适用于大气污染监测的车载系留气球平台

中国电子科技集团公司第三十八研究所 李劲松 冯冰砚 王少峰

适用于大气污染监测的车载系留气球平台

中国电子科技集团公司第三十八研究所 李劲松 冯冰砚 王少峰

我国目前大气污染日趋严重，而要对污染治理必须先进行检测，通过对检测手段的载体进行比较分析，可以得出车载系留气球的优势。系留气球可搭载激光粉尘测定仪、气溶胶粒径谱仪、臭氧探测仪、LECKEL采样器等，记录出所需探测的各类数据。同时由车辆作为平台具有快速灵活、机动性强、费用低等特点，很好地满足所需监测区域内的大气污染情况分析。

车载平台；系留气球；大气污染；监测

1. 引言

随着社会经济的发展，我国大气污染日益严重。近50年来，中国雾霾天气总体呈增加趋势，其中，雾日数呈明显减少，霾日数明显增加，且持续性霾过程增加显著。珠三角、长三江、京津翼、四川盆地和沈阳等地城市群，大气细颗粒物污染日益严重。上海、广州、天津、深圳等城市灰霾天数占到了全年天数的30%～50%。中国已成为大气污染最严重的国家之一。

大气污染引起的灾害使发生交通事故的概率较高，航班大面积停飞。恶劣天气通过对交通和物流的影响，进而影响社会稳定和百姓情绪。此外，我国大范围、长时间、高浓度的严重雾霾天气，受到国际社会高度关注，大气污染形成的不良印象，严重损坏国家形象，进而影响投资、贸易、旅游等多个领域，成为建设“美丽中国”必须跨越的一道鸿沟。

治理大气污染，首先要进行大气污染的监测。只有基于科学合理、详实细致的数据，才能正确分析大气污染的形成机理，为后期的大气污染治理提供依据，并同时为政府部门、社会民众提供即时的预警，降低大气污染造成的损失。目前大气污染监测存在的不足之处：监测数据缺乏；监测数据不一。监测结果不一致，从技术上讲，监测点位设置、监测方法、评价方法等的不同导致结果有差异。目前的监测方式主要还是传统的地面监测，地面监测站点极易受到干扰和破坏，导致站点监测作用有限，进而影响数据的可信度。系留气球系统目前在军、民用领域都有一定的应用，主要是搭载电子通信中继、侦察、预警、成像等设备，是一种使用前景非常广阔的空中搭载平台。

2. 可行性分析

现阶段研究大气污染物垂直分布特点主要利用高空固定观测站、高空气球和无人机等载体进行垂直观测，也有用差分光学吸收光谱仪（DOAS）测定大气中的恒量气体，其观测高度范围主要在100 m左右。一般的监测手段很难用于观测垂直高度上大气污染物间的相互耦合关系，因为这要求实时获取大气污染和气象参数的垂直廓线。车载系留气球作为预警、监视平台，在军事上已使用多年，被证实可行、可靠。在大气污染监测中，基于车载系留气球的监测系统相比传统的空中大气环境观测手段，具有明显优势：

（1）高空固定观测站高度一般低于300 m，无法移动，只能探测固定点的小于300 m范围内的环境气象参数；而车载系留气球可以根据用户需求，快速地机动部署到需要观测的地点。此外，固定观测站只能在垂直高度300 m范围内几个固定点的数据；而车载系留气球可以在0～1 km高度范围内连续观测，得到不间断的大气污染分布廓线。

（2）高空气球飞行高度、轨迹不受控制，无法观测重点区域的大气污染物分布，且造成观测结果偏差较大；而系留气球在空中处于准静止状态，可以自主控制观测高度。高空气球载荷能力一般只有10 kg量级，无法携带大型多样化设备；而车载系留气球载荷能力可达几百千克，可携带多种检测仪器升空，进行数据分析和对比。

