基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统及方法

本发明涉及大气探测技术领域，具体的说是基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统及方法。

背景技术：

大气是指包围地球的空气，大气的成分复杂，除了含量较高的氮气和氧气之外，大气中还含有大量的气溶胶以及其它气体，而这些气溶胶和其它气体对天气、气候预测、全球水循环、人类健康以及地球环境等均会产生巨大影响，因此需要对大气的这些成分进行探测，以更好地对地球环境及人类健康进行保护。

气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。环境监测中常用的pm2.5和pm10即是大气中气溶胶浓度的一种表示方法，pm2.5表示气溶胶粒子直径小于2.5微米的气溶胶粒子，pm10表示气溶胶粒子直径小于10微米的气溶胶粒子。现有技术中，多采用伽马射线法或震荡天平法来对大气中的气溶胶进行探测，两种方法都是基于重量的测量方法，且只能给出直径小于2.5微米或小于10微米的气溶胶总量。无法区分不同粒径的气溶胶颗粒数量，即气溶胶粒子谱的分布形态，而气溶胶粒子谱及其光学特性又是描述气溶胶物理、辐射特性的重要参数，也是环境预测模型中重要输入参数，因此采用伽马射线法或震荡天平法都不能很好地探测到气溶胶的真实情况。

为了解决伽马射线法或震荡天平法的不足，现有技术中诞生了一些气溶胶粒子谱的测量方法，这些方法大致可以分为两类，第一类是光学方法，通过将气流引入激光腔，测量激光在不同角度上的强度估算，第二类是动力学方法，通过将气流引入不同大小孔径的一组滤膜的方法来测量。这些测量方法只能获得测量位置的气溶胶粒子谱，空间代表性差，同时代价高。实际上，气溶胶粒子对太阳光的散射在不同方向上的分布于气溶胶粒子大小和测量波长相关，因此可以利用这一特性通过获取邻近太阳方向的小角散射光谱来对气溶胶的粒子谱进行探测。目前诸如太阳光度计等太阳光探测设备只能实现一种太阳直射光或在某种角度上的测量，仪器视场角是固定的，无法根据需求改变，只能通过扫描的方式实现不同角度的测量，无法实现气溶胶谱测量所需的小角散射测量。

此外，现有的各种探测装置都只能对大气的单一成分进行探测，如果想要对大气进行综合探测，需要同时使用多种不同设备，导致探测效率低、成本高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本发明提供基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统及方法，能够实现对大气的全面自动化探测，从而简化探测过程，降低探测成本。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统，包括：气溶胶粒子谱探测子系统，用于获取太阳光小角散射光谱；宏观探测子系统，用于获取太阳光直射光谱；方向控制子系统，与所述气溶胶粒子谱探测子系统和所述宏观探测子系统均连接，用于控制气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统朝向太阳；探测主机，与所述气溶胶粒子谱探测子系统和所述宏观探测子系统均连接，用于根据所述太阳光小角散射光谱得到气溶胶粒子谱以及根据所述太阳光直射光谱得到大气气体成分。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述气溶胶粒子谱探测子系统包括小角散射前置光学望远镜，小角散射前置光学望远镜包括依次设置的第一深度截止滤光片、可调光圈、第一胶合透镜、第一视场光阑和第一反射镜，第一反射镜的出射方向上设置有第一光谱仪，第一光谱仪与所述探测主机电性连接。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述第一反射镜的出射方向上设置有第一分束器，所述第一光谱仪设置在第一分束器的其中一个出射方向上，第一分束器的另外一出射方向上设置有第一监测相机。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述宏观探测子系统包括太阳光学望远镜，太阳光学望远镜包括依次设置的第二深度截止滤光片、第二胶合透镜、第二视场光阑和第二反射镜，第二反射镜的出射方向上设置有第二光谱仪，第二光谱仪与所述探测主机电性连接。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述第二反射镜的出射方向上设置有第二分束器，所述第二光谱仪设置在第二分束器的其中一个出射方向上，第二分束器的另外一个出射方向上设置有第二监测相机。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述方向控制子系统包括环境感应模块和动作执行机构，环境感应模块包括位置感应单元和气象感应单元，并且位置感应单元和气象感应单元均与所述探测主机电性连接，动作执行机构与所述气溶胶粒子谱探测子系统和所述宏观探测子系统均连接。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述位置感应单元包括gps子模块，所述气象感应单元包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器和雨感应器。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述动作执行机构包括第一俯仰驱动装置和第二俯仰驱动装置，第一俯仰驱动装置驱动连接有第一中空俯仰转轴，第一中空俯仰转轴与所述气溶胶粒子谱探测子系统固定连接，第二俯仰驱动装置驱动连接有第二中空俯仰转轴，第二中空俯仰转轴与所述气溶胶宏观探测系统固定连接。

