專利名稱：中低空大氣成分臨邊探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣物理探測，尤其是中低空大氣成分的臨邊探測。
背景技術(shù)：
大氣成分的垂直分布探測對研究大氣成分，特別是污染或溫室氣體的空間分 布、輸送、演變過程有著重要的意義。
現(xiàn)有的從衛(wèi)星遙感中低空大氣成分的探測幾何上可以分為垂直探測、臨邊探 測和掩星探測三種方式。從探測機(jī)理上又分為多光束光譜遙感和單激光源諧波遙 感技術(shù)。正在使用和發(fā)展的光譜遙感有傅氏變換紅外光譜、差分光學(xué)吸收光譜、 差分吸收激光雷達(dá)與激光長程吸收技術(shù)。光譜遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍實(shí)時(shí)連續(xù)觀 測，靈敏度度和分辨率高，但其共同特點(diǎn)都是需要不同波長的兩束或多束光，
設(shè)備操作復(fù)雜、成本高，如CN 101109699公開的"大氣成分垂直分布探測的 多軸差分吸收光譜方法與裝置"和CN 201051075Y公開的"被動(dòng)差分光學(xué)吸收 光譜儀"。單激光源諧波遙感技術(shù)只需要發(fā)射單束激光，利用反射光實(shí)現(xiàn)大氣成 分的探測，相對多束光成本降低，但相對傳統(tǒng)的利用大氣被動(dòng)發(fā)射光譜探測大氣 成分其功耗大，對設(shè)備控制頻率的特性要求高，如CN 1470863A公開的"單激 光源諧波遙感探測氣體的方法及其設(shè)備"。作為一種新型的大氣成分探測技術(shù)， 臨邊探測綜合了單源和被動(dòng)光譜遙感大氣成分技術(shù)，而且它不僅具有與垂直探測 類似的水平覆蓋，而且具有與掩星探測類似的高垂直分辨率。另外，通過大氣鄰 邊散射探測反演大氣成分剖面也能夠有效地減少地表反照率對大氣成分反演的 影響，這是其它大氣成分遙感探測技術(shù)不能解決的問題。但是，由于云覆蓋限 制，衛(wèi)星遙感大氣成分剖面通常在對流層頂(約10km)以上高度范圍內(nèi)精度較 高。
在低空大氣成分探測方法中多采用地基的光譜遙感監(jiān)測技術(shù)，如在地面、觀 測塔、觀測車等平臺上的監(jiān)測技術(shù)，但其可觀測的有限大氣剖面高度取決于觀測 平臺的高度， 一般只有幾百米。由于受到常規(guī)大氣成分光譜探測技術(shù)的限制，即 使釆用飛艇等低空飛行器作為平臺，也只是利用飛艇的上升過程進(jìn)行一次性觀 測，其觀測的高度和范圍明顯受到飛艇有限的飛行高度限制， 一般只達(dá)到平流層 底約10km的高度，同時(shí)在大氣剖面反演中明顯受到地表反照率的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種中低空大氣成分臨 邊探測方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 中低空大氣成分臨邊探測方法，包括下述順序和步驟
a、 通過裝有步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺搭載成像光譜儀；
b、 飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙控 步進(jìn)電機(jī)，使成像光譜儀按飛艇居留高度進(jìn)行水平方向或垂直方向連續(xù)或不連續(xù) 采集大氣后向散射光，或根據(jù)需要定址在某角度采集大氣后向散射光并成像；
C、成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換 后進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的水平方向上 或垂直方向上的大氣成分信息，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
成像光譜儀水平0—36(^轉(zhuǎn)動(dòng)為連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或根據(jù)需要往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或定址在某角
度采集大氣后向散射光；成像光譜儀垂直0_90Q轉(zhuǎn)動(dòng)為往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或根據(jù)需要定 址在某角度釆集大氣后向散射光；
有益效果實(shí)現(xiàn)飛艇居留點(diǎn)切點(diǎn)垂直向上的高度在360度范圍內(nèi)大氣成分剖 面的探測，既能減少地表反照率對大氣成分剖面反演的影響，提高水平面內(nèi)地表 覆蓋范圍和垂直方向上的分辨率，又能靈活地選擇大氣成分剖面探測的高度范 圍。針對低空大氣成分剖面探測，特別是一些不容易接近區(qū)域的污染氣體應(yīng)急檢 測，如危險(xiǎn)物集散地、煙囪等排氣口，有必要發(fā)展一種技術(shù)能夠滿足方便、快速、 實(shí)時(shí)、靈敏度高的探測方法，實(shí)現(xiàn)大氣成分剖面連續(xù)、大面積、高精度的探測。 根據(jù)濾光和成像光譜儀的特征，能夠反演得到03、 N02、 S02等多種大氣成分剖 面的探測。


附圖為中低空大氣成分臨邊探測方法二維體發(fā)射網(wǎng)格幾何模型圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明 中低空大氣成分臨邊探測方法，包括下述順序和步驟
a、 通過裝有步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺搭載成像光譜儀；
b、 飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙控 步進(jìn)電機(jī)，使成像光譜儀按飛艇居留高度進(jìn)行水平方向或垂直方向連續(xù)或不連續(xù) 采集大氣后向散射光，或根據(jù)需要定址在某角度采集大氣后向散射光并成像；
