一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統與方法
2023-09-21 09:24:15 1
專利名稱：一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統與方法
技術領域：
本發明涉及環境監測與保護、光學遙感領域，具體指一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統與方法。
背景技術：
準確測量溫室氣體濃度在節能減排、環境安全、氣候變化等領域具有重要意義。目前，針對特定地點大氣中的溫室氣體濃度主要採用採樣地表空氣的氣相色譜和質譜分析方法和原位測量的監測手段，針對特定區域採用機載主動和被動遙測，針對全球尺度的溫室效應採用星載被動遙測和模型模擬研究。另外，少數的高塔測量結果也有報導。在這些測量方法和系統中，氣相色譜和質譜方法的測量設備笨重昂貴、採樣測量周期長；機載溫室氣體測量的結果有限，不能獲得連續時間尺度的溫室氣體濃度變化狀況；衛星溫室氣體遙測和模型模擬結果需要地基柱濃度測量結果校準。這些技術手段均不能獲得特定地點的高時 間分辨力的從地表到大氣層頂的溫室氣體柱濃度含量。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統與方法，彌補溫室氣體立體化高時空分辨測量技術手段的不足，提供一種地基、快速、簡便、實時在線遙測、成本相對低廉、多組份同時測量的從地表到大氣層頂的溫室氣體柱濃度含量的測量系統與方法。為解決上述問題，本發明的技術方案為
一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於包括有一個固定的站房，所述站房上設有自動天窗，站房內設置有一固定平臺，固定平臺上安裝有太陽跟蹤器，太陽跟蹤器接收由天窗進入的太陽光，太陽跟蹤器的出射光穿過樣品池後進入紅外光譜儀，所述紅外光譜儀的輸出端連接有計算機；所述站房外還安裝有微型氣象站和無線數據傳輸天線，微型氣象站和無線數據傳輸天線均連接到所述計算機的對應輸入端。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述站房天窗的面積大小和傾斜角度根據所處地理位置和測量時段的太陽天頂角與方位角設計，由計算機控制其打開與關閉。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述太陽跟蹤器在測量時段內自動調整其內部反射鏡的俯仰角和方位角，始終跟蹤太陽，使得太陽直射光同一角度進入紅外光譜儀。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述樣品池為內部充有低壓HCl氣體的長IOcm底面直徑大於太陽跟蹤器出射光光束直徑的圓柱石英樣品池。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述紅外光譜儀為基於雙臂掃描式幹涉儀的傅立葉紅外光譜儀。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述微型氣象站包括溫度、壓力、溼度、太陽輻射、葉面溼度傳感器。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述計算機實時記錄微型氣象站氣象參數，實時記錄分析所述紅外光譜儀數據，通過所述天線完成站點數據發送和遠程命令接收。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述計算機可與所述太陽跟蹤器交互通信，可以啟動、停止太陽跟蹤器工作，查詢、校準太陽跟蹤器工作狀態。
一種溫室氣體柱濃度實時遙測方法，其特徵在於所述的遙測方法包括以下步驟
(I )、當氣象站獲取的氣象參數達到儀器工作條件時，自動天窗打開，太陽跟蹤器跟蹤太陽，紅外光譜儀記錄穿過整層大氣的直射太陽光幹涉圖數據；對獲得的幹涉圖進行預處理，包括剔除異常幹涉圖、幹涉圖濾波；
(2)、對預處理後的幹涉圖進行傅立葉變換獲得光譜圖，對該光譜圖進行基線校正和相位修正，得到實際測量的包含有溫室氣體信息的光譜 (3)、根據所述計算機內的氣體分子譜線參數資料庫計算出氣體分子標準吸收截面，並結合氣象站測量的氣象參數數據和站點處先驗氣體濃度垂直分布廓線，再通過逐線積分大氣輻射傳輸模型數值計算得到整層大氣透過率；
