Pm2.5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置及其探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置及探測(cè)方法，尤其是一種PM2. 5質(zhì) 量濃度的高度分布探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] PM2. 5是大氣中粒徑小于2. 5微米顆粒物的總稱，它們是大氣中氣溶膠的一個(gè)重 要組成部分，主要分布在近地面層。PM2. 5的比表面積較大，和粗顆粒物相比更容易富集有 毒物質(zhì)。由于它們對(duì)人體的危害較大，故已引起了廣泛的關(guān)注，如歐美國(guó)家已從20世紀(jì)90 年代開(kāi)始就開(kāi)展了對(duì)細(xì)顆粒物的采樣和監(jiān)測(cè)，美國(guó)于1997年也頒布了 PM2. 5質(zhì)量濃度的環(huán) 境標(biāo)準(zhǔn)：日平均值為65 μ g/m3,年平均值為15 μ g/m3。目前，人們?yōu)榱藴y(cè)量PM2. 5質(zhì)量濃度， 使用的儀器為顆粒物質(zhì)量探測(cè)儀，其探測(cè)原理主要有微量振蕩天平法和β射線吸收法。這 種儀器雖也能測(cè)得ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度，卻因其為原位探測(cè)式的，故只能布置在有限點(diǎn)進(jìn)行近 地面層的ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的測(cè)量，而無(wú)法對(duì)ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的高度分布進(jìn)行探測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 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，提供一種能對(duì)不同高度 上的ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定的ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置。
[0004] 本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題為提供一種上述ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探 測(cè)裝置的探測(cè)方法。
[0005] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案為：ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探 測(cè)裝置包括ΡΜ2. 5顆粒物探測(cè)儀，特別是，
[0006] 所述探測(cè)裝置由ΡΜ2. 5顆粒物探測(cè)儀和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)分別經(jīng)串行通信接 口或并行通信接口與數(shù)據(jù)處理器電連接組成，用于將ΡΜ2. 5顆粒物探測(cè)儀和CCD側(cè)向散射 激光雷達(dá)的輸出整合為ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的高度分布。
[0007] 作為ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0008] 優(yōu)選地，CXD側(cè)向散射激光雷達(dá)由與控制器電連接的激光器和C⑶相機(jī)組成，其中 的CCD相機(jī)位于激光雷達(dá)發(fā)射光束的側(cè)面。
[0009] 優(yōu)選地，串行通信接口為RS-232接口，或RS-422接口，或RS-485接口。
[0010] 優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理器為微型計(jì)算機(jī)，或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
[0011] 為解決本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，所采用的另一個(gè)技術(shù)方案為：上述ΡΜ2. 5質(zhì)量 濃度的高度分布探測(cè)裝置的探測(cè)方法包括由ΡΜ2. 5顆粒物探測(cè)儀獲得ΡΜ2. 5顆粒的質(zhì)量濃 度，特別是完成步驟如下：
[0012] 步驟1，先使ΡΜ2. 5顆粒物探測(cè)儀和CXD側(cè)向散射激光雷達(dá)于同一地點(diǎn)同時(shí)工作， 再將ΡΜ2. 5顆粒物探測(cè)儀測(cè)定的地面上的ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的 氣溶膠后向散射系數(shù)一起送往數(shù)據(jù)處理器；
[0013] 步驟2,由數(shù)據(jù)處理器先將地面上的ΡΜ2. 5質(zhì)量濃度除以地面上的氣溶膠后向散 射系數(shù)，得到比例系數(shù)，再由比例系數(shù)乘以CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的不同高度上的氣 溶膠后向散射系數(shù)，得到PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布。
[0014] 作為PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置的探測(cè)方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0015] 優(yōu)選地，CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的氣溶膠后向散射系數(shù)的過(guò)程為，