作为上述基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统的进一步优化：所述动作执行机构包括支撑底座，支撑底座上固定设置有方位驱动装置，方位驱动装置与所述第一俯仰驱动装置和所述第二俯仰驱动装置均驱动连接。

基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测方法，基于上述的基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统，包括如下步骤：

s1、利用所述方向控制子系统对所述气溶胶粒子谱探测子系统和所述宏观探测子系统的方向进行调节，使气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统朝向太阳；

s2、利用气溶胶粒子谱探测子系统获取所述太阳光小角散射光谱、利用宏观探测子系统获取所述太阳光直射光谱；

s3、所述探测主机根据太阳光小角散射光谱得到所述气溶胶粒子谱，并且根据太阳光直射光谱得到所述大气气体成分。

有益效果：本发明能够实时获取0.9～5度范围内，步长可调的邻近太阳小角散射光谱，从而精确获得气溶胶粒子谱；本发明还能够实现对大气气体成分如水汽含量、臭氧等成分的反演；本发明具有太阳精确跟踪功能、雨天感应功能，从而实现无需人工参与的自动观测。

附图说明

图1是本发明探测系统的整体结构示意图；

图2是小角散射前置光学望远镜的结构示意图；

图3是太阳光学望远镜的结构示意图。

附图说明：1-小角散射前置光学望远镜，2-第一中空俯仰转轴，3-第一俯仰驱动装置，4-第一监测相机，5-第一分束器，6-第一光谱仪，7-安装支撑平台，8-第二光谱仪，9-太阳光学望远镜，10-第二分束器，11-第二俯仰驱动装置，12-封装箱，13-第二中空俯仰转轴，14-第二监测相机，15-方位驱动装置，16-线连接口，17-支撑底座，18-环境感应模块，19-数据采集模块，20-探测主机，21-第一窗口片，22-第一深度截止滤光片，23-可调光圈，24-第一胶合透镜，25-可调光圈驱动装置，26-第一视场光阑，27-第一反射镜，28-反射镜支架，29-镜筒，30-第二窗口片，31-第二深度截止滤光片，32-第二胶合透镜，33-第二视场光阑，34-第二反射镜。

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。

请参阅图1至3，基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统，包括气溶胶粒子谱探测子系统、宏观探测子系统、方向控制子系统和探测主机20。

气溶胶粒子谱探测子系统，用于获取太阳光小角散射光谱。

宏观探测子系统，用于获取太阳光直射光谱。

方向控制子系统，与气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统均连接，用于控制气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统朝向太阳。

探测主机20，与气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统均连接，用于根据太阳光小角散射光谱得到气溶胶粒子谱以及根据太阳光直射光谱得到大气气体成分。

在进行探测时，首先利用方向控制子系统对气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统的方向进行控制，使气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统指向太阳，然后利用气溶胶粒子谱探测子系统获取太阳光小角散射光谱，利用宏观探测子系统获取太阳光直射光谱，之后探测主机20根据太阳光小角散射光谱得到气溶胶粒子谱，根据太阳光直射光谱得到大气气体成分，从而实现对大气的全面探测。