（3）无人机的载荷能力基本不超过50 kg；而系留气球的载荷能力可达几百千克。无人机飞行高度偏高，无法观测0～500 m垂直范围内大气污染的分布特征；而系留气球可在0～1 km的不同高度范围内连续工作。无人机飞行速度过快，自身产生的气流和污染也会严重影响检测结果的可信度；而系留气球依靠氦气浮力升空，不排放任何污染物，且系留气球可在不同高度可以实现准静止状态，检测数据可靠。

综合来看，系留气球具有许多独特优势，主要体现在以下几个方面：

● 研制周期短、成本低；

● 有效载重量大；

● 可在空中长期定点驻留；

● 空中姿态稳定，有利于任务设备正常工作；

● 安全性高、生存能力强；

● 部署方便灵活，无需专用机场和发射工具；

● 操作维护简单、使用成本低。

利用车载系留气球搭载大气污染垂直监测系统升空到1 km的高度，自主可控，可实现实时地按照设定的高度进行数据采集，很好地满足大气立体探测的需求。

3. 系统设计

车载系留气球搭载大气污染垂直监测系统由车载系留气球系统和搭载的大气污染垂直监测系统组成。系统组成如图1所示。

图1 系统组成示意图

3.1 车载系留气球系统

设计的车载系留气球的体积为1600 m3，升空高度在1 km以内，任务载荷220 kg。其载体为可移动的大型车辆，可以根据需要快速部署到任何地点，具有高机动、灵活等特点。车载系留气球系统包括气球、系留缆绳和锚泊设施和设备挂架4个部分，如图2所示。

图2 车载系留气球系统组成示意图

气球依靠充入的氦气产生浮力，克服其自身的重力而实现空中悬浮，并依靠系留缆绳实现在空中长时间的停留。气球是任务设备的承载平台，依靠充入的氦气升至所需的工作高度，为任务设备持续工作提供稳定的平台。系留缆绳主要用于气球的系泊以及给球上设备供电和通信。通过系留缆绳，实现气球和地面锚泊设施的物理连接以及光信号和电场传送。地面锚泊设施用于气球的地面停泊，可对气球的升降进行操控。锚泊设施在运输状态下，采用运输车加半挂车的运输形式，能够方便的转移，拥有快速部署和快速转移能力。

3.2 任务系统

任务系统包括激光粉尘测定仪、气溶胶粒径谱仪、臭氧探空仪、LECKEL采样器等，实现综合探测SO2、NO2、O3、BC、APS、PM2.5的功能，覆盖全部的探测因子。

任务系统装于环境控制舱内，探测口伸出，保证环境控制舱内环境观测采集系统始终处于迎风状态，满足采样要求。任务系统通过稳定伺服平台挂装于系留气球球体下部，保持环境观测采集系统气体采集通道始终处于水平位置。根据观测环境因子的特点制定不同的观测方案，操作系留气球进行相应的升空方案或滞空方案，在观测采集期间获得的数据，经数据传输设备整合后通过系留光电复合缆传输到地面数据处理设备，经分析统计处理后为研究人员提供研究数据。

图3 大气污染物模式与观测结果比较

通过系留气球将任务系统升至0～1 km任意指定工作高度，覆盖大气边界层。获取大气边界层的物理结构和精细的污染物垂直分布特征，研究边界层内大气污染物的累积、扩散和转化等过程，揭示区域输送、本地源累积、高架源排放等不同污染过程，实测数据应用于校正地基激光雷达对空气污染物的反演，准确预警预报城市空气质量。在某地使用车载系留气球搭载大气污染垂直监测系统检测的大气污染物模式与观测结果比较如图3所示。

4. 结束语

基于车载系留气球的大气污染垂直监测系统利用系留气球滞空能力强，可实现大气边界层高度内任意高度连续观测；载荷搭载能力强，搭载多种观测仪器；为复合型大气污染研究提供污染物垂直分布以及气象因子的详细参数，更重要的是它能提供高精度的数据，且准确性好。这些观测数据对检验其他设备性能以及星载遥感数据的校准上都有重要的价值。

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李劲松（1982－），男，安徽砀山人，现为中国电子科技集团第三十八研究所工程师，主要研究方向为浮空器电讯系统设计。