垂直廓線的探空裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與遙感領(lǐng)域，具體是一種探測(cè)高精度大氣〇)2垂直廓線 的探空裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣〇)2是一種溫室氣體，在輻射強(qiáng)迫、氣候變化等領(lǐng)域扮演著重要角色。目前大 氣〇) 2垂直廓線的探測(cè)手段主要有衛(wèi)星遙感、航空遙感、激光雷達(dá)及探空氣球等。采用氣象 探空氣球作為載體搭載高性能〇) 2傳感器探測(cè)大氣CO 2的垂直廓線具有其他探測(cè)手段無(wú)法 達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，比如高精度、高分辨率、無(wú)盲區(qū)（無(wú)過(guò)渡區(qū)）等。大氣CO 2高分辨率垂直分布 (廓線）數(shù)據(jù)及其變化特征，對(duì)污染物擴(kuò)散規(guī)律與輸運(yùn)路徑、衛(wèi)星對(duì)地遙感以及空間技術(shù)等 國(guó)家安全戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展研宄具有十分重要的價(jià)值。同時(shí)大氣〇) 2空間分布是大氣氣候變 化研宄（如氣候模式與模擬研宄）、環(huán)境變化評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前對(duì)大氣CO2的源匯分布 及其時(shí)空變化的理解還存在重大的不確定性，研宄CO 2的源與匯以及碳濃度的變化趨勢(shì)要 求高的探測(cè)精度。中國(guó)作為世界氣象組織成員國(guó)中的一個(gè)氣象大國(guó)，在垂直空間探測(cè)領(lǐng)域 對(duì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儀器與裝備具有很大的需求，但我們國(guó)家在此類(lèi)探測(cè)儀器與裝備的核心 技術(shù)（包括觀測(cè)方法和算法）研宄方面與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在很大差距。
[0003] 目前，探測(cè)高精度大氣〇)2垂直廓線的探空裝置及方法研宄較少，所報(bào)道的系統(tǒng)或 者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、或者價(jià)格比較昂貴，或者獲得的探測(cè)精度還比較低。本發(fā)明要解決的技術(shù) 問(wèn)題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提出一種實(shí)用性強(qiáng)、智能化程度高、使用方便的用于大 氣CO 2垂直廓線探測(cè)的系統(tǒng)及其方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空裝置及方法，能夠 實(shí)現(xiàn)大氣CO 2的測(cè)量，以解決現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量精度低、成本高、體積大等問(wèn)題。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空裝置，其特征在于：包括大氣CO 2測(cè)量單 元、數(shù)據(jù)發(fā)射單元、數(shù)據(jù)接收單元，其中：
[0007] 大氣CO2測(cè)量單元包括圓柱形不銹鋼管結(jié)構(gòu)的光學(xué)氣室、由單片機(jī)構(gòu)建的數(shù)據(jù)采 集與控制電路板、過(guò)濾器、氣泵、流量計(jì)、鋰電池組，光學(xué)氣室內(nèi)一端設(shè)置有紅外光源，光學(xué) 氣室內(nèi)另一端設(shè)置有雙通道紅外探測(cè)器，光學(xué)氣室設(shè)置有雙通道紅外探測(cè)器的一端還設(shè)置 有出氣口，光學(xué)氣室設(shè)置有紅外光源的一端還設(shè)置有進(jìn)氣口，所述氣泵進(jìn)氣口通過(guò)過(guò)濾器 與外部氣源連接，氣泵出氣口與流量計(jì)進(jìn)氣口連接，流量計(jì)出氣口與光學(xué)氣室進(jìn)氣口連接， 所述數(shù)據(jù)采集與控制電路板通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路與光學(xué)氣室內(nèi)紅外光源連接以發(fā)送驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，數(shù)據(jù)采集與控制電路板通過(guò)放大濾波電路與光學(xué)氣室內(nèi)雙通道紅外探測(cè)器連接，數(shù)據(jù) 采集與控制電路板還與數(shù)據(jù)發(fā)射單元通訊連接，所述鋰電池組供電至大氣〇) 2測(cè)量單元、數(shù) 據(jù)發(fā)射單元；
[0008] 數(shù)據(jù)發(fā)射單元包括發(fā)射電路板，發(fā)射電路板上接入有GPS模塊、溫濕壓模塊、發(fā)射 天線，大氣CO 2測(cè)量單元中數(shù)據(jù)采集與控制電路板與發(fā)射電路板通訊連接；
[0009] 數(shù)據(jù)接收單元包括計(jì)算機(jī)、接入計(jì)算機(jī)的接收機(jī)、接入接收機(jī)的接收天線，數(shù)據(jù)接 收單元的計(jì)算機(jī)通過(guò)接收機(jī)、接收天線與數(shù)據(jù)發(fā)射單元通訊連接。
[0010] 所述的一種探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空裝置，其特征在于：大氣CO 2測(cè)量 單元中，光學(xué)氣室內(nèi)紅外光源工作在脈沖調(diào)制方式下，工作電壓在5. 7V~6. 3V之間；
[0011] 光學(xué)氣室內(nèi)雙通道紅外探測(cè)器上不同通道裝有中心波長(zhǎng)不同的濾光片，其中濾光 片中心波長(zhǎng)為4. 26 μ m對(duì)應(yīng)CO2的強(qiáng)吸收通道，另一通道濾光片中心波長(zhǎng)為3. 91 μ m作為 參考通道，大氣〇)2氣體在此波段不吸收；
