[发明专利]利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置及方法

权利要求书

1.利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于包括：二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、光谱仪和CCD、计算机、氧二聚体浓度测量装置和定标灯；其中光接收系统搭载到二维转动平台上，使光接收系统能够指向任意仰角和方位角；电子罗盘用于确定光接收系统指向的方位角；电子倾角仪用于确定光接收系统指向的仰角；光接收系统指向定标灯，用于对光谱仪和CCD进行校准；天空散射光经光接收系统通过光纤传输到光谱仪内，经光谱仪分光后照亮CCD，CCD采集的光谱信息经过AD转化传输到计算机，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演，得到所测光路上的污染气体柱浓度，并同时得到所测光路上氧二聚体柱浓度；氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度；根据以上两个氧二聚体信息获得光的传输路径长度，从而将污染气体柱浓度转化为光的传输路径的平均浓度；当光接收系统指向多个方位角时，获得大气污染气体水平分布；当光接收系统指向小于5度的多个仰角时，获得大气污染气体近地面竖直分布。

2.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述二维转动平台能够由计算机控制，转动范围0到360°，其转动误差小于0.1°。

3.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述电子罗盘和电子倾角仪能够实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1度。

4.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°。

5.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述定标灯选择Hg元素灯，能够在夜晚利用Hg元素灯对光谱仪进行定标。

6.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述光谱仪置于恒温盒内，所述的恒温盒由半导体冷热电材料的制冷或加热实现盒内温度恒定。

7.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述CCD需要制冷。

8.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述氧二聚体浓度测量装置与光接收系统放于同一地点，实时得到此时此地近地面大气中氧二聚体的浓度；所述氧二聚体浓度测量装置采用长程差分吸收光谱测量装置或者采用氧气浓度测量装置，根据氧二聚体浓度与氧气浓度的关系换算得到氧二聚体浓度。

9.根据权利要求1所述的利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的装置，其特征在于：所述二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、定标灯置于有机玻璃半球保护罩中；所述有机玻璃半球保护罩采用300nm以上透过率高于50%的有机玻璃材料制作。

10.利用天空散射光测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的方法，其特征在于包括测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布步骤，所述大气污染气体水平分布的方法为：当需要获得大气污染气体水平分布时，控制二维转动平台使光接收系统指向不同的方位角，对于每一个方位角，首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向仰角1°，得到测量光谱；计算机利用被动差分吸收光谱算法反演大气污染气体的柱浓度和氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度，根据氧二聚体柱浓度和浓度计算光的传输路径长度，计算出该方位角的大气污染气体平均浓度；不同方位角上的污染气体平均浓度即反映出大气污染气体水平分布；

所述测量大气污染气体近地面竖直分布的方法为：当需要获得大气污染气体近地面竖直分布时，控制二维转动平台使光接收系统依次指向小于5°的多个仰角和90°仰角；首先使光接收系统指向90°仰角，得到参考光谱，然后使光接收系统依次指向小于5°的多个仰角，其中多个仰角的间隔最小不得小于0.2度，得到多个测量光谱；计算机利用被动差分吸收光谱算法反演每个仰角大气污染气体的柱浓度和氧二聚体柱浓度，氧二聚体浓度测量装置提供此时此地的氧二聚体浓度，根据氧二聚体柱浓度和浓度计算光的传输路径长度；根据每个仰角的光的传输路径长度和大气污染气体柱浓度，利用扫描DOAS算法，得到近地面大气污染气体竖直分布。