气溶胶粒子谱探测子系统的具体结构为：气溶胶粒子谱探测子系统包括小角散射前置光学望远镜1，小角散射前置光学望远镜1包括依次设置的第一深度截止滤光片22、可调光圈23、第一胶合透镜24、第一视场光阑26和第一反射镜27，第一反射镜27的出射方向上设置有第一光谱仪6，第一光谱仪6与探测主机20电性连接。其中第一深度截止滤光片22用于选择可测量的光谱范围，可调光圈23用于控制进光量，可调光圈23连接有可调光圈驱动装置25，第一胶合透镜24用于消除色差，第一视场光阑26用于控制视场角，第一反射镜27用于改变光路使光线进入到第一光谱仪6中。通过对第一视场光阑26进行控制，可以获取到大范围、可调步长的太阳小角散射光谱，进而通过对太阳小角散射光谱随散射角的变化情况得到气溶胶粒子谱。为了对小角散射前置光学望远镜1进行保护，在小角散射前置光学望远镜1的入射端设置有第一窗口片21，第一窗口片21可拆卸连接有遮挡片。

为了对视场角进行精确控制，从而提升气溶胶粒子谱的精度，第一反射镜27的出射方向上设置有第一分束器5，第一光谱仪6设置在第一分束器5的其中一个出射方向上，第一分束器5的另外一出射方向上设置有第一监测相机4。通过第一分束器5，可以将第一反射镜27反射出的光线导入到第一监测相机4中，进而通过第一监测相机4对视场角进行精确计算，从而在整个探测过程中保持视场角的精度，最终实现提升气溶胶粒子谱精度的效果。

宏观探测子系统的具体结构为：宏观探测子系统包括太阳光学望远镜9，太阳光学望远镜9包括依次设置的第二深度截止滤光片31、第二胶合透镜32、第二视场光阑33和第二反射镜34，第二反射镜34的出射方向上设置有第二光谱仪8，第二光谱仪8与探测主机20电性连接。第二深度截止滤光片31哟用与选择可测量的光谱范围，第二胶合透镜32用于消除色差，第二视场光阑33用于控制视场角，第二反射镜34用于改变光路使光线进入到第二光谱仪8中。为了对太阳光学望远镜9进行保护，在太阳光学望远镜9的入射端设置有第二窗口片30，第二窗口片30可拆卸连接有遮挡片。

为了精确对第二时长光缆33的视场角控制结果进行监测，第二反射镜34的出射方向上设置有第二分束器10，第二光谱仪8设置在第二分束器10的其中一个出射方向上，第二分束器10的另外一个出射方向上设置有第二监测相机14。通过第二分束器10，可以将第二反射将34反射出的光线导入到第二监测相机14中，进而通过第二监测相机14对视场角进行精确控制，最终提升大气气体成分的精确度。

更进一步的，气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统均包括用于容纳各个光学器件的镜筒29，镜筒29中固定设置有反射镜28支架，第一反射镜27或者第二反射镜34设置在反射镜支架28上，通过反射镜支架28可以对第一反射镜27或者第二反射镜34的角度进行调节，以满足探测需求，反射镜支架28可以包括一个与镜筒29内壁固定连接的连杆和一个与连杆转动连接的支杆，支杆用于与反射镜连接。

方向控制子系统的具体结构为：方向控制子系统包括环境感应模块18和动作执行机构，环境感应模块18包括位置感应单元和气象感应单元，并且位置感应单元和气象感应单元均与探测主机20电性连接，动作执行机构与气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统均连接。气象感应单元用于感应当前环境是否合适进行探测，当环境合适时才进行探测过程，环境不合适时终止探测以对系统进行保护，位置感应单元用于感应系统位置，从而使探测主机20能够根据位置信息判断当前的太阳方位，进而通过动作执行机构对气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统的方向进行控制。

环境感应模块18的具体结构为：位置感应单元包括gps子模块，气象感应单元包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器和雨感应器。气象感应单元能够判断当前是否是雨天，如果不是雨天，则gps子模块采集系统当前的位置信息和时间，然后探测主机20根据位置信息和时间得到太阳位置信息，进而根据太阳位置信息控制动作执行机构对气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统的方向进行控制。如果当前是雨天，则探测主机20控制动作执行机构将气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统收回，以对小角散射前置光学望远镜1和太阳光学望远镜9进行保护，避免受到雨水侵蚀而损坏。