C、成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換 后進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的水平方向上 或垂直方向上的大氣成分信息，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。
成像光譜儀水平0—360G轉(zhuǎn)動(dòng)為連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或根據(jù)需要往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或定址在某角 度采集大氣后向散射光；成像光譜儀垂直0—90Q轉(zhuǎn)動(dòng)為往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或根據(jù)需要定址在某角度采集大氣后向散射光；
在臨邊散射觀測中，大氣體發(fā)射在升交點(diǎn);c-z平面內(nèi)有二維分布。按照飛艇 飛行軌跡角度邊界和從地心開始的徑向距離把此平面劃分成二維離散網(wǎng)格，大氣 體發(fā)射剖面貫穿于整個(gè)網(wǎng)格，大氣體發(fā)射網(wǎng)格是軌道面內(nèi)的二維網(wǎng)格。 一旦飛艇 姿態(tài)角不為0時(shí)，觀測方向可能不在這一平面內(nèi)。在這種情況下，如果在連續(xù)平 面間的徑向體發(fā)射非均勻，模擬則受到限制。假設(shè)軌道面外體發(fā)射分布徑向均勻，
軌道面外一點(diǎn)的半徑"=V "2 + z2和角距 內(nèi)具有相同半徑和角距的點(diǎn)有著相同的體發(fā)射
;K = tan_1 (，
"。通常認(rèn)為體發(fā)射平面
如果以飛艇作為觀測方向的原點(diǎn)，那么積分路徑為沿飛艇到無窮遠(yuǎn)處。假設(shè) 只有介于離散二維體發(fā)射網(wǎng)格最小和最大邊界之間的積分貢獻(xiàn)才有意義。觀測
& L/w、」是沿著視線的體發(fā)射貢獻(xiàn)
的積分，即
(9
(1)
式(1)離散形式如式(2)，表達(dá)了與視線P^相交的整個(gè)網(wǎng)格元素j總和，
其中、。"[^]是通過每個(gè)元素的幾何路徑，^ 獻(xiàn)，這樣有
是每個(gè)元素的體發(fā)射貢
(2)
針對錯(cuò)誤！未找到引用源。中錯(cuò)誤！未找到引用源。特定視線i^，式(2)
展開為
<\ = U8 +丄w^ + H +丄/wA +丄/w,"1^網(wǎng) (3) 完整觀測包含基于視線i^(A),的平均貢獻(xiàn)，組成整個(gè)視場。通過式(4)
和式(5)以確定完整視場中的觀測模擬值，
1 ' \
w 乂
乂 j
(4)
(5)
這些方程描述沿整個(gè)視場視線觀測值的加權(quán)平均。式(4)中兩個(gè)和代表觀測亮度加權(quán)平均值包含一個(gè)瞬時(shí)視場，加權(quán)平均連續(xù)瞬時(shí)視場組成整個(gè)視場。式(5)
中內(nèi)和代表沿單一視線《"每一個(gè)網(wǎng)格對觀測貢獻(xiàn)，外雙重和代表這些觀測 值加權(quán)平均。
這樣，己知每次采集的信號就能按照這個(gè)過程分配得到每個(gè)網(wǎng)格上的輻射， 然后根據(jù)大氣成分遙感光譜探測技術(shù)中的大氣成分剖面反演方法反演得到每個(gè) 網(wǎng)格的大氣成分及其剖面。 實(shí)施例l
通過螺栓將成像光譜儀固定在裝有的步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺上，飛艇按預(yù)測航 線飛行，當(dāng)飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙 控步進(jìn)電機(jī)，成像光譜儀在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，使成像光譜儀在飛艇居留高度進(jìn) 行水平方向0—36()G連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)采集大氣后向散射光并成像；
成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后 進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的水平方向上的 大氣成分信息，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。 實(shí)施例2
通過螺栓將成像光譜儀固定在裝有的步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺上，飛艇按預(yù)測航 線飛行，當(dāng)飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙 控步進(jìn)電機(jī)，成像光譜儀在步進(jìn)電機(jī)的控制下，使成像光譜儀在飛艇居留高度水 平方向定址在成像光譜儀鏡頭中心軸線為中心線的30G夾角范圍內(nèi)采集大氣后向 散射光并成像；
成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后 進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的水平方向上定 址在成像光譜儀鏡頭中心軸線為中心線的30e夾角范圍內(nèi)大氣成分信息，進(jìn)而得 到探測30G夾角范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。 實(shí)施例3
