垂直廓线的探空装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大气环境监测与遥感领域，具体是一种探测高精度大气〇)2垂直廓线 的探空装置及方法。
【背景技术】
[0002] 大气〇)2是一种温室气体，在辐射强迫、气候变化等领域扮演着重要角色。目前大 气〇) 2垂直廓线的探测手段主要有卫星遥感、航空遥感、激光雷达及探空气球等。采用气象 探空气球作为载体搭载高性能〇) 2传感器探测大气CO 2的垂直廓线具有其他探测手段无法 达到的优点，比如高精度、高分辨率、无盲区（无过渡区）等。大气CO 2高分辨率垂直分布 (廓线）数据及其变化特征，对污染物扩散规律与输运路径、卫星对地遥感以及空间技术等 国家安全战略高技术发展研宄具有十分重要的价值。同时大气〇) 2空间分布是大气气候变 化研宄（如气候模式与模拟研宄）、环境变化评估的基础数据。目前对大气CO2的源汇分布 及其时空变化的理解还存在重大的不确定性，研宄CO 2的源与汇以及碳浓度的变化趋势要 求高的探测精度。中国作为世界气象组织成员国中的一个气象大国，在垂直空间探测领域 对自主知识产权的仪器与装备具有很大的需求，但我们国家在此类探测仪器与装备的核心 技术（包括观测方法和算法）研宄方面与世界发达国家相比还存在很大差距。
[0003] 目前，探测高精度大气〇)2垂直廓线的探空装置及方法研宄较少，所报道的系统或 者结构比较复杂、或者价格比较昂贵，或者获得的探测精度还比较低。本发明要解决的技术 问题为克服现有技术中的不足之处，提出一种实用性强、智能化程度高、使用方便的用于大 气CO 2垂直廓线探测的系统及其方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种探测高精度大气CO2垂直廓线的探空装置及方法，能够 实现大气CO 2的测量，以解决现有技术中测量精度低、成本高、体积大等问题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 一种探测高精度大气CO2垂直廓线的探空装置，其特征在于：包括大气CO 2测量单 元、数据发射单元、数据接收单元，其中：
[0007] 大气CO2测量单元包括圆柱形不锈钢管结构的光学气室、由单片机构建的数据采 集与控制电路板、过滤器、气泵、流量计、锂电池组，光学气室内一端设置有红外光源，光学 气室内另一端设置有双通道红外探测器，光学气室设置有双通道红外探测器的一端还设置 有出气口，光学气室设置有红外光源的一端还设置有进气口，所述气泵进气口通过过滤器 与外部气源连接，气泵出气口与流量计进气口连接，流量计出气口与光学气室进气口连接， 所述数据采集与控制电路板通过光源驱动电路与光学气室内红外光源连接以发送驱动信 号，数据采集与控制电路板通过放大滤波电路与光学气室内双通道红外探测器连接，数据 采集与控制电路板还与数据发射单元通讯连接，所述锂电池组供电至大气〇) 2测量单元、数 据发射单元；
[0008] 数据发射单元包括发射电路板，发射电路板上接入有GPS模块、温湿压模块、发射 天线，大气CO 2测量单元中数据采集与控制电路板与发射电路板通讯连接；
[0009] 数据接收单元包括计算机、接入计算机的接收机、接入接收机的接收天线，数据接 收单元的计算机通过接收机、接收天线与数据发射单元通讯连接。
[0010] 所述的一种探测高精度大气CO2垂直廓线的探空装置，其特征在于：大气CO 2测量 单元中，光学气室内红外光源工作在脉冲调制方式下，工作电压在5. 7V~6. 3V之间；
[0011] 光学气室内双通道红外探测器上不同通道装有中心波长不同的滤光片，其中滤光 片中心波长为4. 26 μ m对应CO2的强吸收通道，另一通道滤光片中心波长为3. 91 μ m作为 参考通道，大气〇)2气体在此波段不吸收；
[0012] 放大滤波电路对双通道探测输出的微弱信号进行放大、滤波，放大倍数为104~ IO 5量级；
[0013] 光源驱动电路产生频率为IHz、幅值为6V、占空比为50 %的脉冲方波驱动红外光 源；
[0014] 数据采集与控制电路板由超低功耗单片机MSP430F149构建而成，且单片机 MSP430F149的P6. 4、P6. 5管脚分别--对应连接经放大滤波后的CO2强吸收通道和参考通 道，单片机MSP430F149的P5. 4脚接光源驱动电路的触发端，单片机的P3. 4脚数据输出端 与数据发射单元的发射电路板连接，单片机MSP430F149的定时器A产生定时0. 5s产生中 断，产生频率为18、占空比为50%的？丽信号，单片机1〇343(^149采用内置12位模数转换 器实现两个通道的数据采集，且采样模式采用序列通道单次转换模式。
[0015] 所述的一种探测高精度大气CO2垂直廓线的探空装置，其特征在于：数据发射单元 中，温湿压模块用于测量所处环境中的气象参数，温度传感器采用热敏电阻，气压传感器采 用硅压组模块，湿度传感器采用湿敏电容模块；
[0016] GPS模块用于接收GPS卫星信号，实时确定出探空装置所处位置的三维坐标；
[0017] 发射电路板对GPS模块接收到的定位信号、温湿压模块测量的气象参数以及大气 CO2测量单元测量的大气CO 2浓度信号转换成统一的二进制码格式以便于传输，发射电路板 对转换成统一编码的二进制码数据进行FSK调制和功率放大，保证向数据发射单元的发射 天线输送的射频功率达到150~200mW。
[0018] 所述的一种探测高精度大气CO2垂直廓线的探空装置，其特征在于：数据接收单 元中，计算机负责数据的存储与反演、显示；接收机实现对接收的二进制码数据进行FSK解 调、接收机内部的整形电路还原出TTL电平的二进制码，由接收机内部的微控制器完成数 据转换以9600波特率的速率经USB 口送往终端计算机。
[0019] 一种探测高精度大气CO2垂直廓线的探空方法，其特征在于：采用扣除起伏信号与 电子学等噪声的方法，在调制信号频率为IHz情况下，在高电平0. 5s期间，延迟200ms后再 对两个通道进行AD转换，对两个通道各采样200次并暂存累加，记Ia H2TOS CO 2强吸收通道 在PWM调制信号高电平采集的信号累加和，Ik h2cici为参考通道在PWM调制信号高电平采集的 信号累加和；在低电平期间〇. 5s，同样进行200ms的延时后对两个通道进行AD转换，对两 个通道各采样200次并暂存累加，记1^2(|(|为CO 2强吸收通道在PWM调制信号低电平采集的 信号累加和，Iu2m为参考通道在PWM调制信号低电平采集的信号累加和；数据采集与控制 电路板对上述四个累加和进行做差，得到I a= Ια_ΗΜ(γΙιι2。。与In= IiuiMcrliu^。。，得到了 Is 内扣除起伏信号与电子学等噪声表征大气CO2浓度信号的数据。
[0020] 所述的探测高精度大气CO2垂直廓线的探空方法，其特征在于：采用分时工作的方 式避免了数据发射机对大气〇)2测量电路的影响，在CO 2测量电路进行数据采集时，数据发 射机停止工作，CO2测量电路采集完毕后，产生一发射同步脉冲信号