(4)、從所述樣品池內HCl氣體的光譜信息獲得儀器的響應函數；
(5)、由已知的大氣層頂太陽光譜、儀器響應函數、整層大氣透過率可獲得數值模擬計算的光譜圖；將以狀態向量即氣體濃度垂直廓線、頻率漂移為自變量的數值計算光譜圖與實測光譜圖進行非線性最小二乘擬合，循環迭代獲得待分析氣體的斜柱濃度；
步驟(2)- (5)簡言之為通過同時獲得實測光譜和基於大氣輻射傳輸模型的數值模擬計算光譜，並通過非線性最小二乘循環迭代方法實時獲得溫室氣體斜柱濃度；
(6)、由獲得的斜柱濃度和大氣質量因子即可得到垂直柱濃度。所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測方法，其特徵在於所述的計算機在幹涉圖數據採集和溫室氣體柱濃度定量分析上是並行處理，同時獲取多種溫室氣體柱濃度。本發明的有益效果
I、本發明提供了一種地基、快速、簡便、實時在線遙測、成本相對低廉、多組份同時測量的從地表到大氣層頂的溫室氣體柱濃度含量的測量系統與方法。2、本發明彌補了溫室氣體立體化高時空分辨測量技術手段的不足，能夠為機載星載遙測提供校準數據，能夠提供本地長期的溫室氣體觀測結果。
圖I為本發明的系統組成結構示意圖。圖2為本發明的溫室氣體柱濃度遙測方法方框圖。
具體實施例方式參見圖1，一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於遙測系統包括有一個固定站房1，所述站房I開有自動天窗2 ;安裝於站房I內固定平臺3上的太陽跟蹤器4，接收由天窗2進入的太陽光5，從而自動跟蹤太陽6 ;所述太陽跟蹤器4的出射光7穿過樣品池8，進入紅外光譜儀9 ;所述紅外光譜儀9的輸出端連接有計算機10 ;所述站房I外還安裝有微型氣象站11和無線數據傳輸天線12，均連接到所述計算機10的對應輸入端。所述站房天窗2的面積大小和傾斜角度根據所處地理位置和測量時段的太陽6天頂角與方位角設計，由計算機10控制其打開與關閉。所述太陽跟蹤器4在測量時段內自動調整其內部反射鏡13的俯仰角和方位角，始終跟蹤太陽6，使得太陽直射光5同一角度進入紅外光譜儀9。所述樣品池8為內部充有低壓HCl氣體的長IOcm底面直徑大於太陽跟蹤器4出射光7光束直徑的圓柱石英樣品池。所述紅外光譜儀9為基於雙臂掃描式幹涉儀的傅立葉紅外光譜儀。紅外光譜儀9的入射光14，經過反射鏡15、16，分束器17分成兩束，一束經過反射鏡19和直角反射鏡20，一束經過反射鏡18和直角反射鏡20。兩束光由反射鏡18、19組成的幹涉儀兩臂水平掃描形成光程差，再次經過分束器17、拋物鏡21將幹涉光信號會聚於探測器22的光敏面上。·所述微型氣象站11包括溫度、壓力、溼度、太陽輻射、葉面溼度傳感器。所述計算機10實時記錄微型氣象站11氣象參數，實時記錄分析所述紅外光譜儀9數據，通過所述無線數據傳輸天線12完成站點數據發送和遠程命令接收。所述計算機10可與所述太陽跟蹤器4交互通信，可以啟動、停止太陽跟蹤器4工作，查詢、校準太陽跟蹤器4工作狀態。遙測方法包括以下步驟
(1)、當氣象站11獲取的氣象參數達到儀器工作條件時，自動天窗2打開，太陽跟蹤器
4跟蹤太陽6，紅外光譜儀9記錄穿過整層大氣的直射太陽光5幹涉圖數據。對獲得的幹涉圖進行預處理，包括剔除異常幹涉圖、幹涉圖濾波；
(2)、對預處理後的幹涉圖進行傅立葉變換獲得光譜圖。對該光譜圖進行基線校正和相位修正，得到實際測量的包含有溫室氣體信息的光譜 (3)、根據所述計算機內的氣體分子譜線參數資料庫計算出氣體分子標準吸收截面，並結合氣象站11測量的氣象參數數據和站點處先驗氣體濃度垂直分布廓線，再通過逐線積分大氣輻射傳輸模型數值計算得到整層大氣透過率；
(4)、從所述樣品池8內HCl氣體的光譜信息獲得儀器的響應函數；
(5)、由已知的大氣層頂太陽光譜、儀器響應函數、整層大氣透過率可獲得數值模擬計算的光譜圖。將以狀態向量(氣體濃度垂直廓線、頻率漂移)為自變量的數值計算光譜圖與實測光譜圖進行非線性最小二乘擬合，循環迭代獲得待分析氣體的斜柱濃度；
步驟(2)- (5)簡言之為通過同時獲得實測光譜和基於大氣輻射傳輸模型的數值模擬計算光譜，並通過非線性最小二乘循環迭代方法實時獲得溫室氣體斜柱濃度；
(6)、由獲得的斜柱濃度和大氣質量因子即可得到垂直柱濃度。計算機10在幹涉圖數據採集和溫室氣體柱濃度定量分析上是並行處理，同時獲取多種溫室氣體柱濃度。
權利要求
