一种气体浓度空间垂直分布遥测系统及方法技术方案

一种气体浓度空间垂直分布遥测系统，包括：收发一体式气体遥测模块和综控电路模块，其中：气体遥测模块，包括激光发射部件和激光接收部件，用于探测气体的吸收光谱；综控电路模块，用于对气体遥测模块的激光发射部件进行驱动；并对激光接收部件产生的光电信号进行处理，解算出气体浓度的分布数据。该装置通过主动发射激光并对反射回来的激光进行接收分析，得到气体在不同高度的浓度分布。其系统集成度高，易于安装挂载，能够同时获得多种气体的空间垂直浓度分布，应用前景广泛。应用前景广泛。应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种气体浓度空间垂直分布遥测系统及方法


[0001]本专利技术涉及温室气体遥测领域，特别涉及一种气体浓度空间垂直分布遥测系统及方法。

技术介绍

[0002]以全球变暖为主要特征的气候变化已成为全球性环境问题，对全球可持续发展带来严峻挑战。二氧化碳和甲烷减排是控制全球增温最核心的手段，传统的人为碳排放计算主要依赖于在线监测和清单算法，2019年第49届IPCC全会明确了利用大气观测通过“自上而下”通量计算对排放清单进行支撑和验证，因此急需一种机载CO2和CH4高灵敏遥测系统，来获得目标区域的二氧化碳和甲烷浓度空间分布以及季节变化特征，为城市温室气体监测数据交换和科学研究服务，根据实际需求灵活性开展遥感走航监测工作。
[0003]现有机载气体探测技术主要有利用光栅光谱仪的被动污染气体探测技术、无人机搭载点式有毒有害气体探测方法、机载激光大气CO2柱浓度主动遥测技术等相关技术。其中如文献《一种无人机载污染气体分布检测装置》(专利技术申请号CN201911369114.2)带光栅光谱仪的被动污染气体探测系统结构复杂，体积较大且探测受到太阳光的约束，晚上不能进行探测。如文献《基于多旋翼无人机平台的有毒有害气体探测系统》(专利技术申请号201611187300.0)无人机搭载点式有毒有害气体探测方法探测到的是无人机飞过的轨迹上的气体浓度，无法遥测气体浓度。如文献《机载激光大气CO2柱浓度主动遥测系统》(专利技术授权CN201510855070.X)机载激光大气CO2柱浓度主动遥测技术不受太阳光的约束，也实现了气体遥测，但只能遥测CO2柱浓度，可探测的气体单一，并且得不到气体的空间垂直分布。

