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重，而要對污染治理必須先進行檢測，通過對檢測手段的載體進行比較分析，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)。同時由車輛作為平臺具有快速靈活、機動性強、費用低等特點，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)濟的發(fā)展，我國大氣污染日益嚴重。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，大氣細顆粒物污染日益嚴重。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重的國家之一。

大氣污染引起的災害使發(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，進而影響社會穩(wěn)定和百姓情緒。此外，我國大范圍、長時間、高濃度的嚴重霧霾天氣，受到國際社會高度關(guān)注，大氣污染形成的不良印象，嚴重損壞國家形象，進而影響投資、貿(mào)易、旅游等多個領(lǐng)域，成為建設“美麗中國”必須跨越的一道鴻溝。

治理大氣污染，首先要進行大氣污染的監(jiān)測。只有基于科學合理、詳實細致的數(shù)據(jù)，才能正確分析大氣污染的形成機理，為后期的大氣污染治理提供依據(jù)，并同時為政府部門、社會民眾提供即時的預警，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)測點位設置、監(jiān)測方法、評價方法等的不同導致結(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)測站點極易受到干擾和破壞，導致站點監(jiān)測作用有限，進而影響數(shù)據(jù)的可信度。系留氣球系統(tǒng)目前在軍、民用領(lǐng)域都有一定的應用，主要是搭載電子通信中繼、偵察、預警、成像等設備，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主要利用高空固定觀測站、高空氣球和無人機等載體進行垂直觀測，也有用差分光學吸收光譜儀（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，因為這要求實時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警、監(jiān)視平臺，在軍事上已使用多年，被證實可行、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，快速地機動部署到需要觀測的地點。此外，固定觀測站只能在垂直高度300 m范圍內(nèi)幾個固定點的數(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靜止狀態(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備；而車載系留氣球載荷能力可達幾百千克，可攜帶多種檢測儀器升空，進行數(shù)據(jù)分析和對比。

（3）無人機的載荷能力基本不超過50 kg；而系留氣球的載荷能力可達幾百千克。無人機飛行高度偏高，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。無人機飛行速度過快，自身產(chǎn)生的氣流和污染也會嚴重影響檢測結(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現(xiàn)準靜止狀態(tài)，檢測數(shù)據(jù)可靠。

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

● 研制周期短、成本低；

● 有效載重量大；

● 可在空中長期定點駐留；

● 空中姿態(tài)穩(wěn)定，有利于任務設備正常工作；

● 安全性高、生存能力強；

● 部署方便靈活，無需專用機場和發(fā)射工具；

● 操作維護簡單、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，可實現(xiàn)實時地按照設定的高度進行數(shù)據(jù)采集，很好地滿足大氣立體探測的需求。

3. 系統(tǒng)設計

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)

設計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，具有高機動、靈活等特點。車載系留氣球系統(tǒng)包括氣球、系留纜繩和錨泊設施和設備掛架4個部分，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現(xiàn)空中懸浮，并依靠系留纜繩實現(xiàn)在空中長時間的停留。氣球是任務設備的承載平臺，依靠充入的氦氣升至所需的工作高度，為任務設備持續(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備供電和通信。通過系留纜繩，實現(xiàn)氣球和地面錨泊設施的物理連接以及光信號和電場傳送。地面錨泊設施用于氣球的地面停泊，可對氣球的升降進行操控。錨泊設施在運輸狀態(tài)下，采用運輸車加半掛車的運輸形式，能夠方便的轉(zhuǎn)移，擁有快速部署和快速轉(zhuǎn)移能力。

3.2 任務系統(tǒng)

任務系統(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)始終處于迎風狀態(tài)，滿足采樣要求。任務系統(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)境因子的特點制定不同的觀測方案，操作系留氣球進行相應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)傳輸設備整合后通過系留光電復合纜傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理設備，經(jīng)分析統(tǒng)計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蝿障到y(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，實測數(shù)據(jù)應用于校正地基激光雷達對空氣污染物的反演，準確預警預報城市空氣質(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，可實現(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，搭載多種觀測儀器；為復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參數(shù)，更重要的是它能提供高精度的數(shù)據(jù)，且準確性好。這些觀測數(shù)據(jù)對檢驗其他設備性能以及星載遙感數(shù)據(jù)的校準上都有重要的價值。

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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第三十八研究所工程師，主要研究方向為浮空器電訊系統(tǒng)設計。