小型开路式温室气体通量监测装置实现基于高频调制激光吸收光谱分析的温室气体痕量探测；S2：通过基于光谱信号采集与处理协同工作方式提高原始光谱数据吞吐率；S3：利用光谱差值运算代替基线拟合处理，提高光谱反演速度，将涡动相关通量观测频率拓展至20Hz‑100Hz，利用高灵敏激光吸收光谱分析技术获取大气环境温室气体本底浓度变化，结合一体式超声风速测量仪获取三维风速数据，通过采集计算两者脉动量的协方差获取温室气体排放通量数据，具有系统高度集成化、稳定性好、测量精度高的优点。

Description

一种一体式小型开路温室气体通量监测方法
技术领域
本发明涉及温室气体监测技术领域，尤其涉及一种一体式小型开路温室气体通量监测方法。
背景技术
近年来温室效应导致的全球气候变暖问题日益严峻，寻求温室气体排放演变规律有助于理解生态环境变化并评估未来的变化趋势。我国在2020年末向世界宣布要实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，这不仅是我国积极应对全球环境变化的国策，更是基于科学研究论证的国家战略。
观测温室气体排放通量方法有很多，其中涡动相关法作为一种不需要参数化假设直接观测气体交换通量的方法，被广泛应用于通量监测领域。该方法通过计算垂直风速脉动量和相关物理参数(如CO2、H2O和CH4等气体浓度)脉动量的协方差得到气体通量，因此测量系统的基本设备主要包括用于测量三维风速数据的超声风速仪和测量气体浓度变化的气体分析仪。当前超声风速仪和气体分析仪均为分体独立式测量单元，在实际应用时存在集成度不高、安装难度大和稳定性差等缺点，同时要求两者之间不能相互干扰，以避免结构流场对测量结果的影响。此外，当前应用于涡动相关通量观测的气体分析仪大多数采用非分散红外光谱法，其光谱分辨率及其光源调谐方式直接影响了测量结果的精度和响应频率，在测量大气环境温室气体浓度快速变化时存在局限性。而激光吸收光谱技术（TDLAS）是高灵敏的痕量气体检测技术，通过单频调谐激光频率能够从混合气体成分中鉴别不同的特征吸收，避免光谱干扰，具有很高的探测灵敏度和光谱分辨率，测量结果的响应频率取决于激光调谐频率，最高可达到MHz，是获取大气环境温室气体本底快速变化的理想探测手段。
针对以上问题，本发明公布了一种结合了激光吸收光谱气体分析技术和超声风速测量技术的高度集成化通量监测方法。利用高灵敏激光吸收光谱分析技术获取大气环境温室气体本底浓度变化，结合超声风速测量技术获取三维风速数据，通过采集计算两者脉动量的协方差获取温室气体排放通量数据，具有系统高度集成化、稳定性好、测量精度高的优点。
发明内容
本发明目的在于公布了一种结合激光吸收光谱气体分析技术和超声风速测量技术的高度集成化一体式设计的通量监测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，包括下列步骤：
S1：利用小型开路式温室气体通量监测装置实现基于高频调制激光吸收光谱分析的温室气体痕量探测；
S2：通过基于光谱信号采集与处理协同工作方式提高原始光谱数据吞吐率；
S3：利用光谱差值运算代替基线拟合处理，提高光谱反演速度，将涡动相关通量观测频率拓展至20Hz-100Hz。
进一步地，所述一种一体式小型开路温室气体通量监测方法包括：
激光气体分析仪，用于测量大气环境温室气体本底浓度变化量；
三维超声风速仪，用于测量大气环境风速变化量；
支架，用于对激光气体分析仪及三维超声风速仪进行安装；
底座，用于对支架进行固定安装，底座上设有处理器以对激光气体分析仪及三维超声风速仪进行控制。
进一步地，激光气体分析仪包括第一窗口镜、第二窗口镜、可调谐半导体激光器及光电探测器，其中：
第一窗口镜及第二窗口镜相对设置并固接在支架上；
可调谐半导体激光器安装在第一窗口镜上，光电探测器安装在第二窗口镜上。
进一步地，第一窗口镜及第二窗口镜上均设置有准直器和雨刷器。
进一步地，三维超声风速仪包括第一超声波发射器、第二超声波发射器、第三超声波发射器、第一超声波接收器、第二超声波接收器及第三超声波接收器组成，其中：
第一超声波发射器、第二超声波发射器及第三超声波发射器安装在第一窗口镜上；
第一超声波接收器、第二超声波接收器及第三超声波接收器安装在第二窗口镜上；
第一超声波发射器、第二超声波发射器及第三超声波发射器的位置与第一超声波接收器、第二超声波接收器及第三超声波接收器的位置相对应。
进一步地，激光气体分析仪通过可调谐半导体激光器发射特定波长的激光，准直后的激光光束通过一定开放式路径传输后被光电探测器接收完成光电转换，处理器采集处理接收的光谱信号并通过浓度反演算法得到目标气体浓度。
