適用于大氣污染監(jiān)測的車載系留氣球平臺

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 李勁松 馮冰硯 王少峰

適用于大氣污染監(jiān)測的車載系留氣球平臺

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 李勁松 馮冰硯 王少峰

我國目前大氣污染日趨嚴(yán)重，而要對污染治理必須先進(jìn)行檢測，通過對檢測手段的載體進(jìn)行比較分析，可以得出車載系留氣球的優(yōu)勢。系留氣球可搭載激光粉塵測定儀、氣溶膠粒徑譜儀、臭氧探測儀、LECKEL采樣器等，記錄出所需探測的各類數(shù)據(jù)。同時(shí)由車輛作為平臺具有快速靈活、機(jī)動性強(qiáng)、費(fèi)用低等特點(diǎn)，很好地滿足所需監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大氣污染情況分析。

車載平臺；系留氣球；大氣污染；監(jiān)測

1. 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國大氣污染日益嚴(yán)重。近50年來，中國霧霾天氣總體呈增加趨勢，其中，霧日數(shù)呈明顯減少，霾日數(shù)明顯增加，且持續(xù)性霾過程增加顯著。珠三角、長三江、京津翼、四川盆地和沈陽等地城市群，大氣細(xì)顆粒物污染日益嚴(yán)重。上海、廣州、天津、深圳等城市灰霾天數(shù)占到了全年天數(shù)的30%～50%。中國已成為大氣污染最嚴(yán)重的國家之一。

大氣污染引起的災(zāi)害使發(fā)生交通事故的概率較高，航班大面積停飛。惡劣天氣通過對交通和物流的影響，進(jìn)而影響社會穩(wěn)定和百姓情緒。此外，我國大范圍、長時(shí)間、高濃度的嚴(yán)重霧霾天氣，受到國際社會高度關(guān)注，大氣污染形成的不良印象，嚴(yán)重?fù)p壞國家形象，進(jìn)而影響投資、貿(mào)易、旅游等多個(gè)領(lǐng)域，成為建設(shè)“美麗中國”必須跨越的一道鴻溝。

治理大氣污染，首先要進(jìn)行大氣污染的監(jiān)測。只有基于科學(xué)合理、詳實(shí)細(xì)致的數(shù)據(jù)，才能正確分析大氣污染的形成機(jī)理，為后期的大氣污染治理提供依據(jù)，并同時(shí)為政府部門、社會民眾提供即時(shí)的預(yù)警，降低大氣污染造成的損失。目前大氣污染監(jiān)測存在的不足之處：監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏；監(jiān)測數(shù)據(jù)不一。監(jiān)測結(jié)果不一致，從技術(shù)上講，監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置、監(jiān)測方法、評價(jià)方法等的不同導(dǎo)致結(jié)果有差異。目前的監(jiān)測方式主要還是傳統(tǒng)的地面監(jiān)測，地面監(jiān)測站點(diǎn)極易受到干擾和破壞，導(dǎo)致站點(diǎn)監(jiān)測作用有限，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的可信度。系留氣球系統(tǒng)目前在軍、民用領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用，主要是搭載電子通信中繼、偵察、預(yù)警、成像等設(shè)備，是一種使用前景非常廣闊的空中搭載平臺。

2. 可行性分析

現(xiàn)階段研究大氣污染物垂直分布特點(diǎn)主要利用高空固定觀測站、高空氣球和無人機(jī)等載體進(jìn)行垂直觀測，也有用差分光學(xué)吸收光譜儀（DOAS）測定大氣中的恒量氣體，其觀測高度范圍主要在100 m左右。一般的監(jiān)測手段很難用于觀測垂直高度上大氣污染物間的相互耦合關(guān)系，因?yàn)檫@要求實(shí)時(shí)獲取大氣污染和氣象參數(shù)的垂直廓線。車載系留氣球作為預(yù)警、監(jiān)視平臺，在軍事上已使用多年，被證實(shí)可行、可靠。在大氣污染監(jiān)測中，基于車載系留氣球的監(jiān)測系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的空中大氣環(huán)境觀測手段，具有明顯優(yōu)勢：

（1）高空固定觀測站高度一般低于300 m，無法移動，只能探測固定點(diǎn)的小于300 m范圍內(nèi)的環(huán)境氣象參數(shù)；而車載系留氣球可以根據(jù)用戶需求，快速地機(jī)動部署到需要觀測的地點(diǎn)。此外，固定觀測站只能在垂直高度300 m范圍內(nèi)幾個(gè)固定點(diǎn)的數(shù)據(jù)；而車載系留氣球可以在0～1 km高度范圍內(nèi)連續(xù)觀測，得到不間斷的大氣污染分布廓線。

（2）高空氣球飛行高度、軌跡不受控制，無法觀測重點(diǎn)區(qū)域的大氣污染物分布，且造成觀測結(jié)果偏差較大；而系留氣球在空中處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，可以自主控制觀測高度。高空氣球載荷能力一般只有10 kg量級，無法攜帶大型多樣化設(shè)備；而車載系留氣球載荷能力可達(dá)幾百千克，可攜帶多種檢測儀器升空，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對比。

（3）無人機(jī)的載荷能力基本不超過50 kg；而系留氣球的載荷能力可達(dá)幾百千克。無人機(jī)飛行高度偏高，無法觀測0～500 m垂直范圍內(nèi)大氣污染的分布特征；而系留氣球可在0～1 km的不同高度范圍內(nèi)連續(xù)工作。無人機(jī)飛行速度過快，自身產(chǎn)生的氣流和污染也會嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的可信度；而系留氣球依靠氦氣浮力升空，不排放任何污染物，且系留氣球可在不同高度可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，檢測數(shù)據(jù)可靠。

