可同时记录天空状况的多轴被动差分吸收光谱测量系统

摘要

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种可同时记录天空状况的多轴被动差分吸收光谱测量系统，包括：旋转平台、望远镜、摄像头、中轴、光谱仪、计算机；其中，望远镜和摄像头分别与中轴垂直连接，且望远镜和摄像头两者的中心线平行；望远镜用于汇聚太阳散射光信号，并将信号送入光谱仪，经光谱仪分光后得到相应的光谱图，光谱图输入计算机；摄像头用于拍摄天空云层图片，并把图片输入计算机；计算机通过控制旋转平台控制中轴的旋转角度，从而控制望远镜和摄像头同时获取任意角度下的光谱信号和天空云层状况；计算机将光谱信息解析后得到对流层中痕量污染物的柱浓度，结合所拍摄的天空云层图片，获取在云层干扰小的情况下污染物垂直分布信息。

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种可同时记录天空状况的多轴被动差分吸收光谱测量系统。

背景技术

大气环境问题在近几十年来一直备受瞩目，人们越来越关注对大气痕量气体时空分布的研究，这些痕量气体对人体健康（如NO₂、SO₂、HCHO）、大气氧化能力（如O₃、OH、HONO）和二次有机气溶胶的形成（如CHOCHO）有着显著的影响，其在大气中的浓度成为许多科研机构迫切需要的数据。现在的测量技术主要以传统的化学点式测量、质谱和光谱法为主，后两者与化学点式测量相比较，具有实时在线、快速以及多组分测量等特点；而质谱法的真空环境对机械结构要求较高，因此光谱法以其简单的机械结构和快速实时在线测量等优势成为了当前热门的大气测量方法之一。

使用人工光源的主动式差分吸收光谱系统仅能对地表某一段距离下的痕量气体组分浓度进行测量，而以太阳光作为光源的被动差分吸收光谱能够通过接收经过大气后散射的太阳光获取整个大气层中痕量气体的平均柱浓度。被动差分吸收光谱系统不需要人工光源和角反射器，结构更为简单。通过多个低角度俯仰角的观测，能够对对流层中的痕量气体进行更为准确的测量。

由于被动差分吸收光谱系统以接收太阳散射光来获取痕量气体的吸收光谱信号，因此当望远镜朝向有云层的天空时，其测量结果将会产生很大的误差，传统常规的被动差分吸收光谱系统不能将这一情况实时记录，对于后续观测结果的筛选缺乏依据。本发明添加了一组与接收望远镜同视场的摄像头，并随着望远镜的俯仰角同步旋转，实时记录天空中云层情况，作为后续观测结果筛选的有效依据。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的缺陷，提供一种可以同时记录天空状况的多轴被动差分吸收光谱测量系统，同步保存望远镜不同观测角度下的天空状况，为最终分析后的结果进行精确筛选。

本发明提供的可同时记录天空状况的多轴被动差分吸收光谱测量系统，主要包括：旋转平台、望远镜、摄像头、中轴、光谱仪、计算机；其中，望远镜和摄像头分别与中轴垂直连接，且望远镜和摄像头两者保持平行；望远镜用于汇聚太阳散射光信号，并将信号送入光谱仪，经光谱仪分光后得到相应的光谱图，并输入计算机；摄像头用于拍摄天空云层图片，并把图片输入计算机；计算机与旋转平台连接并控制旋转平台旋转角度；旋转平台与中轴连接，用于控制中轴的旋转角度，从而控制望远镜和摄像头同时获取任意角度下的光谱信号和天空云层状况；计算机将光谱信息解析后得到对流层中痕量污染物的柱浓度，结合所拍摄的天空云层图片，对分析结果进行筛选，获取在云层干扰小的情况下污染物垂直分布信息。

本发明中，所述旋转平台由计算机控制旋转到任意角度，转动范围为0至360度，最小旋转角度为0.005度，能够精确且快速地旋转到预设的角度。

本发明中，所述望远镜由石英凸透镜片、望远镜镜筒、密封法兰和光纤组成，其中，镜筒长度应与石英凸透镜片焦距相等；太阳散射光经过石英凸透镜汇聚到光纤入口处，使进入光谱仪的光强足够大，提高信噪比；石英凸透镜与镜筒上端使用防雨密封硅胶进行密封，保持凸透镜的牢固性，并能防止雨水渗入；镜筒下端使用O圈和密封法兰连接，法兰上装有光纤安装座，使用防雨密封硅胶进行密封连接。