技术实现思路

[0004]本公开提供一种气体浓度空间垂直分布遥测系统，能够搭载在无人机或有人机上，以主动发射激光的方式，能给同时探测多种气体的空间垂直分布，进而获得目标区域气体浓度空间分布以及季节变化特征，为城市温室气体监测数据交换和科学研究服务。
[0005]本公开提供的气体浓度空间垂直分布遥测系统，包括：收发一体式气体遥测模块和综控电路模块，其中：
[0006]所述气体遥测模块，包括激光发射部件和激光接收部件，用于探测气体的吸收光谱；
[0007]综控电路模块，用于对所述气体遥测模块的激光发射部件进行驱动；并对激光接收部件产生的光电信号进行处理，解算出气体浓度的分布数据。
[0008]进一步的，所述气体遥测模块的激光发射和接收部件工作于2004nm波段或1654nm波段。
[0009]进一步的，所述遥测系统包括两个并列放置的所述气体遥测模块，一个模块工作于2004nm波段，另一个工作于1654nm波段。
[0010]进一步的，用于激光发射的激光器(1)，准直器(2)；用于指示照射方向的指示红光
激光器(3)；以及用于激光探测接收的平凸透镜(4)，窄带滤光片(5)，光电探测器(6)。
[0011]进一步的，所述光电探测器(6)采用定制探测器，其中封装有高浓度标准气体，气体的种类与待测气体一致，用于激光器中心波长的监测和锁定。
[0012]进一步的，所述综控电路模块包括：主控子模块，激光器驱动子模块，以及信号接收子模块，其中：
[0013]信号接收子模块，用于对所述光电探测器输出的光电信号进行滤波、降噪、自动增益调节并传输至主控子模块；
[0014]主控子模块，用于生成激光扫描信号，经DAC(Digital to Analog Convertor)加载到激光器驱动模块上，进而驱动所述激光器发射激光；以及对接收到的信号进行数据采集，预处理以及气体浓度解算。
[0015]进一步的，所述主控子模块还用于：获取载体平台的位置和高度信息，以及将相关数据传输至存储设备。
[0016]一种应用上述遥测系统的气体浓度空间垂直分布探测方法，包括以下步骤：
[0017]综控电路模块的主控MCU芯片生成激光器扫描波形，产生一定频率的锯齿波，加到激光器驱动模块上，激光器在驱动模块的电流驱动下输出激光，输出的激光波长在中心波长附近周期性变化；
[0018]软启动激光器，根据探测器里封装的气体对激光器波长进行校准，待激光器波长稳定之后开始数据采集；
[0019]对接收到的信号实时调节增益，待光谱信号幅值合适时，对采集到的直接吸收光谱信号进行包括扣除背景、多项式拟合、提取吸收信号在内的预处理，然后根据同时获得的各个吸收峰的特征波长处的吸收以及大气温度廓线进行气体浓度空间垂直分布解算；
[0020]将气体浓度空间垂直分布数据以及相关的海拔高度和时间信息按一定时间间隔存入外部存储设备。
[0021]进一步的，所述锯齿波的频率为1khz。
[0022]进一步的，还包括每隔一定时间对激光器波长进行修正的步骤。
[0023]本公开提供的遥测系统，通过主动对地发射激光并对反射回来的激光进行接收，分析得到激光路径上不同高度的气体浓度分布。与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)系统集成度高，采用收发一体式光学结构，结构紧凑，体积小于2升，重量小于3kg，功耗小于200mW，易于安装挂载，适于外场实验和飞行实验；(2)能够同时获得主要温室气体CO2和CH4的空间垂直浓度分布，而不是柱浓度或者轨迹浓度，且探测不受太阳光的限制和影响；(3)采用嵌入式系统，可以直接在主控芯片上解算出气体垂直分布，并可以存储，响应时间快；(5)带自动增益调节和波长锁定功能，大大提高了系统稳定性；(6)应用前景广泛。
附图说明
[0024]通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0025]图1为根据本公开的一种示例性实施例总体结构示意图；
[0026]图2为根据示例性实施例的综控电路模块结构示意图；
[0027]图3为示例性气体遥测模块结构示意图；
[0028]图4为根据本公开的示例性遥测过程流程图。
具体实施方式
[0029]下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0030]本公开提供了一种气体浓度空间垂直分布遥测系统，包括：收发一体式气体遥测模块和综控电路模块，其中：气体遥测模块，包括激光发射部件和激光接收部件，用于探测气体的吸收光谱；综控电路模块，用于对气体遥测模块的激光发射部件进行驱动；并对激光接收部件产生的光电信号进行处理，解算出气体浓度的分布数据。
[0031]根据本公开的一种机载CO2和CH4空间垂直分布的遥测系统，如附图1所示。该系统主要由两个并列的收发一体式气体遥测模块和综控电路模块组成。
[0032](1)这两个气体遥测模块分别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体浓度空间垂直分布遥测系统，其特征在于，包括：收发一体式气体遥测模块和综控电路模块，其中：所述气体遥测模块，包括激光发射部件和激光接收部件，用于探测气体的吸收光谱；综控电路模块，用于对所述气体遥测模块的激光发射部件进行驱动；并对激光接收部件产生的光电信号进行处理，解算出气体浓度的分布数据。2.根据权利要求1所述的遥测系统，其特征在于，所述气体遥测模块的激光发射和接收部件工作于2004nm波段或1654nm波段。3.根据权利要求1或2所述的遥测系统，其特征在于，所述遥测系统包括两个并列放置的所述气体遥测模块，一个模块工作于2004nm波段，另一个工作于1654nm波段。4.根据权利要求1所述的遥测系统，其特征在于，所述气体遥测模块包括：用于激光发射的激光器(1)，准直器(2)；用于指示照射方向的指示红光激光器(3)；以及用于激光探测接收的平凸透镜(4)，窄带滤光片(5)，光电探测器(6)。5.根据权利要求4所述的遥测系统，其特征在于，所述光电探测器(6)采用定制探测器，其中封装有高浓度标准气体，气体的种类与待测气体一致，用于激光器中心波长的监测和锁定。6.根据权利要求4所述的遥测系统，其特征在于，所述综控电路模块包括：主控子模块，激光器驱动子模块，以及信号接收子模块，其中：信号接收子模块，用于对所述光电探测器输出的光电信号进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玖英，腾格尔，周梅，贺文静，张慧静，吴昊昊，陈林生，李传荣，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：