进一步地，三维超声风速仪利用超声波发射器及超声波接收器对超声波进行发射及接受，通过超声波在空气中受气流运动影响传播速度从而得到百Hz三维风速数据，并通过二次坐标旋转公式得到自然坐标系下垂直风速脉动量，以解决安装过程中因仪器倾斜导致观测误差问题，再通过处理气体浓度脉动量和修正后的垂直风速脉动量的协方差得到通量数据，从而实现在复杂气体交换运动中捕捉小尺度通量微弱变化。
本发明提出的一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，其目的是一方面解决目前基于涡动相关法测量温室气体通量时需使用分体式气体分析仪和超声风速仪装置的问题，以避免测量结果受安装位置及结构流场的影响；另一方面利用高灵敏激光吸收光谱技术，可获取更高精度的温室气体浓度和更高响应频率的温室气体浓度变化量，结合三维超声风速数据，获取高精度高时效的温室气体通量数据，在大气环境温室气体通量监测领域具有广泛的应用意义。
附图说明
图1为本发明提出的一种一体式小型开路温室气体通量监测方法的结构示意图。
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。
一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，包括下列步骤：
S1：利用小型开路式温室气体通量监测装置的高频激光调制技术实现基于激光吸收光谱分析的温室气体痕量探测；
S2：通过基于光谱信号采集与处理协同工作方式提高原始光谱数据吞吐率；
S3：利用光谱差值运算代替基线拟合处理，提高光谱反演速度，实现百Hz实时在线浓度计算，解决了当前传感器响应速度慢的问题，将涡动相关通量观测频率拓展至20Hz-100Hz。
如图1所示，一种一体式小型开路温室气体通量监测方法包括用于测量大气环境温室气体浓度变化量的激光气体分析仪和测量大气环境三维风速变化量的三维超声风速仪，两者的发射端与接收端通过支架2连接，并通过底座1固定安装，其中：
激光气体分析仪包括第一窗口镜3、第二窗口镜4、可调谐半导体激光器12及光电探测器13，其中：
第一窗口镜3及第二窗口镜4相对设置并固接在支架2上；
可调谐半导体激光器12安装在第一窗口镜3上，光电探测器13安装在第二窗口镜4上；
第一窗口镜3及第二窗口镜4上均设置有准直器和雨刷器；
本发明的一体式小型开路温室气体通量监测方法同时将用于测量大气环境温室气体浓度变化量的激光气体分析仪和测量大气环境三维风速变化量的三维超声风速仪高度集成，解决了当前传感设备功能和应用单一问题，同时解决了分体独立式监测仪的结构流场对通量测量结果的影响，在大气环境温室气体通量监测领域具有广泛的应用意义。
三维超声风速仪包括第一超声波发射器6、第二超声波发射器7、第三超声波发射器8、第一超声波接收器5、第二超声波接收器9及第三超声波接收器10组成，其中：
第一超声波发射器6、第二超声波发射器7及第三超声波发射器8安装在第一窗口镜3上；
第一超声波接收器5、第二超声波接收器9及第三超声波接收器10安装在第二窗口镜4上。
第一超声波发射器6、第二超声波发射器7及第三超声波发射器8的位置与第一超声波接收器5、第二超声波接收器9及第三超声波接收器10的位置相对应。
激光气体分析仪通过可调谐半导体激光器12发射特定波长的激光，准直后的激光光束通过一定开放式路径传输后被光电探测器13接收完成光电转换，处理器11采集处理接收的光谱信号并通过浓度反演算法得到目标气体浓度。同时考虑在野外长期应用时，测量结构受环境温度变化发生形变、大气湍流及光学镜片受粉尘污染等问题都会造成光强信号的波动，从而影响系统稳定性和测量结果，因此在第一窗口镜3及第二窗口镜4上增加雨刷器功能；此外在处理器11上增加光强自增益算法，根据光强波动实时调节电路放大增益。
三维超声风速仪利用超声波发射器及超声波接收器对超声波进行发射及接受，通过超声波在空气中受气流运动影响传播速度从而得到百Hz三维风速数据，并通过二次坐标旋转公式得到自然坐标系下垂直风速脉动量，以解决安装过程中因仪器倾斜导致观测误差问题，再通过处理气体浓度脉动量和修正后的垂直风速脉动量的协方差得到通量数据，从而实现在复杂气体交换运动中捕捉小尺度通量微弱变化。
工作原理：
本发明在使用时，根据探测不同目标气体成分，可调谐半导体激光器12选择不同波长的激光光源，如目标气体为H2O时使用1392nm激光光源，目标气体为CO2时使用4270nm激光光源。处理器11控制可调谐半导体激光器12使其发射目标波长的激光；光束通过准直器准直后在开放式空间传输一定距离后被光电探测器13接收完成光电转换；处理器11通过采集处理接收的光强信号并结合光谱处理算法反演得到测量路径上的目标气体浓度含量；再通过通讯设备将数据结果发送至上位机。