1.一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於包括有一個固定的站房，所述站房上設有自動天窗，站房內設置有一固定平臺，固定平臺上安裝有太陽跟蹤器，太陽跟蹤器接收由天窗進入的太陽光，太陽跟蹤器的出射光穿過樣品池後進入紅外光譜儀，所述紅外光譜儀的輸出端連接有計算機；所述站房外還安裝有微型氣象站和無線數據傳輸天線，微型氣象站和無線數據傳輸天線均連接到所述計算機的對應輸入端。
2.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述站房的天窗的面積大小和傾斜角度根據所處地理位置和測量時段的太陽天頂角與方位角設計，由計算機控制其打開與關閉。
3.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述太陽跟蹤器在測量時段內其內部反射鏡的俯仰角和方位角均自動調整，始終跟蹤太陽，太陽直射光同一角度進入紅外光譜儀。
4.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述樣品池為內部充有低壓HCl氣體的長IOcm底面直徑大於太陽跟蹤器出射光光束直徑的圓柱石英樣品池。
5.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述紅外光譜儀為基於雙臂掃描式幹涉儀的傅立葉紅外光譜儀。
6.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述微型氣象站包括溫度、壓力、溼度、太陽輻射、葉面溼度傳感器。
7.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述計算機實時記錄微型氣象站氣象參數，實時記錄分析所述紅外光譜儀數據，通過所述無線數據傳輸天線完成站點數據發送和遠程命令接收。
8.根據權利要求I所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統，其特徵在於所述計算機可與所述太陽跟蹤器交互通信，可以啟動、停止太陽跟蹤器工作，查詢、校準太陽跟蹤器工作狀態。
9.一種溫室氣體柱濃度實時遙測方法，其特徵在於所述的遙測方法包括以下步驟 (1)、當氣象站獲取的氣象參數達到儀器工作條件時，自動天窗打開，太陽跟蹤器跟蹤太陽，紅外光譜儀記錄穿過整層大氣的直射太陽光幹涉圖數據；對獲得的幹涉圖進行預處理，包括剔除異常幹涉圖、幹涉圖濾波； (2)、對預處理後的幹涉圖進行傅立葉變換獲得光譜圖，對該光譜圖進行基線校正和相位修正，得到實際測量的包含有溫室氣體信息的光譜圖； (3)、根據所述計算機內的氣體分子譜線參數資料庫計算出氣體分子標準吸收截面，並結合氣象站測量的氣象參數數據和站點處先驗氣體濃度垂直分布廓線，再通過逐線積分大氣輻射傳輸模型數值計算得到整層大氣透過率； (4)、從所述樣品池內HCl氣體的光譜信息獲得儀器的響應函數； (5)、由已知的大氣層頂太陽光譜、儀器響應函數、整層大氣透過率可獲得數值模擬計算的光譜圖；將以狀態向量即氣體濃度垂直廓線、頻率漂移為自變量的數值計算光譜圖與實測光譜圖進行非線性最小二乘擬合，循環迭代獲得待分析氣體的斜柱濃度； (6)、由獲得的斜柱濃度和大氣質量因子即可得到垂直柱濃度。
10.根據權利要求9所述的一種溫室氣體柱濃度實時遙測方法，其特徵在於所述的計算機在幹涉圖數據採集和溫室氣體柱濃度定量分析上是並行處理，同時獲取多種 溫室氣體柱濃度。
全文摘要
本發明公開了一種溫室氣體柱濃度實時遙測系統和方法，包括一個固定的站房，站房開有自動天窗；安裝於站房內固定平臺上的太陽跟蹤器，接收由天窗進入的太陽光，從而自動跟蹤太陽；太陽跟蹤器的出射光穿過樣品池，進入紅外光譜儀；紅外光譜儀的輸出端連接有計算機；站房外還安裝有微型氣象站和無線數據傳輸天線，均連接到所述計算機的對應輸入端；實測光譜和基於大氣輻射傳輸模型的數值模擬計算光譜同時獲得，並通過非線性最小二乘循環迭代方法實時獲得多種溫室氣體柱濃度。本發明彌補了溫室氣體立體化高時空分辨測量技術手段的不足，能夠為機載星載遙測提供校準數據，能夠提供本地長期的溫室氣體觀測結果。
文檔編號G01N21/35GK102944530SQ20121045403
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者高閩光, 程巳陽, 金嶺, 李勝, 劉建國, 劉文清, 徐亮, 馮書香, 童晶晶 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所