本发明中，所述摄像头由石英玻璃片、摄像头镜筒、电子摄像机和密封法兰组成；石英玻璃片与摄像头镜筒上端连接，使用防雨密封硅胶进行密封，作为摄像头的窗口，防止雨水的渗入；电子摄像机与石英玻璃片平行放置并稳固安装，保证所拍摄的图片与摄像头视场相一致；摄像头镜筒下端也是使用O圈和密封法兰连接，法兰边缘留有一个小孔，用于放置电子摄像机数据线，可实现对电子摄像机的控制以及图片的传输。

本发明中，所述中轴分别与望远镜和摄像头垂直连接，并保证望远镜和摄像头两者的中心线平行，使摄像头和望远镜的视场一致。

本发明中，所述光谱仪内部自带有冷却装置，以减少CCD探测器的热噪音，这将极大降低了其对太阳散射光信号的干扰，提高了整个系统的信噪比；光谱仪放于室内，保证其工作温度相对稳定，获得稳定的光谱信息，保证测量精度。

本发明中，所述计算机中带有的旋转平台控制软件，能够精确控制望远镜和摄像头的俯仰角度，并将两者传输过来的太阳散射光吸收光谱和天空状况图片同步保存。

本发明与现有技术相比的优点在于：在望远镜以不同俯仰角接收太阳散射光的同时，记录了当前视场下天空的状态，云层的存在使得多轴被动差分吸收光谱系统的观测结果偏差较大，常规的系统仅对某一固定角度的天空状况进行记录，无法真实准确的反映出当前吸收光谱下的天空状态，不能作为后续筛选无效观测值的依据。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构示意图。

图2为本发明装置的外机结构示意图。

图中标号：1为防水铝盒，2为平台，3为旋转平台，4为固定座，5为限位支杆，6为望远镜，7为凸透镜，8为密封法兰，9为中轴，10为连接法兰，11为密封法兰，12为光纤，13为限位开关基座，14为支撑轴，15为石英玻璃，16为摄像头，17为密封法兰，18为密封法兰， 19为连接法兰，20为旋转平台防水罩，21为光谱仪，22为计算机，23为控制线，24为控制线，25为光谱信号传输线。

具体实施方式

如图1，2所示，本发明实施例中旋转平台3固定在固定座4上，并与中轴9连接；中轴9左侧通过连接法兰19与摄像头系统16相连接，摄像头使用石英玻璃15和密封法兰17进行密封；中轴右侧通过连接法兰10与望远镜系统6相连接，望远镜使用石英凸透镜7和密封法兰11密封；调节摄像头系统16和望远镜系统6的中心线平行；计算机22通过控制线23对旋转平台3旋转角度进行控制；将旋转平台3置于防水铝盒1中，在其与中轴9的连接处使用法兰8、18进行密封；整个旋转系统被放置在平台2上，并通过支撑轴14固定；

计算机22通过控制线23控制旋转平台3旋转至限位，即限位支杆5接触到限位开关基座13；反向调节旋转平台3，使望远镜6（或摄像头16）中心线水平，并将该旋转角度记录在软件设置中，以此作为该套系统0度俯仰角；将预设定的俯仰旋转角度填写在软件设置中，即可实现该套系统的多轴观测。

望远镜6（或摄像头16）按照计算机22设定的旋转角度到达指定角度后，望远镜6通过石英凸透镜7将太阳散射光汇聚到光纤12中，并由光谱仪21进行分光和光电转换，得到太阳散射光谱，并通过传输线25送入计算机22；与此同时，计算机22通过控制线24控制摄像头拍摄当前角度下的天空状况；太阳散射光谱与天空状况图保存在计算机22中，通过被动差分吸收光谱分析法获取观测值，结合天空状况图将其中有明显云层干扰的进行筛选。