一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，包括：一无人机；操控单元，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，包括：一箱体，装设于无人机上；一测量光腔，设置于箱体内；气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：样气背景气气路；抽气气路；数据传输组件，其包括：光电倍增管；数据采集卡；光谱仪。所述测量系统结构紧凑、轻便，测量精度高，能够实现大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线的精确测量。

A single vehicle scattering albedo profile measurement system for unmanned aerial vehicle

The invention discloses a UAV borne aerosol single scattering albedo profile measurement system, including: UAV; control unit, including data acquisition and processing terminal and control module of UAV UAV communication link; atmospheric aerosol single scattering albedo meter includes: a box body. Installed on the UAV; a measuring cavity is arranged in the box body; the gas transfer assembly is arranged in the box body, which comprises a sample gas background gas path; exhaust gas path; the data transmission module, which comprises a photomultiplier tube; data acquisition card; spectrometer. The measurement system is compact and portable, with high measurement accuracy, and can be used for accurate measurement of vertical profiles of atmospheric aerosol single scattering albedo.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统
本专利技术属于大气测量领域，尤其是大气气溶胶光学特性测量领域，具体地，涉及一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统。
技术介绍
大气气溶胶是指悬浮在大气中的液体或固体微粒，时空多变，化学成分复杂。大气气溶胶单次散射反照率(ω)是指气溶散射系数与消光系数(消光系数为吸收系数与散射系数之和)之比，是气溶胶的重要光学参数之一，是辐射强迫评估中用于计算气溶胶直接辐射强迫的量。大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线是指气溶胶单次散射反照率随高度变化的轮廓曲线，对于气溶胶-气候研究具有重要意义。现有气溶胶单次散射反照率测量仪器采用的技术方案主要有以下几种：(1)使用两台仪器分别测量气溶胶散射系数、吸收系数或消光系数中的两种来获得单次散射反照率，这种方法代价昂贵、测量复杂且分开测量带来的误差较大；(2)在散射积分球水平直径方向两端分别添置腔镜，用积分球测量散系数，使用腔衰荡光谱测量消光系数(“Afixedfrequencyaerosolalbedometer”，OpticsExpress，2008，16(3)：2191～2205)，该结构的仪器对积分球体积与截止角误差的关系难以克服，若要截止角误差越小，则积分球体积需越大，相应的仪器时间响应就越慢，并且腔衰荡光谱测量消光系数时所需的激光器设备及高速探测设备价格昂贵；(3)使用添加截止管的散射积分球及宽带腔增强方法分别测量散射系数和消光系数(中国专利技术专利公布文本CN103308482A)，该技术方案截止角误差小，测量精度高；(4)还有如中国专利技术专利公布文本CN104122214，涉及一种同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，包括光路系统和气路系统，光路系统包括发光二极管和接收发光二极管输出光的光学谐振腔，光学谐振腔的光出射端设有检测消光系数的消光光谱仪，光学谐振腔中部从侧面插入有散射光积分检测器。使用消光光谱仪分析从发光二极管射出并进入光学谐振腔不同波长的透射光，用散射光积分检测器测量多个波长下的散射系数，在测量到消光系数和散射系数的基础上，可以进一步得到气溶胶的吸收系数和单次散射反照率等光学参数，更大程度地满足大气气溶胶光学性质研究工作的需要。