探空方法，采用扣除起伏信号与电子学噪声 的方法，参见图2。图2给出了 0)2强吸收通道采集时刻与调制信号关系示意图。对于参考 通道也是类似的操作。在调制信号频率为IHz情况下，在高电平0. 5s期间，延迟200ms等 红外辐射稳定后再进行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延时后进行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，?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= I A_H2(l(rIm(!与IK= I iddcrluMd，得到了 Is内扣除 起伏信号与电子学等噪声表征大气〇)2浓度信号的数据，从而高的探测精度。
[0044] 采用分时工作的方式避免了数据发射机对大气0)2测量电路的影响，参见图3。CO 2 测量电路在光源调制信号的高低电平期间分别按照附图2的状况进行采集，在CO2测量电 路进行数据采集时，如图3 (a)，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（如图3(b))给数据发射机，数据发射机收到该脉冲信号后，发射机开始工作 实现数据发射（如图3 (c))，数据发射完毕，发射机停止工作，等待下一发射同步脉冲信号， CO2测量电路与数据发射机分时工作，使得数据传输误码率降低到KT 4以下。
[0045] 采用的浓度计算方法，大气(：02的等效吸收度为= l-f 其中s无 量纲，在等效吸收截面σ?与气室长度L 一定的情况下，S与大气环境中CO2的浓度c成正 比，1<=^为一常数，可通过在光学气室中通入零气时强吸收通道I cia和参考通道输出信号 1OA Ic*计算得到；因此，通过强吸收通道信号I &与参考通道信号I斤卩可计算出等效吸收度，从 而拟合出大气(：02浓度值。
[0046] 通过HITRAN数据以及实测的温度压强数据计算不同高度上大气CO2的吸收截面， 及其等效吸收截面进而对探测结果进行修正。
[0047] 通过实验的方法推算装置的探测精度，参见图4。在调制光源信号的低电平期间测 量200次得到强吸收通道和参考通道的信号累加和分别为Ig 2citl, Iu2w，由于此时光源无电 流流过，即无光照射到探测器端，此时由于实际系统存在各种噪声，此时计算得到的等效吸 收度S = 1 - /C (如图4的a段）会在零值附近抖动，这个抖动称为装置的固有噪声， R_L2m 该噪声决定了装置的精度，设此时等效吸收度S的标准差为Λ δ ;在调制光源信号的高、低 电平期间分别测量200次，并得出强吸收通道和参考通道的信号净变化后计算此时等效吸 收度S = 1 -足腿)-^―/,2()〇 (如图4的b段），此时S的相对调制信号在低电平期间计算 结果的变化量设为δ，则在假定等效吸收截面和光学气室L不变的情况下大气CO2浓度 AR 的相对误差为7 ;在探空设备发送数据时间分辨率为2s的条件下，计算得到相对误差为 ? 0. 29%，假设大气环境实际的CO2含量为400ppm情况下，则系统对于大气CO 2的测量精度为 L 16ppm〇
[0048] 本发明中，大气0)2测量单元1中的数据采集与控制电路板18上电之后，数据采 集与控制电路板18上的单片机进行系统初始化，单片机定时器产生定时器A中断，产生占 空比为50 %，频率为IHz的PWM驱动数据采集与控制电路板18上光源驱动电路，数据采集 与控制电路板18上光源驱动电路产生幅值为6V、空比为50%，频率为IHz的电压信号驱 动红外光源15,红外光源15在驱动电压的作用下，产生红外辐射，红外辐射光与经过过滤 器12、气泵13、流量计14抽运到光学气室16的气体产生相互作用，经过大气0) 2吸收后， 剩余的光强照射到双端红外探测器17,红外探测器17的其中一个通道对应大气CO2强吸收 (4. 26 μ m)通道，另一通道（3. 91 μ m)起到参考和补偿的作用。红外探测器17输出的微弱信 号经数据采集与控制电路板18上放大与滤波电路高倍放大、滤波之后，被数据采集与控制 电路板18上的单片机在延迟调制信号一段时间后由单片机内置的12位AD进行数据转换， 两个通道分别在PWM调制信号的高、低电平期间采集200次，并将200次的采集数据进行累 加，记I A_H2(?为强吸收通道在调制信号高电平采集的信号累加和，I U2tltl为强吸收通道在调 制信号低电平采集的信号累加和，Ικ__为参考通道在调制信号高电平采集的信号累加和， 为参考通道在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18上的单 片机对上述四个累加和进行做差，得到Ia= Iimcicrlmcici与Ir= 通过数据米 集与控制电路板18上的单片机将14与I κ传送给数据发射单元2中的数据发射电路板23， 数据采集与控制电路板18上的单片机同时产生一发射同步信号给数据发射单元2中的数 据发射电路板23,数据发射单元2中的数据发射电路板23接收到该信号后，将融合对应空 间上的GPS定位信号、温湿压气象参数及表征大气CO 2浓度信号后经FSK调制、功率放大发 射到地面。地面接收单元3的接收机32负责对接收的数据进行解调并转换，通过USB传送 到地面接收单元3的终端计算机31，地面接收单元3的终端计算机31实现大气CO 2浓度的 存储与反演、显示等功能。图5为本装置在地面上探测结果与进口 LI-COR 1^175000)2分析 仪对比图。本装置不仅能获得对应高度上大气CO2的浓度信号，还包括了大气气象参数，以 及通过GPS位置信号还可以计算出相应空间高度上的风速风向，具有重要的科学及研宄、 应用价值。
[0049] 显然本领域的技术人员可以对本发明的一种探测高精度大气0)2垂直廓线的探空 装置及方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些 修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动 和变型在内。
【主权项】
1. 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CO2测量单 元、数据发射单元、数据接收单元，其中： 大气C〇2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