[0016] 過(guò)程1，先將C⑶側(cè)向散射激光雷達(dá)工作在大氣較均勻（晴好天氣、微風(fēng)情況下的 夜晚）時(shí)間段內(nèi)的水平方向上，選定散射角為179~180度處為參考點(diǎn)的氣溶膠比相函數(shù) 值和大氣分子比相函數(shù)值皆為1，再測(cè)得參考點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值，并認(rèn)定此值與 水平方向上各散射角處的氣溶膠后向散射系數(shù)值皆相等，之后，
[0017] 過(guò)程1. 1，將參考點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值和氣溶膠比相函數(shù)值與C⑶相機(jī) 各像素的偏角Θ、角寬度d Θ、C⑶相機(jī)和激光雷達(dá)發(fā)射光束的垂直距離D -起代入側(cè)向散 射激光雷達(dá)方程式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置，包括PM2. 5顆粒物探測(cè)儀（2)，其特征在 于： 所述探測(cè)裝置由PM2. 5顆粒物探測(cè)儀（2)和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)（1)分別經(jīng)串行通 信接口或并行通信接口與數(shù)據(jù)處理器（3)電連接組成，用于將PM2. 5顆粒物探測(cè)儀（2)和 CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)（1)的輸出整合為PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置，其特征是CCD側(cè)向散 射激光雷達(dá)（1)由與控制器（12)電連接的激光器（11)和CCD相機(jī)（13)組成，其中的CCD 相機(jī)（13)位于激光雷達(dá)發(fā)射光束（4)的側(cè)面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置，其特征是串行通信接 口為RS-232 接口，或RS-422 接口，或RS-485 接口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置，其特征是數(shù)據(jù)處理器 (3)為微型計(jì)算機(jī)，或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
5. -種權(quán)利要求1所述PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置的探測(cè)方法，包括由 PM2. 5顆粒物探測(cè)儀獲得PM2. 5顆粒的質(zhì)量濃度，其特征在于完成步驟如下： 步驟1，先使PM2. 5顆粒物探測(cè)儀和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)于同一地點(diǎn)同時(shí)工作，再將PM2. 5顆粒物探測(cè)儀測(cè)定的地面上的PM2. 5質(zhì)量濃度和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的氣溶 膠后向散射系數(shù)一起送往數(shù)據(jù)處理器； 步驟2,由數(shù)據(jù)處理器先將地面上的PM2. 5質(zhì)量濃度除W地面上的氣溶膠后向散射系 數(shù)，得到比例系數(shù)，再由比例系數(shù)乘WCCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的不同高度上的氣溶膠 后向散射系數(shù)，得到PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置的探測(cè)方法，其特征是 CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的氣溶膠后向散射系數(shù)的過(guò)程為， 過(guò)程1，先將CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)工作在大氣較均勻時(shí)間段內(nèi)的水平方向上，選定散 射角為179~180度處為參考點(diǎn)的氣溶膠比相函數(shù)值和大氣分子比相函數(shù)值皆為1，再測(cè)得 參考點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值，并認(rèn)定此值與水平方向上各散射角處的氣溶膠后向散 射系數(shù)值皆相等，之后， 過(guò)程1. 1，將參考點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值和氣溶膠比相函數(shù)值與CCD相機(jī)各像 素的偏角（0 )、角寬度（d0 )、CCD相機(jī)（13)和激光雷達(dá)發(fā)射光束（4)的垂直距離值）一 起代入側(cè)向散射激光雷達(dá)方程式j(luò)
中，方程中的P(0)為0偏角方 向上對(duì)應(yīng)像素接收到的信號(hào)強(qiáng)度，P。為激光雷達(dá)發(fā)射光束的功率，K為接收系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò) 率，A為光學(xué)系統(tǒng)的有效面積，Tt、Tf分別為激光豎直方向和斜方向上的透過(guò)率，0 (0)為氣 溶膠側(cè)向散射系數(shù)，其由M0) = 01(0化（0) + 0 2(9化（9)構(gòu)成，式中的01(0)為 氣溶膠后向散射系數(shù)、0 2( 0)為大氣分子后向散射系數(shù)、fi( 0)為氣溶膠比相函數(shù)、f2(e) 為大氣分子比相函數(shù)，按W下方法反演計(jì)算出參考點(diǎn)相鄰點(diǎn)上的氣溶膠比相函數(shù)值， 設(shè)參考點(diǎn)散射角為0。，氣溶膠后向散射系數(shù)為01(9。)，大氣的光學(xué)厚度為T(mén)。，取常 數(shù)
則帶衰減的側(cè)向散射激光雷達(dá)信號(hào)0 '( 0 )定義為