然而，上述技术方案所述仪器装置结构不够紧凑，且体积和重量也较大，并非针对垂直廓线测量设计，停留在在地面工作阶段，仅能得到地面数据，无法获得垂直廓线。当前气溶胶单次散射反照率垂直廓线直接测量只能通过飞行平台实现，将原本在地面使用的仪器装置及相关操作人员装载在如热气球、飞艇、飞机或直升飞机等大型飞行平台内，对大气不同高度层进行测量，这种方式十分耗费人力物力，实施起来并不方便。无人机飞行平台是近些年高速发展的新技术，具有低成本、高灵活性等诸多大型飞行平台不具备的优势，目前尚无专门针对无人机平台设计的气溶胶单次散射反照率垂直廓线直接测量仪器装置，故发展一种全新结构、轻便紧凑的无人机载型大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线测量系统十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，解决现有气溶胶单次散射反照率垂直廓线直接测量人力物力耗费较大、实施不方便的问题。为实现上述目的，本专利技术所提供的一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，所述测量系统结构紧凑、轻便，测量精度高，能够实现大气气溶胶单次散射反照率垂直廓线的精确测量。具体地，本专利技术采用的技术方案是：一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，所述系统包括：一无人机；操控单元，设置于地面，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，与所述操控单元数据采集处理端数据、通信连接，其包括：一箱体，装设于所述无人机上，其侧壁上间隔开设背景气气孔、样气气孔以及抽气气孔；一测量光腔，设置于所述箱体内，其包括：散射积分球，为一由两半球扣合形成的空心球体，两半球表面沿所述散射积分球径向分别对称开设插孔，一半球表面还开设有一透光通孔；第一、第二截止管，分别插设于所述散射积分球两插孔上，第一截止管侧壁沿垂直第一截止管方向开设样气通孔，第二截止管侧壁沿垂直第二截止管方向开设抽气通孔，所述样气通孔与抽气通孔位于异侧；所述样气通孔以及抽气通孔上分别对应插设有样气接头以及抽气接头；一石英管，两端分别通过两插孔架设于散射积分球内并与所述第一、第二截止管连通；第一、第二高反腔镜，分别设置于第一、第二截止管远离所述散射积分球开口端内，并分别与所述第一、第二截止管内部腔室形成谐振腔；散热筒，轴向两端开口，一开口端与所述第一截止管远离散射积分球开口端同轴连接；光源筒，同轴设置于所述散热筒另一开口端，且相对散热筒一端设有一LED光源，所述散热筒沿轴向、LED光传播方向间隔内接有准直透镜和宽带滤光片；尾筒，轴向两端开口，一开口端与所述第二截止管远离散射积分球开口端同轴连接，内接一自聚焦透镜；一用于接收透过光的光纤头，同轴设置于所述尾筒另一开口端；一透光管，一端插设于所述散射积分球透光通孔，其内部沿轴向依次内接滤光片和会聚透镜；气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：样气背景气气路，包括一三通阀，其一端通过一背景气过滤单元与箱体背景气气孔连通、一端通过管路与箱体样气气孔连通、另一端通过管路与所述样气接头连通，三通阀对应背景气气孔一端以及样气气孔一端交替开通；抽气气路，包括一采样器，其进气端通过管路与所述抽气接头连通，出气端通过管路与箱体抽气气孔连通；数据传输组件，其包括：光电倍增管，光阴极一端插设于所述透光管远离散射积分球一端，并与所述会聚透镜相对应；数据采集卡，设置于所述箱体内，输出端与所述操控单元数据采集处理端通信连接，输入端与所述光电倍增管阳极数据连接；光谱仪，输入端与所述光纤头数据连接，输出端与所述数据采集卡输入端数据连接。进一步地，所述气路传输组件还包括：设置于箱体内的保护气气路，其包括保护气过滤单元，其进气端通过管路与开设于箱体侧壁的保护气气孔连通；对应地，所述第一、第二截止管上分别沿垂直第一、第二截止管方向开设第一、第二保护气通孔，且第一、第二保护气通孔上分别插设有第一、第二保护气接头，所述保护气过滤单元出气端通过两保护气管分别与所述第一、第二保护气接头连通，且两保护气管上分别设有限流小孔；所述第一、第二保护气通孔与样气通孔位于同侧；所述第一保护气通孔位于样气通孔外侧，所述第二保护气通孔位于抽气通孔外侧。进一步地，所述散射积分球两半球为第一、第二半球，第一半球对应第一截止管，第二半球对应第二截止管，散射积分球内壁涂覆有聚四氟乙烯漫反射层，内侧对应透光通孔的位置架设有一聚四氟乙烯挡光板；所述透光管为一散射法兰。进一步地，位于所述第一截止管内的第一高反腔镜到第一半球插孔的直线距离以及位于所述第二截止管内的第二高反腔镜到第二半球插孔的直线距离分别大于或等于散射积分球内径。进一步地，所述第一、第二高反腔镜分别通过第一、第二紧固法兰密封安装于第一、第二截止管远离散射积分球开口端内。进一步地，所述光源筒相对散热筒另一端端面设置若干针状散热片；所述散热筒外壁沿散热筒轴向同轴、间隔设置若干圆片式散热片。