灰霾垂直结构探测仪的制作方法

本发明涉及大气探测技术领域，具体为一种灰霾垂直结构探测仪。

背景技术：

灰霾是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，在大气相对湿度小于80％，水平能见度降低到10公里以下的一种天气现象，由于灰霾现象的成因复杂，不同灰霾的化学成分也很不相同，因此，对灰霾的探测相当的困难。

描述灰霾的主要有两种参数，一是视觉参数，就是灰霾的能见度，由于在严重灰霾发生时，能见度严重下降，可以用能见度作为表征灰霾的参数，用于对社会服务，另一方面是大气化学参数，主要有4种：直径小于2.5μm的气溶胶质量浓度、直径小于1μm的气溶胶质量浓度、气溶胶散射系数和气溶胶吸收系数，这些参数主要用于研究灰霾的来源和成因。

灰霾的垂直结构主要是指这两种参数在垂直方向上的分布和变化，一般而言，灰霾在垂直方向上很复杂，地面的浓度最大，以大粒径气溶胶为主；在几十米高度上灰霾浓度降低，能见度增大；而在几百米的高度上灰霾浓度会增大，形成以细颗粒为主的灰霾层，实际上的灰霾垂直结构更加复杂，由于目前没有垂直结构的探测手段，人们对于灰霾的认知主要在地面，对空中的灰霾结构很不了解。本发明中灰霾的探测通过测量光在灰霾中的衰减来实现，由于灰霾在可见光和红外谱段有很多吸收带，吸收带对测量的影响将严重影响测量精度，而不同来源的灰霾的吸收带又有很大差别，是实现垂直探测的技术难点。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种灰霾垂直结构探测仪，通过测量光在灰霾中的衰减来实现对灰霾的探测，由于灰霾在可见光和红外谱段有很多吸收带，吸收带对测量的影响将严重影响测量精度，而不同来源的灰霾的吸收带又有很大差别，是实现垂直探测的技术难点的问题。

(二)技术方案

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种灰霾垂直结构探测仪，包括灰霾探测仪，所述灰霾探测仪的上表面设置有光学传感器，所述灰霾探测仪的下表面设置有数据通信组件，所述数据通信组件的下表面设置有温压湿传感及测量组件和通信天线，所述灰霾探测仪的正面开设有滑槽，所述滑槽内滑动连接有推拉滑块，所述灰霾探测仪内设置有数据采样板、数据放大板和数据通信板，所述数据通信板位于绝缘垫的上方，所述绝缘垫的设置在灰霾探测仪内，所述灰霾探测仪的上表面开设有温压湿传感通道。

所述温压湿传感通道内设置有电池盒和终端通信板，所述灰霾探测仪包括余弦散射光获取装置，所述余弦散射光获取装置的输出端与若干个单色通道的输入端电连接，所述单色通道的输出端与多通道数据采集电路及多通道数据放大电路的输入端电连接，所述多通道数据采集电路及多通道数据放大电路的输出端与单片机a/d转换电路的输入端电连接，所述单片机a/d转换电路的输出端与第一高速无线数据传输系统输入端电连接。

所述单片机a/d转换电路的输入端与温压湿传感器的输出端电连接，所述单片机a/d转换电路的输入端与第一时钟同步接口的输入端电连接，所述第一时钟同步接口的输入端与电源与控制的输出端电连接，所述电源与控制的输出端与单片机a/d转换电路和第一高速无线数据传输系统的输入端电连接。

优选的，所述光学传感器的上表面与气球连接，所述光学传感器与探测仪接收机无线电连接，所述探测仪接收机的下表面与底座的上表面固定连接，所述探测仪接收机的输出端通过导线与地面测量仪的输入端电连接，所述地面测量仪的下表面与底板的上表面固定连接。

优选的，所述探测仪接收机包括数据缓存与编码，所述数据缓存与编码的输出端分别与数据储存卡和实时数据接口的输入端电连接，所述数据缓存与编码与显示和控制面板双向电连接。

优选的，所述显示和控制面板的输入端与蓄电池的输出端电连接，所述显示和控制面板的输入端与第二时钟同步接口的输出端电连接，所述数据缓存与编码的输入端与第二高速无线数据传输系统、gps系统和地面测量仪的输出端电连接。

优选的，所述灰霾探测仪重量较轻，整个灰霾探测仪重量不大于500g，且采用9v碱性电池进行供电，电池最大工作时间为1.5小时。

优选的，所述灰霾探测仪除了电池以外没有污染物质，即使在浸泡等条件下也没有污染物质释放，且整个灰霾探测仪是一次性使用，采用低成本技术进行制作。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于：

1、该灰霾垂直结构探测仪，通过设置灰霾探测仪、光学传感器、探测仪接收机、气球和地面测量仪，本项发明主要是开发一种采用自然光探测灰霾结构的仪器，给出能见度和气溶胶浓度两个参数，由气球携带升空，用来探测灰霾的垂直结构，该发明将用于灰霾的探测和监测，有利于对灰霾的研究和治理，需要通过测量光在灰霾中的衰减进行探测,灰霾在可见光和红外谱段有很多吸收带，采用的谱段要避开吸收带，防止吸收严重影响测量精度，该测量仪在上升的过程中进行垂直探测。