①， 理論上帶衰減的側(cè)向散射激光雷達(dá)信號(hào)的表達(dá)式為， 0 '(日）=[01(日m日）i+02(e)f2(e)]exp-(AT+Tc(l/c〇s(n-日）-1/ cosO-目c))+AT/cosO-目））d目 ②， 式中的AT為散射角從0。到0處的大氣垂直光學(xué)厚度，從參考點(diǎn)開(kāi)始，運(yùn)用數(shù)值算 法，擬合方程①式和②式，數(shù)值解出參考點(diǎn)相鄰點(diǎn)上的氣溶膠比相函數(shù)fl( 0。+(10)， 過(guò)程1. 2,將相鄰點(diǎn)作為新的參考點(diǎn)，向散射角變小的方向選取新的相鄰點(diǎn)，重復(fù)過(guò)程 1.1，數(shù)值解出新相鄰點(diǎn)上的氣溶膠比相函數(shù)fi(e。+(10 )，直至獲得探測(cè)范圍內(nèi)所有選定散 射角的氣溶膠比相函數(shù)值，得到氣溶膠比相函數(shù)fi(e)的廓線； 過(guò)程2,先將CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)工作在與水平面相垂直方向上，并認(rèn)定由過(guò)程1得 到的水平方向上的氣溶膠比相函數(shù)值與垂直方向上的相等，再選取探測(cè)高度0. 8~1. 5km 上的某處作為參考點(diǎn)，測(cè)得該點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值，之后， 過(guò)程2. 1，將參考點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值和氣溶膠比相函數(shù)值與CCD相機(jī)各像 素的偏角（0)、角寬度（d0)、CCD相機(jī)（13)和激光雷達(dá)發(fā)射光束（4)的垂直距離值）一 起代入側(cè)向散射激光雷達(dá)方程式
>I中，按W下方法反演計(jì)算出參考 點(diǎn)相鄰點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值， 設(shè)參考點(diǎn)散射角為0。，氣溶膠后向散射系數(shù)為01(9。)，大氣的光學(xué)厚度為T(mén)。，取常
數(shù) 則帶衰減的側(cè)向散射激光雷達(dá)信號(hào)0 '( 0 )定義為 ?
①， 理論上帶衰減的側(cè)向散射激光雷達(dá)信號(hào)的表達(dá)式為， 0 '(日）=[01(日m日）i+02(e)f2(e)]exp-(AT+Tc(l/c〇s(n-日）-1/ cosO-目c)) +AT/cosO-目））d目 ②， 式中的AT為散射角從0。到0處的大氣垂直光學(xué)厚度，從參考點(diǎn)開(kāi)始，運(yùn)用數(shù)值算 法，擬合方程①式和②式，數(shù)值解出參考點(diǎn)相鄰點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)01( 00)， 過(guò)程2. 2,將相鄰點(diǎn)作為新的參考點(diǎn)，先后向高處和低處兩個(gè)方向上選取新的相鄰點(diǎn)， 重復(fù)過(guò)程2. 1，數(shù)值解出新相鄰點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)0 1 ( 0t+d0 )，直至獲得探測(cè)范 圍內(nèi)所有選定高度上的氣溶膠后向散射系數(shù)值，得到氣溶膠后向散射系數(shù)01(0)的廓線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置的探測(cè)方法，其特征是 測(cè)得參考點(diǎn)上的氣溶膠后向散射系數(shù)值為使用后向散射激光雷達(dá)，或使用探空氣球。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的PM2. 5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置的探測(cè)方法，其特征是 水平方向上和垂直方向上各相鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)均為2000~4000個(gè)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種PM2.5質(zhì)量濃度的高度分布探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。裝置由PM2.5顆粒物探測(cè)儀(2)和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)(1)分別經(jīng)串行接口或并行接口與數(shù)據(jù)處理器(3)電連接組成；方法為先使PM2.5顆粒物探測(cè)儀和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)于同一地點(diǎn)同時(shí)工作，再將PM2.5顆粒物探測(cè)儀測(cè)定的地面上的PM2.5質(zhì)量濃度和CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)反演的氣溶膠后向散射系數(shù)一起送往數(shù)據(jù)處理器，之后，由數(shù)據(jù)處理器先將地面上的PM2.5質(zhì)量濃度除以地面上的氣溶膠后向散射系數(shù)，得到比例系數(shù)，再由比例系數(shù)乘以不同高度上的氣溶膠后向散射系數(shù)，得到PM2.5質(zhì)量濃度的高度分布。它能方便地對(duì)不同高度上的PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定，可廣泛地應(yīng)用于研究污染物擴(kuò)散規(guī)律、環(huán)境評(píng)估、預(yù)報(bào)及治理等領(lǐng)域。
【IPC分類(lèi)】G01N15-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104792672
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510137035
【發(fā)明人】陶宗明, 麻曉敏, 張清澤, 趙素貴, 單會(huì)會(huì), 張輝, 史博, 陳宇, 張強(qiáng)華, 儲(chǔ)德林, 陳向春
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍陸軍軍官學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年3月26日