[0012] 放大濾波電路對(duì)雙通道探測(cè)輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，放大倍數(shù)為104~ IO 5量級(jí)；
[0013] 光源驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生頻率為IHz、幅值為6V、占空比為50 %的脈沖方波驅(qū)動(dòng)紅外光 源；
[0014] 數(shù)據(jù)采集與控制電路板由超低功耗單片機(jī)MSP430F149構(gòu)建而成，且單片機(jī) MSP430F149的P6. 4、P6. 5管腳分別--對(duì)應(yīng)連接經(jīng)放大濾波后的CO2強(qiáng)吸收通道和參考通 道，單片機(jī)MSP430F149的P5. 4腳接光源驅(qū)動(dòng)電路的觸發(fā)端，單片機(jī)的P3. 4腳數(shù)據(jù)輸出端 與數(shù)據(jù)發(fā)射單元的發(fā)射電路板連接，單片機(jī)MSP430F149的定時(shí)器A產(chǎn)生定時(shí)0. 5s產(chǎn)生中 斷，產(chǎn)生頻率為18、占空比為50%的？麗信號(hào)，單片機(jī)1〇343(^149采用內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換 器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集，且采樣模式采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式。
[0015] 所述的一種探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空裝置，其特征在于：數(shù)據(jù)發(fā)射單元 中，溫濕壓模塊用于測(cè)量所處環(huán)境中的氣象參數(shù)，溫度傳感器采用熱敏電阻，氣壓傳感器采 用硅壓組模塊，濕度傳感器采用濕敏電容模塊；
[0016] GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)時(shí)確定出探空裝置所處位置的三維坐標(biāo)；
[0017] 發(fā)射電路板對(duì)GPS模塊接收到的定位信號(hào)、溫濕壓模塊測(cè)量的氣象參數(shù)以及大氣 CO2測(cè)量單元測(cè)量的大氣CO 2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的二進(jìn)制碼格式以便于傳輸，發(fā)射電路板 對(duì)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一編碼的二進(jìn)制碼數(shù)據(jù)進(jìn)行FSK調(diào)制和功率放大，保證向數(shù)據(jù)發(fā)射單元的發(fā)射 天線輸送的射頻功率達(dá)到150~200mW。
[0018] 所述的一種探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空裝置，其特征在于：數(shù)據(jù)接收單 元中，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與反演、顯示；接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的二進(jìn)制碼數(shù)據(jù)進(jìn)行FSK解 調(diào)、接收機(jī)內(nèi)部的整形電路還原出TTL電平的二進(jìn)制碼，由接收機(jī)內(nèi)部的微控制器完成數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換以9600波特率的速率經(jīng)USB 口送往終端計(jì)算機(jī)。
[0019] 一種探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空方法，其特征在于：采用扣除起伏信號(hào)與 電子學(xué)等噪聲的方法，在調(diào)制信號(hào)頻率為IHz情況下，在高電平0. 5s期間，延遲200ms后再 對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)兩個(gè)通道各采樣200次并暫存累加，記Ia H2TOS CO 2強(qiáng)吸收通道 在PWM調(diào)制信號(hào)高電平采集的信號(hào)累加和，Ik h2cici為參考通道在PWM調(diào)制信號(hào)高電平采集的 信號(hào)累加和；在低電平期間〇. 5s，同樣進(jìn)行200ms的延時(shí)后對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)兩 個(gè)通道各采樣200次并暫存累加，記1^2(|(|為CO 2強(qiáng)吸收通道在PWM調(diào)制信號(hào)低電平采集的 信號(hào)累加和，Iu2m為參考通道在PWM調(diào)制信號(hào)低電平采集的信號(hào)累加和；數(shù)據(jù)采集與控制 電路板對(duì)上述四個(gè)累加和進(jìn)行做差，得到I a= Ια_ΗΜ(γΙιι2。。與In= IiuiMcrliu^。。，得到了 Is 內(nèi)扣除起伏信號(hào)與電子學(xué)等噪聲表征大氣CO2濃度信號(hào)的數(shù)據(jù)。
[0020] 所述的探測(cè)高精度大氣CO2垂直廓線的探空方法，其特征在于：采用分時(shí)工作的方 式避免了數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)對(duì)大氣〇)2測(cè)量電路的影響，在CO 2測(cè)量電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā) 射機(jī)停止工作，CO2測(cè)量電路采集完畢后，產(chǎn)生一發(fā)射同步脈沖信號(hào)