[發明專利]利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置及方法

有效

• 申請號: 201210213445.9
• 申請日: 2012-06-26
• 公開（公告）號: CN102735632A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 謝品華;王楊;李昂
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

1.利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于包括：二維轉動平臺、電子羅盤、電子傾角儀、光接收系統、光譜儀和CCD、計算機、氧二聚體濃度測量裝置和定標燈；其中光接收系統搭載到二維轉動平臺上，使光接收系統能夠指向任意仰角和方位角；電子羅盤用于確定光接收系統指向的方位角；電子傾角儀用于確定光接收系統指向的仰角；光接收系統指向定標燈，用于對光譜儀和CCD進行校準；天空散射光經光接收系統通過光纖傳輸到光譜儀內，經光譜儀分光后照亮CCD，CCD采集的光譜信息經過AD轉化傳輸到計算機，通過計算機利用差分吸收光譜分析方法進行反演，得到所測光路上的污染氣體柱濃度，并同時得到所測光路上氧二聚體柱濃度；氧二聚體濃度測量裝置提供此時此地的氧二聚體濃度；根據以上兩個氧二聚體信息獲得光的傳輸路徑長度，從而將污染氣體柱濃度轉化為光的傳輸路徑的平均濃度；當光接收系統指向多個方位角時，獲得大氣污染氣體水平分布；當光接收系統指向小于5度的多個仰角時，獲得大氣污染氣體近地面豎直分布。

2.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述二維轉動平臺能夠由計算機控制，轉動范圍0到360°，其轉動誤差小于0.1°。

3.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述電子羅盤和電子傾角儀能夠實時與計算機通訊，給出光接收系統所指方向的仰角和方位角，電子羅盤和電子傾角儀的誤差小于0.1度。

4.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述光接收系統由凸透鏡片、濾光片、擋光輪和光纖組成；天空散射光經凸透鏡匯聚到光纖中；濾光片在凸透鏡后，光纖之前；擋光輪安裝在光纖前、凸透鏡后；光接收系統的凸透鏡采用石英晶體，以提高紫外透過率；光接收系統的視場角小于0.1°。

5.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述定標燈選擇Hg元素燈，能夠在夜晚利用Hg元素燈對光譜儀進行定標。

6.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述光譜儀置于恒溫盒內，所述的恒溫盒由半導體冷熱電材料的制冷或加熱實現盒內溫度恒定。

7.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述CCD需要制冷。

8.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述氧二聚體濃度測量裝置與光接收系統放于同一地點，實時得到此時此地近地面大氣中氧二聚體的濃度；所述氧二聚體濃度測量裝置采用長程差分吸收光譜測量裝置或者采用氧氣濃度測量裝置，根據氧二聚體濃度與氧氣濃度的關系換算得到氧二聚體濃度。

9.根據權利要求1所述的利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的裝置，其特征在于：所述二維轉動平臺、電子羅盤、電子傾角儀、光接收系統、定標燈置于有機玻璃半球保護罩中；所述有機玻璃半球保護罩采用300nm以上透過率高于50%的有機玻璃材料制作。

10.利用天空散射光測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的方法，其特征在于包括測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布步驟，所述大氣污染氣體水平分布的方法為：當需要獲得大氣污染氣體水平分布時，控制二維轉動平臺使光接收系統指向不同的方位角，對于每一個方位角，首先使光接收系統指向仰角90°，得到參考光譜，然后使光接收系統指向仰角1°，得到測量光譜；計算機利用被動差分吸收光譜算法反演大氣污染氣體的柱濃度和氧二聚體柱濃度，氧二聚體濃度測量裝置提供此時此地的氧二聚體濃度，根據氧二聚體柱濃度和濃度計算光的傳輸路徑長度，計算出該方位角的大氣污染氣體平均濃度；不同方位角上的污染氣體平均濃度即反映出大氣污染氣體水平分布；

所述測量大氣污染氣體近地面豎直分布的方法為：當需要獲得大氣污染氣體近地面豎直分布時，控制二維轉動平臺使光接收系統依次指向小于5°的多個仰角和90°仰角；首先使光接收系統指向90°仰角，得到參考光譜，然后使光接收系統依次指向小于5°的多個仰角，其中多個仰角的間隔最小不得小于0.2度，得到多個測量光譜；計算機利用被動差分吸收光譜算法反演每個仰角大氣污染氣體的柱濃度和氧二聚體柱濃度，氧二聚體濃度測量裝置提供此時此地的氧二聚體濃度，根據氧二聚體柱濃度和濃度計算光的傳輸路徑長度；根據每個仰角的光的傳輸路徑長度和大氣污染氣體柱濃度，利用掃描DOAS算法，得到近地面大氣污染氣體豎直分布。