动作执行机构的具体结构为：动作执行机构包括第一俯仰驱动装置3和第二俯仰驱动装置11，第一俯仰驱动装置3驱动连接有第一中空俯仰转轴2，第一中空俯仰转轴2与气溶胶粒子谱探测子系统固定连接，第二俯仰驱动装置11驱动连接有第二中空俯仰转轴13，第二中空俯仰转轴13与气溶胶宏观探测系统固定连接。第一俯仰驱动装置3和第二俯仰驱动装置11分别对第一中空俯仰转轴2和第二中空俯仰转轴13的角度进行控制，进而实现对小角散射前置光学望远镜1和太阳光学望远镜9的角度进行调节。第一俯仰驱动装置3和第二俯仰驱动装置11均可以设置为电机。第一中空俯仰转轴2和第二中空俯仰转轴13设置为中空结构，可以降低重量，进而减轻第一俯仰驱动装置3和第二俯仰驱动装置11的负载。

为了保证小角散射前置光学望远镜1和太阳光学望远镜9能够准确地指向太阳，动作执行机构包括支撑底座17，支撑底座17上固定设置有方位驱动装置15，方位驱动装置15与第一俯仰驱动装置3和第二俯仰驱动装置11均驱动连接。方位驱动装置15用于调节小角散射前置光学望远镜1和太阳光学望远镜9的方位角，搭配第一俯仰驱动装置3和第二俯仰驱动装置11，能够对小角散射前置光学望远镜1和太阳光学望远镜9的俯仰角进行调节，通过方位角和俯仰角的双重调节，可以保证小角散射前置光学望远镜1和太阳光学望远镜9能够准确地指向太阳。方位驱动装置15也可以设置为电机。方位驱动装置15驱动连接有安装支撑平台17，安装支撑平台17固定连接有封装箱12，动作执行机构设置在封装箱12中，第一中空俯仰转轴2和第二中空俯仰转轴13伸出封装箱12，从而利用封装箱12对动作执行机构进行保护，避免动作执行机构受到外部环境侵蚀而受损。

在支撑底座17上设置有线连接口16，线连接口16通过数据采集模块19与第一光谱仪6、第二光谱仪8、第一监测相机4、第二监测相机14、第一俯仰驱动装置3、第二俯仰驱动装置11和方位驱动装置15均电性连接，在使用的时候，将探测主机20与线连接口16相连接。通过设置线连接口16，探测主机20可以采用便携式计算机，从而提升系统的灵活度。

以下提供三种本发明的实施例。

实施例一，第一深度截止滤光片22和第二深度截止滤光片31的可测量光谱范围选择340～1100nm，第一视场光阑26的调节视场角为0.9～5度范围，步长为0.5度。能够实现对气溶胶粒子谱和气凝胶光学厚度以及水汽含量的探测。

实施例二，第一深度截止滤光片22的可测量光谱范围选择340～1100nm，第二深度截止滤光片31的可测量光谱范围选择280～450nm，同时将第二光谱仪8的光谱分辨率提升至0.2nm，除了能够探测气溶胶粒子谱之外，还能够提取大气o3、no2和so2成份含量。

实施例三，第二深度截止滤光片31的可测量光谱范围选择1100～1700nm，同时将第二光谱仪8的光谱分辨率提升至0.5nm，除了能够探测气凝胶粒子谱之外，还能够提取大气中co2、ch4柱含量。

基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测方法，基于上述的基于连续可调小角散射光谱的大气综合探测系统，包括s1至s3。

s1、利用方向控制子系统对气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统的方向进行调节，使气溶胶粒子谱探测子系统和宏观探测子系统朝向太阳。

s2、利用气溶胶粒子谱探测子系统获取太阳光小角散射光谱、利用宏观探测子系统获取太阳光直射光谱。

s3、探测主机20根据太阳光小角散射光谱得到气溶胶粒子谱，并且根据太阳光直射光谱得到大气气体成分。

综上所述，本发明能够同时对大气中的气溶胶和气体成分进行探测，其中对气溶胶的探测能够得到气溶胶粒子谱和气溶胶光学厚度等数据，对气体成分进行探测的目标包括o3、no2、so2、co2和ch4等，探测对象多样，可以大幅简化大气探测的过程，并且降低探测成本，此外，本发明还具有太阳精确跟踪功能、雨天感应功能，从而实现无需人工参与的自动观测，进一降低大气探测过程的复杂度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。