为了应对灰霾中的吸收带，需要使用较多的光谱数据，光谱的谱段分布在400-1000nm(纳米)，光谱带宽为20nm，光谱数目为10-15个，由于有些分光方式无法保证带宽的要求，采用滤光片的方式获取光谱数据，光谱的选择分为粗选和精选，粗选用于保证对光谱范围的有效覆盖，在400-1000nm范围内有均衡的分布，精选用于避开主要光谱吸收带，光学传感器位于灰霾探测仪的上方，光学传感器上方设有多个滤光片，每个滤光片由一个光电管获取数据，光电管数目与光谱数目相同，光电板采集的数据由数据放大电路进行采集、放大并输出，滤光片上方用余弦散射体覆盖，实现匀光的作用。

附图说明

图1为本发明灰霾探测仪正视的结构示意图；

图2为本发明灰霾探测仪正视的剖面结构示意图；

图3为本发明光学传感器俯视的结构示意图；

图4为本发明灰霾探测仪原理的结构示意图；

图5为本发明探测仪接收机原理的结构示意图；

图6为本发明正视的结构示意图。

图中：1灰霾探测仪、2光学传感器、3滑槽、4推拉滑块、5数据通信组件、6温压湿传感及测量组件、7通信天线、8电池盒、9终端控制板、10温压湿传感通道、11数据采样板、12数据放大板、13数据通信板、14绝缘垫、15余弦散射光获取装置、16单色通道、17多通道数据采集电路及多通道数据放大电路、18温压湿传感器、19单片机a/d转换电路、20第一时钟同步接口、21电源与控制、22第一高速无线数据传输系统、23数据缓存与编码、24第二高速无线数据传输系统、25gps系统、26地面测量仪、27实时数据接口、28数据储存卡、29蓄电池、30显示和控制面板、31第二时钟同步接口、32底座、33探测仪接收机、34气球。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种灰霾垂直结构探测仪，包括灰霾探测仪1，灰霾探测仪1的上表面设置有光学传感器2，光学传感器2的上表面设置有气球34，光学传感器2与探测仪接收机33无线电连接，探测仪接收机33的下表面与底座32的上表面固定连接，探测仪接收机33的输出端通过导线与地面测量仪26的输入端电连接，地面测量仪26的下表面与底板的上表面固定连接，灰霾探测仪1的下表面设置有数据通信组件5，数据通信组件5的下表面设置有温压湿传感及测量组件6和通信天线7，探测仪接收机33包括数据缓存与编码23，数据缓存与编码23的输出端分别与数据储存卡28和实时数据接口27的输入端电连接，数据缓存与编码23与显示和控制面板30双向电连接，灰霾探测仪1的正面开设有滑槽3，滑槽3内滑动连接有推拉滑块4，显示和控制面板30的输入端与蓄电池29的输出端电连接，显示和控制面板30的输入端与第二时钟同步接口31的输出端电连接，数据缓存与编码23的输入端与第二高速无线数据传输系统24、gps系统25和地面测量仪26的输出端电连接，灰霾探测仪1内设置有数据采样板11、数据放大板12和数据通信板13，数据通信板13位于绝缘垫14的上方，灰霾探测仪1重量较轻，整个灰霾探测仪1重量不大于500g，且采用9v碱性电池进行供电，电池最大工作时间为1.5小时，灰霾探测仪1除了电池以外没有污染物质，即使在浸泡等条件下也没有污染物质释放，且整个灰霾探测仪1是一次性使用，采用低成本技术进行制作，绝缘垫14的设置在灰霾探测仪1内，灰霾探测仪1的上表面开设有温压湿传感通道10。

温压湿传感通道10内设置有电池盒8和终端通信板，灰霾探测仪1包括余弦散射光获取装置15，余弦散射光获取装置15的输出端与若干个单色通道16的输入端电连接，单色通道16的输出端与多通道数据采集电路及多通道数据放大电路17的输入端电连接，多通道数据采集电路及多通道数据放大电路17的输出端与单片机a/d转换电路19的输入端电连接，单片机a/d转换电路19的输出端与第一高速无线数据传输系统22输入端电连接。

单片机a/d转换电路19的输入端与温压湿传感器18的输出端电连接，单片机a/d转换电路19的输入端与第一时钟同步接口20的输入端电连接，第一时钟同步接口20的输入端与电源与控制21的输出端电连接，电源与控制21的输出端与单片机a/d转换电路19和第一高速无线数据传输系统22的输入端电连接。

本发明的操作步骤为：

灰霾能见度的计算方法

在气象学中，能见度用气象光学视程表示，气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700k的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5％所通过的路径长度，单位为m。

灰霾的能见度与光学数据的衰减有关，如果各个光谱的测量结果都没有在吸收带之内，则灰霾仪器的光学衰减为；

eh(z0+d)＝eh0(z0)exp(-αhd)(1)

其中，eh和eh0为2700k辐射全谱段值，ah为大气的全谱段衰减系数，d为大气能见度。根据上述定义，全谱段衰减系数与大气能见度的关系为

exp(-αhd)＝0.05(2)

大气能见度d为

从(3)式可见，只需知道全谱段衰减系数，就可以计算能见度。由于灰霾有很多吸收带，直接测量的全谱段衰减系数无法直接计算能见度，全谱段衰减系数需要由多谱段的衰减系数获取。设谱段为n，衰减的距离为h，每个谱段的辐照度和衰减系数为

es(z0+h,λ)＝es(z0,λ)exp[-kd(λ)h](4)

对全部谱段进行积分，得到

其中，各个谱段的es为仪器的测量结果。按照(1)式，建立全谱段衰减特性与分谱段衰减特性的关系

得到

将(8)式带入(3)式就可以计算灰霾引起的能见度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。