綜合來看，系留氣球具有許多獨(dú)特優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

● 研制周期短、成本低；

● 有效載重量大；

● 可在空中長期定點(diǎn)駐留；

● 空中姿態(tài)穩(wěn)定，有利于任務(wù)設(shè)備正常工作；

● 安全性高、生存能力強(qiáng)；

● 部署方便靈活，無需專用機(jī)場和發(fā)射工具；

● 操作維護(hù)簡單、使用成本低。

利用車載系留氣球搭載大氣污染垂直監(jiān)測系統(tǒng)升空到1 km的高度，自主可控，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地按照設(shè)定的高度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，很好地滿足大氣立體探測的需求。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載系留氣球搭載大氣污染垂直監(jiān)測系統(tǒng)由車載系留氣球系統(tǒng)和搭載的大氣污染垂直監(jiān)測系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

3.1 車載系留氣球系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的車載系留氣球的體積為1600 m3，升空高度在1 km以內(nèi)，任務(wù)載荷220 kg。其載體為可移動的大型車輛，可以根據(jù)需要快速部署到任何地點(diǎn)，具有高機(jī)動、靈活等特點(diǎn)。車載系留氣球系統(tǒng)包括氣球、系留纜繩和錨泊設(shè)施和設(shè)備掛架4個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 車載系留氣球系統(tǒng)組成示意圖

氣球依靠充入的氦氣產(chǎn)生浮力，克服其自身的重力而實(shí)現(xiàn)空中懸浮，并依靠系留纜繩實(shí)現(xiàn)在空中長時(shí)間的停留。氣球是任務(wù)設(shè)備的承載平臺，依靠充入的氦氣升至所需的工作高度，為任務(wù)設(shè)備持續(xù)工作提供穩(wěn)定的平臺。系留纜繩主要用于氣球的系泊以及給球上設(shè)備供電和通信。通過系留纜繩，實(shí)現(xiàn)氣球和地面錨泊設(shè)施的物理連接以及光信號和電場傳送。地面錨泊設(shè)施用于氣球的地面停泊，可對氣球的升降進(jìn)行操控。錨泊設(shè)施在運(yùn)輸狀態(tài)下，采用運(yùn)輸車加半掛車的運(yùn)輸形式，能夠方便的轉(zhuǎn)移，擁有快速部署和快速轉(zhuǎn)移能力。

3.2 任務(wù)系統(tǒng)

任務(wù)系統(tǒng)包括激光粉塵測定儀、氣溶膠粒徑譜儀、臭氧探空儀、LECKEL采樣器等，實(shí)現(xiàn)綜合探測SO2、NO2、O3、BC、APS、PM2.5的功能，覆蓋全部的探測因子。

任務(wù)系統(tǒng)裝于環(huán)境控制艙內(nèi)，探測口伸出，保證環(huán)境控制艙內(nèi)環(huán)境觀測采集系統(tǒng)始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，滿足采樣要求。任務(wù)系統(tǒng)通過穩(wěn)定伺服平臺掛裝于系留氣球球體下部，保持環(huán)境觀測采集系統(tǒng)氣體采集通道始終處于水平位置。根據(jù)觀測環(huán)境因子的特點(diǎn)制定不同的觀測方案，操作系留氣球進(jìn)行相應(yīng)的升空方案或滯空方案，在觀測采集期間獲得的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備整合后通過系留光電復(fù)合纜傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理設(shè)備，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)處理后為研究人員提供研究數(shù)據(jù)。

圖3 大氣污染物模式與觀測結(jié)果比較

通過系留氣球?qū)⑷蝿?wù)系統(tǒng)升至0～1 km任意指定工作高度，覆蓋大氣邊界層。獲取大氣邊界層的物理結(jié)構(gòu)和精細(xì)的污染物垂直分布特征，研究邊界層內(nèi)大氣污染物的累積、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化等過程，揭示區(qū)域輸送、本地源累積、高架源排放等不同污染過程，實(shí)測數(shù)據(jù)應(yīng)用于校正地基激光雷達(dá)對空氣污染物的反演，準(zhǔn)確預(yù)警預(yù)報(bào)城市空氣質(zhì)量。在某地使用車載系留氣球搭載大氣污染垂直監(jiān)測系統(tǒng)檢測的大氣污染物模式與觀測結(jié)果比較如圖3所示。

4. 結(jié)束語

基于車載系留氣球的大氣污染垂直監(jiān)測系統(tǒng)利用系留氣球滯空能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)大氣邊界層高度內(nèi)任意高度連續(xù)觀測；載荷搭載能力強(qiáng)，搭載多種觀測儀器；為復(fù)合型大氣污染研究提供污染物垂直分布以及氣象因子的詳細(xì)參數(shù)，更重要的是它能提供高精度的數(shù)據(jù)，且準(zhǔn)確性好。這些觀測數(shù)據(jù)對檢驗(yàn)其他設(shè)備性能以及星載遙感數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)上都有重要的價(jià)值。

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李勁松（1982－），男，安徽碭山人，現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所工程師，主要研究方向?yàn)楦】掌麟娪嵪到y(tǒng)設(shè)計(jì)。