[发明专利]基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统

说明书

本发明提供一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，包括一主动式大气臭氧检测系统、一多旋翼无人机和一地面控制基站，所述主动式大气臭氧检测系统安装于所述多旋翼无人机上并与所述地面控制基站通信连接。本发明的一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，解决被动式采样的低精度、慢响应问题，同时结合无人机灵活部署的优势，应对垂直观测的数据质量控制挑战，可以实现对流层底部大气中臭氧浓度数据的高精度采集与可视化分析。

技术领域

本发明涉及大气环境监测科学领域，尤其涉及一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统。

背景技术

臭氧是近地面大气中的一种重要空气污染物，较高的臭氧浓度水平不仅能够严重威胁到人们的身心健康安全，还会导致农作物的大面积减产和加快建筑材料的老化速度。此外，臭氧还是一种重要的温室气体。截止目前，全国各个城市已经建立了比较完善的大气环境质量监测网络，能够及时获取不同地区近地面大气中臭氧浓度，为臭氧污染防控措施的制定与实施提供了必要的实测数据支撑。

近地面大气中的臭氧分子主要来源于局地光化学反应，同时也受到不同类型臭氧外部输送过程的显著影响。因此，当研究区域近地面大气中臭氧污染过程的主要形成机制时，仅仅依靠地面环境监测站点的观测资料还远远不够，需要同时获取对流层底部大气中臭氧浓度的垂直分布结构及其发展演变规律数据。臭氧浓度的垂直观测数据有助于分析大气边界层内臭氧分子的外部来源，确定研究区域内臭氧污染的主要外部输送通道，进而有助于分析近地面大气中典型臭氧污染过程的主要形成机制。

近年来，民用无人机技术和产业的快速发展为对流层底部大气中空气污染过程的研究提供了新的垂直观测手段。小型化主动式空气污染物监测设备的发展也为无人机大气环境监测平台的使用与发展奠定了坚实的技术基础。与传统的系留气球、探空气球、臭氧激光雷达和有人驾驶飞机等垂直观测平台相比，无人机垂直观测平台的机动灵活性较高，能够在复杂地形环境下完成对流层底部大气中臭氧的垂直观测任务，并且具有更低的运营和维护成本。

以往的无人机大气环境监测平台主要使用被动式臭氧传感器，即将微型电化学臭氧传感器安装在无人机上面，被动地获取环境大气中不同高度处臭氧浓度。但是，被动式电化学臭氧传感器的响应时间一般较长，并且观测数据的精度普遍较差，很难满足对流层底部大气中臭氧垂直分布的相关研究需求。针对这一问题，小型化主动式臭氧监测设备被引入，其采用与传统大型设备相同的测量原理，能够快速准确地获取环境大气中的臭氧浓度值，具有较高的采样精度和可靠性。但是，随之而来的一个挑战是在对流层底部大气中，气象参数(比如温度、湿度和风向风速等)在垂直方向上的波动较大，会造成臭氧监测设备的测量结果的显著偏差。因此，当小型化主动式臭氧监测设备在无人机大气环境监测平台上使用时，非常关键的一点在于需要针对无人机平台的运行特性设计相应的垂直观测系统，以保证臭氧垂直观测数据的质量。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，解决被动式采样的低精度、慢响应问题，同时结合无人机灵活部署的优势，应对垂直观测的数据质量控制挑战，可以实现对流层底部大气中(0-1500m)臭氧浓度数据的高精度采集与可视化分析。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于多旋翼无人机平台的主动式大气臭氧垂直观测系统，包括一主动式大气臭氧检测系统、一多旋翼无人机和一地面控制基站，所述主动式大气臭氧检测系统安装于所述多旋翼无人机上并与所述地面控制基站通信连接。

优选地，所述主动式大气臭氧检测系统包括一进气采样装置、一气体干燥装置、一设备搭载单元、一无人机控制单元、一信息处理单元和一第一数据传输单元；所述进气采样装置和所述气体干燥装置安装于所述多旋翼无人机的上部；所述设备搭载单元、所述无人机控制单元、所述信息处理单元和所述第一数据传输单元安装于所述多旋翼无人机的下部；所述进气采样装置通过所述气体干燥装置连接所述设备搭载单元；所述设备搭载单元、所述第一数据传输单元和所述无人机控制单元连接所述信息处理单元；所述第一数据传输单元与所述地面控制基站通信连接。