通過螺栓將成像光譜儀固定在裝有的步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺上，飛艇按預(yù)測航 線飛行，當(dāng)飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙 控步進(jìn)電機(jī)，成像光譜儀在步進(jìn)電機(jī)的控制下，使成像光譜儀在飛艇居留高度水
平方向，以成像光譜儀為中心每隔1(^不連續(xù)的采集大氣后向散射光并成像；
成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后 進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的水平方向上， 每隔10G不連續(xù)的大氣成分信息，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)不連續(xù)的的大氣化學(xué)成分。
實(shí)施例4
通過螺栓將成像光譜儀固定在裝有的步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺上，飛艇按預(yù)測航線飛行，當(dāng)飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙 控步進(jìn)電機(jī)，成像光譜儀在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，使成像光譜儀在飛艇居留高度進(jìn) 行垂直方向0—9(A連續(xù)采集大氣后向散射光并成像；
成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后 進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的垂直方向上連 續(xù)的大氣成分信息，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。 實(shí)施例5
通過螺栓將成像光譜儀固定在裝有的步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺上，飛機(jī)按預(yù)測航 線飛行，當(dāng)飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙 控步進(jìn)電機(jī)，成像光譜儀在步進(jìn)電機(jī)的控制下，使成像光譜儀在飛艇居留高度垂 直方向定址在3(^夾角范圍，采集大氣后向散射光并成像；
成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后 進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的垂直方向上定 址在30G夾角范圍的大氣成分信息，進(jìn)而得到探測30e夾角范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成 分。
權(quán)利要求
1、一種中低空大氣成分臨邊探測方法，其特征在于，包括下述順序和步驟a、通過裝有步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺搭載成像光譜儀；b、飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙控步進(jìn)電機(jī)，使成像光譜儀按飛艇居留高度進(jìn)行水平方向或垂直方向連續(xù)或不連續(xù)采集大氣后向散射光，或根據(jù)需要定址在某角度采集大氣后向散射光并成像；c、成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析和處理，通過大氣成分反演計(jì)算得到相應(yīng)高度的水平方向上或垂直方向上的大氣成分信息，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。
2、 按照權(quán)利要求1所述的中低空大氣成分臨邊探測方法，其特征在于，成 像光譜儀水平0—36(^轉(zhuǎn)動(dòng)為連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或根據(jù)需要往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或定址在某角度采集 大氣后向散射光。
3、 按照權(quán)利要求1所述的中低空大氣成分臨邊探測方法，其特征在于，成 像光譜儀垂直0—卯e轉(zhuǎn)動(dòng)為往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或根據(jù)需要定址在某角度釆集大氣后向散 射光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大氣物理探測，尤其是中低空大氣成分臨邊探測方法。通過裝有步進(jìn)電機(jī)的飛艇云臺搭載成像光譜儀，飛艇上升到探測目標(biāo)大氣的高度后，地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過無線通信遙控成像光譜儀按飛艇居留高度進(jìn)行水平方向或垂直方向連續(xù)或不連續(xù)采集大氣后向散射光并成像；成像后的光譜信號通過無線傳輸存儲到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過光譜數(shù)據(jù)分析和處理，進(jìn)而得到探測范圍內(nèi)的大氣化學(xué)成分。既能減少地表反照率對大氣成分剖面反演的影響，提高水平面內(nèi)地表覆蓋范圍和垂直方向上的分辨率，又能靈活地選擇大氣成分剖面探測的高度范圍。實(shí)現(xiàn)了大氣成分剖面連續(xù)、大面積、高精度的探測。
文檔編號G01N21/25GK101419160SQ20081005146
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者汪自軍, 陳圣波 申請人:吉林大學(xué)