[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

技術領域

本發明屬于光學測量領域，具體的說是一種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。

背景技術

日益嚴峻的大氣污染使得人們越來越關注對大氣痕量氣體時空分布的研究,例如NO₂、SO₂、等對人體有害的氣體，成為各級環保部門長期測量的項目，HCHO、BrO、O₃、NO₂等在大氣化學中起到了重要的作用，其在大氣中的濃度成為許多研究機構希望獲得的數據。現在的測量技術主要是傳統的化學點式測量方法和光學遙測的方法，光學遙測的方法相比化學點式測量方法具有非接觸、多組分、高時間分辨率的特點，便于實現實時連續自動測量。利用太陽光為光源的光學遙感方法較容易給出污染氣體的柱濃度，但是氣體的吸收路徑長度還是較難獲得的，所以污染氣體的濃度也較難獲得。另外污染氣體的水平分布只能采用搭載到移動平臺的測量設備獲得，固定測量設備還無法給出污染氣體的水平分布。污染氣體的垂直分布現階段多采用高塔和放球的方法獲得，成本較高。因此綜上，目前現有技術中還沒有采用被動光源的同時能夠測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布的固定測量裝置的文獻報道。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種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，利用天空散射太陽光同時實現測量大氣污染氣體水平分布和近地面豎直分布。

本發明的技術解決方案：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，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石英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。

所述二維轉動平臺可由計算機控制，轉到任意方向，轉動范圍0到360°，有較高的指向精度，其轉動誤差應小于0.1°。有較高的轉動速度和加速度，提高水平掃描的時間分辨率。電子羅盤和電子傾角儀，可實時與計算機通訊，給出光接收系統所指方向的信息，應有較高的精度，誤差應小于0.1度。

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°；內置濾光片，根據所測氣體的強吸收所在波長，選擇合適的濾光片，減少系統雜散光，提高信噪比；內置擋光輪，實時測量裝置的背景噪聲，提高裝置信噪比。

定標燈可選擇Hg元素燈，可在夜晚利用Hg元素燈對光譜儀進行定標。

光譜儀應置于恒溫盒內，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，保證光譜儀工作條件穩定，獲得穩定的光譜信息，保證測量精度。應對CCD進行制冷，盡量降低其溫度，減少CCD的暗噪聲，提高系統信噪比。

氧二聚體濃度測量裝置應與光接收系統等放于同一地點，應實時得到此時此地近地面大氣中氧二聚體的濃度。氧二聚體濃度測量裝置可采用長程差分吸收光譜測量裝置實時測量氧二聚體濃度；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。

二維轉動平臺、電子羅盤、電子傾角儀、光接收系統、定標燈應置于有機玻璃半球保護罩中，可長期放置于室外，達到防水、防塵的標準，滿足連續測量的要求。有機玻璃半球保護罩采用300nm以上紫外可見透過率達到50%以上的高透過率有機玻璃制作，提高所需波段光的通過率，提高裝置所接收的光信號強度。光譜儀和CCD及其溫控系統、計算機應置于室內。