被测目标气体的光谱吸收强度与激光传输的有效光程路径有关，因此激光气体分析仪根据测量精度要求可使用不同形式的气体吸收池结构，如使用1392nm或4270nm激光测量H2O和CO2气体时，使用约10cm长度单次对射式气体吸收池；若使用1654nm或 2004nm激光测量CH4和CO2气体时，使用有效光程约20m长度多次反射式气体吸收池结构。
在实际应用环境下，测量结构受环境温度变化发生形变、大气湍流及光学镜片受粉尘污染等问题都会造成光强信号的波动，从而影响系统稳定性和测量结果，因此激光气体分析仪通过两种途径解决上述问题：一方面是在系统设计时增加了光强自增益调节算法，根据采集实时信号幅值判定控制下一步的弱信号处理电路的放大增益，使最终的信号幅值保持在预定设置的有效范围内，从而保证系统光强始终处于合适的幅值；另一方面，光强自增益调节范围有限，当激光气体分析仪光学镜片出现粉尘堆积、积雪遮挡时，通过处理器11控制雨刷器清扫光学镜片表面污渍，以保证系统光强长期稳定正常。
三维超声风速仪集成了三组超声波收发传感器装置，通过超声波在空气中受气流运动影响传播速度得到三维风速数据，利用二次坐标旋转公式得到自然坐标系下的垂直风速脉动变化量，并结合气体浓度脉动变化量计算协方差得到通量监测数据。
本发明所提供的一体式小型开路温室气体通量监测方法，其目的是一方面解决目前基于涡动相关法测量温室气体通量时需使用分体式气体分析仪和超声风速仪装置的问题，以避免测量结果受安装位置及结构流场的影响；另一方面利用高灵敏激光吸收光谱技术，可获取更高精度的温室气体浓度和更高响应频率的温室气体浓度变化量，结合三维超声风速数据，获取高精度高时效的温室气体通量数据，在大气环境温室气体通量监测领域具有广泛的应用意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1：利用小型开路式温室气体通量监测装置实现基于高频调制激光吸收光谱分析的温室气体痕量探测；
S2：通过基于光谱信号采集与处理协同工作方式提高原始光谱数据吞吐率；
S3：利用光谱差值运算代替基线拟合处理，提高光谱反演速度，将涡动相关通量观测频率拓展至20Hz-100Hz。
2.如权利要求1所述的一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，其特征在于，所述一体式小型开路温室气体通量监测装置包括：
激光气体分析仪，用于测量大气环境温室气体本底浓度变化量，激光气体分析仪包括第一窗口镜（3）、第二窗口镜（4）、可调谐半导体激光器（12）及光电探测器（13），其中：
第一窗口镜（3）及第二窗口镜（4）相对设置并固接在支架（2）上；
可调谐半导体激光器（12）安装在第一窗口镜（3）上，光电探测器（13）安装在第二窗口镜（4）上；
三维超声风速仪，用于测量大气环境风速变化量，三维超声风速仪包括第一超声波发射器（6）、第二超声波发射器（7）、第三超声波发射器（8）、第一超声波接收器（5）、第二超声波接收器（9）及第三超声波接收器（10）组成，其中：
第一超声波发射器（6）、第二超声波发射器（7）及第三超声波发射器（8）安装在第一窗口镜（3）上；
第一超声波接收器（5）、第二超声波接收器（9）及第三超声波接收器（10）安装在第二窗口镜（4）上；
第一超声波发射器（6）、第二超声波发射器（7）及第三超声波发射器（8）的位置与第一超声波接收器（5）、第二超声波接收器（9）及第三超声波接收器（10）的位置相对应；
支架（2），用于对激光气体分析仪及三维超声风速仪进行安装；
底座（1），用于对支架（2）进行固定安装，底座（1）上设有处理器（11）以对激光气体分析仪及三维超声风速仪进行控制。
3.如权利要求2所述的一体式小型开路温室气体通量监测方法，其特征在于，第一窗口镜（3）及第二窗口镜（4）上均设置有准直器和雨刷器。
4.如权利要求3所述的一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，其特征在于，激光气体分析仪通过可调谐半导体激光器（12）发射特定波长的激光，准直后的激光光束通过一定开放式路径传输后被光电探测器（13）接收完成光电转换，处理器（11）采集处理接收的光谱信号并通过浓度反演算法得到目标气体浓度。
5.如权利要求4所述的一种一体式小型开路温室气体通量监测方法，其特征在于，三维超声风速仪利用超声波发射器及超声波接收器对超声波进行发射及接受，通过超声波在空气中受气流运动影响传播速度从而得到百Hz三维风速数据，并通过二次坐标旋转公式得到自然坐标系下垂直风速脉动量，以解决安装过程中因仪器倾斜导致观测误差问题，再通过处理气体浓度脉动量和修正后的垂直风速脉动量的协方差得到通量数据，从而实现在复杂气体交换运动中捕捉小尺度通量微弱变化。
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