进一步地，所述三通阀为三通电磁阀；采样器为直流微型采样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：一无人机；操控单元，设置于地面，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，与所述操控单元数据采集处理端数据、通信连接，其包括：一箱体，装设于所述无人机上，其侧壁上间隔开设背景气气孔、样气气孔以及抽气气孔；一测量光腔，设置于所述箱体内，其包括：散射积分球，为一由两半球扣合形成的空心球体，两半球表面沿所述散射积分球径向分别对称开设插孔，一半球表面还开设有一透光通孔；第一、第二截止管，分别插设于所述散射积分球两插孔上，第一截止管侧壁沿垂直第一截止管方向开设样气通孔，第二截止管侧壁沿垂直第二截止管方向开设抽气通孔，所述样气通孔与抽气通孔位于异侧；所述样气通孔以及抽气通孔上分别对应插设有样气接头以及抽气接头；一石英管，两端分别通过两插孔架设于散射积分球内并与所述第一、第二截止管连通；第一、第二高反腔镜，分别设置于第一、第二截止管远离所述散射积分球开口端内，并分别与所述第一、第二截止管内部腔室形成谐振腔；散热筒，轴向两端开口，一开口端与所述第一截止管远离散射积分球开口端同轴连接；光源筒，同轴设置于所述散热筒另一开口端，且相对散热筒一端设有一LED光源，所述散热筒沿轴向、LED光传播方向间隔内接有准直透镜和宽带滤光片；尾筒，轴向两端开口，一开口端与所述第二截止管远离散射积分球开口端同轴连接，内接一自聚焦透镜；一用于接收透过光的光纤头，同轴设置于所述尾筒另一开口端；一透光管，一端插设于所述散射积分球透光通孔，其内部沿轴向依次内接滤光片和会聚透镜；气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：样气背景气气路，包括一三通阀，其一端通过一背景气过滤单元与箱体背景气气孔连通、一端通过管路与箱体样气气孔连通、另一端通过管路与所述样气接头连通，三通阀对应背景气气孔一端以及样气气孔一端交替开通；抽气气路，包括一采样器，其进气端通过管路与所述抽气接头连通，出气端通过管路与箱体抽气气孔连通；数据传输组件，其包括：光电倍增管，光阴极一端插设于所述透光管远离散射积分球一端，并与所述会聚透镜相对应；数据采集卡，设置于所述箱体内，输出端与所述操控单元数据采集处理端通信连接，输入端与所述光电倍增管阳极数据连接；光谱仪，输入端与所述光纤头数据连接，输出端与所述数据采集卡输入端数据连接。...

【技术特征摘要】
1.一种无人机载型大气气溶胶单次散射反照率廓线测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：一无人机；操控单元，设置于地面，包括数据采集处理端以及与无人机通信连接的无人机控制模块；一大气气溶胶单次散射反照率测量仪，与所述操控单元数据采集处理端数据、通信连接，其包括：一箱体，装设于所述无人机上，其侧壁上间隔开设背景气气孔、样气气孔以及抽气气孔；一测量光腔，设置于所述箱体内，其包括：散射积分球，为一由两半球扣合形成的空心球体，两半球表面沿所述散射积分球径向分别对称开设插孔，一半球表面还开设有一透光通孔；第一、第二截止管，分别插设于所述散射积分球两插孔上，第一截止管侧壁沿垂直第一截止管方向开设样气通孔，第二截止管侧壁沿垂直第二截止管方向开设抽气通孔，所述样气通孔与抽气通孔位于异侧；所述样气通孔以及抽气通孔上分别对应插设有样气接头以及抽气接头；一石英管，两端分别通过两插孔架设于散射积分球内并与所述第一、第二截止管连通；第一、第二高反腔镜，分别设置于第一、第二截止管远离所述散射积分球开口端内，并分别与所述第一、第二截止管内部腔室形成谐振腔；散热筒，轴向两端开口，一开口端与所述第一截止管远离散射积分球开口端同轴连接；光源筒，同轴设置于所述散热筒另一开口端，且相对散热筒一端设有一LED光源，所述散热筒沿轴向、LED光传播方向间隔内接有准直透镜和宽带滤光片；尾筒，轴向两端开口，一开口端与所述第二截止管远离散射积分球开口端同轴连接，内接一自聚焦透镜；一用于接收透过光的光纤头，同轴设置于所述尾筒另一开口端；一透光管，一端插设于所述散射积分球透光通孔，其内部沿轴向依次内接滤光片和会聚透镜；气路传输组件，设置于所述箱体内，其包括：样气背景气气路，包括一三通阀，其一端通过一背景气过滤单元与箱体背景气气孔连通、一端通过管路与箱体样气气孔连通、另一端通过管路与所述样气接头连通，三通阀对应背景气气孔一端以及样气气孔一端交替开通；抽气气路，包括一采样器，其进气端通过管路与所述抽气接头连通，出气端通过管路与箱体抽气气孔连通；数据传输组件，其包括：光电倍增管，光阴极一端插设于所述透光管远离散射积分球一端，并与所述会聚透镜相对应；数据采集卡，设置于所述箱体内，输出端与所述操控单元数据采集处理端通信连接，输入端与所述光电倍增管阳极数据连接；光谱仪，输入端与所述光纤头数据连接，输出端与所述数据采集卡输入端数据连接。2.根据权利要求1所述的一种无人机载型大气气溶胶单次散...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫雄，方波，张为俊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34