[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

说明书

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体的说是一种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。

背景技术

日益严峻的大气污染使得人们越来越关注对大气痕量气体时空分布的研究,例如NO₂、SO₂、等对人体有害的气体，成为各级环保部门长期测量的项目，HCHO、BrO、O₃、NO₂等在大气化学中起到了重要的作用，其在大气中的浓度成为许多研究机构希望获得的数据。现在的测量技术主要是传统的化学点式测量方法和光学遥测的方法，光学遥测的方法相比化学点式测量方法具有非接触、多组分、高时间分辨率的特点，便于实现实时连续自动测量。利用太阳光为光源的光学遥感方法较容易给出污染气体的柱浓度，但是气体的吸收路径长度还是较难获得的，所以污染气体的浓度也较难获得。另外污染气体的水平分布只能采用搭载到移动平台的测量设备获得，固定测量设备还无法给出污染气体的水平分布。污染气体的垂直分布现阶段多采用高塔和放球的方法获得，成本较高。因此综上，目前现有技术中还没有采用被动光源的同时能够测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布的固定测量装置的文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种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，利用天空散射太阳光同时实现测量大气污染气体水平分布和近地面竖直分布。

本发明的技术解决方案：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，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石英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。

所述二维转动平台可由计算机控制，转到任意方向，转动范围0到360°，有较高的指向精度，其转动误差应小于0.1°。有较高的转动速度和加速度，提高水平扫描的时间分辨率。电子罗盘和电子倾角仪，可实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的信息，应有较高的精度，误差应小于0.1度。

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°；内置滤光片，根据所测气体的强吸收所在波长，选择合适的滤光片，减少系统杂散光，提高信噪比；内置挡光轮，实时测量装置的背景噪声，提高装置信噪比。

定标灯可选择Hg元素灯，可在夜晚利用Hg元素灯对光谱仪进行定标。

光谱仪应置于恒温盒内，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，保证光谱仪工作条件稳定，获得稳定的光谱信息，保证测量精度。应对CCD进行制冷，尽量降低其温度，减少CCD的暗噪声，提高系统信噪比。

氧二聚体浓度测量装置应与光接收系统等放于同一地点，应实时得到此时此地近地面大气中氧二聚体的浓度。氧二聚体浓度测量装置可采用长程差分吸收光谱测量装置实时测量氧二聚体浓度；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。

二维转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、光接收系统、定标灯应置于有机玻璃半球保护罩中，可长期放置于室外，达到防水、防尘的标准，满足连续测量的要求。有机玻璃半球保护罩采用300nm以上紫外可见透过率达到50%以上的高透过率有机玻璃制作，提高所需波段光的通过率，提高装置所接收的光信号强度。光谱仪和CCD及其温控系统、计算机应置于室内。