T_ACEF 082-2023 固定翼通用航空平台大气气态污染物航空遥感测量技术指南.docx

ICS：13.040.20CCS：Z 10团体标准T/ACEF 0822023固定翼通用航空平台大气气态污染物航空遥感测量技术指南Fixed wing general aviation platformsTechnical guidance for airborne remote sensing measurement of atmosphericgaseous pollutants2023-05-31 发布2023-06-01 实施中 华 环 保 联 合 会发 布T/ACEF 0822023目次前  言 . II1  范围 . 12  规范性引用文件 . 13  术语和定义 . 14  系统组成与方法功能 . 35技术内容 . 46质量保证与质量控制 . 10IT/ACEF 0822023前言本文件按照 GB/T1.1-2020标准化工作导则  第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本标准由中华环保联合会提出并归口。本标准起草单位：中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学技术大学、北京市人工影响天气中心、山西省人工增雨防雷技术中心、北京大学、浙江大学本标准主要起草人：王薇、周海金、奚亮、司福祺、刘诚、赵德龙、周嵬、黄梦宇、丁德平、李义宇、任刚、杨永龙、董亚宁、吴志军、陈景川、张萃琦、刘丹彤、李少萌。IIT/ACEF 0822023固定翼通用航空平台大气气态污染物航空遥感测量技术指南1 范围本文件提供了固定翼通用航空平台大气气态污染物航空遥感测量系统组成与方法功能、技术内容、质量保证与质量控制的指导。本文件适用于固定翼通用航空平台上采用航空遥感测量方法对大气气态污染物分布的高空观测，也可用于大气气态污染物航空遥感测量系统的设计、改装、集成、检测和应用。注：本文件大气气态污染物航空遥感测量系统的固定翼通用航空平台不包含无人驾驶飞机。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB 4793.1-2007 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第 1 部分：通用要求GB 17799.3-2012 电磁兼容 通用标准 居住、商业和轻工业环境中的发射GB/T 17799.1-2017 电磁兼容 通用标准 居住、商业和轻工业环境中的抗扰度GB/T 18268.1-2010 测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求GJB 150.18A-2009 军用装备实验室环境试验方法第 18 部分：冲击试验GJB 181B-2012 飞机供电特性GJB 2700-96 卫星遥感器术语HB 6167.6-2014 民用飞机机载设备环境条件和试验方法 第 6 部分：振动试验HJ 524-2009 大气污染物名称代码QX/T 505-2019 人工影响天气作业飞机通用技术要求MH/T 1075-2020 飞机增雨作业安全规范3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。1T/ACEF 08220233.1气态污染物 gaseous pollutants由于人类活动或自然过程排入大气，在常态、常压下以气态分子状态存在，且浓度超过一定标准时对人或环境产生有害影响的物质。注：本文件中的大气气态污染物包括二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、臭氧（O3）等污染气体。来源：HJ 524-2009，3.4，有修改3.2遥感 remote sensing利用电磁辐射、引力波、声波测量等方法，非直接接触、远距离地(例如从气球、飞机、人造卫星上)获取地球及大气层信息的技术。来源：GJB 2700-96，3.1，有修改3.3固定翼通用航空平台 fixed-wing general aviation platform由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的航空器。来源：QX/T 505-2019，3.1，有修改3.4背景区域 background region受到人类活动干扰小、空气洁净的区域。注：在本文件中用背景区域上空测量的光谱作为参考光谱，用于光谱数据反演过程中扣除平流层背景、太阳夫琅和费结构和仪器不稳定性的影响。3.5光谱波长标定 spectral wavelength calibration通过标准光源的特征发射谱线对光谱仪测量的光谱进行波长标定，确定光谱仪探测器各像元对应实际的波长。3.6航迹规划 route planning在给定的规划空间内，寻找飞行器从起始点到达目标点，满足某些约束条件并使某项性能指标达到最优的轨迹。2T/ACEF 08220233.7参数反演 parameter inversion基于模型知识的基础上，依据可测参数值去反推目标的状态参数。3.8太阳夫琅和费线 Fraunhofer line太阳光谱由于太阳色球层中原子的选择吸收和辐射的重发射，在连续光谱上出现了很多相对较强的特征谱线。3.9斜柱浓度 slant column density气体浓度沿光路的积分浓度。3.10垂直柱浓度 vertical column density气体浓度沿垂直路径穿过大气的积分浓度。注：它仅依赖于气体浓度随高度的分布，而与观测方式和光在到达仪器之前在大气中穿过的实际路径无关。4 系统组成与方法功能4.1通则4.1.1测量系统大气气态污染物航空遥感测量系统是利用大气观测作业飞机搭载气态污染物机载遥感监测仪器，执行空中大气气态污染物遥感观测任务，完成遥感光谱采集、数据处理和储存的集成装置。4.1.2测量过程大气气态污染物航空遥感测量过程是在大气观测作业飞机上采用气态污染物遥感监测仪器对大气进行连续地扫描、光谱采集、数据处理和分析的过程。4.2系统组成大气气态污染物航空遥感测量系统由大气观测作业飞机、气态污染物航空机载遥感测量仪器模块、数据采集、存储和处理系统组成。其中：a)大气观测作业飞机由固定翼飞机（经过改造的适合大气气态污染物航空遥感测量的3T/ACEF 0822023飞机）、网络通信模块、供电模块、环境控制模块、辅助集成模块组成；b)气态污染物航空机载遥感测量仪器模块由多种气态污染物航空机载遥感测量仪器组成，包括但不限于用于测量 NO2、SO2、HCHO、O3 等的成像差分吸收光谱仪等设备；c)数据采集、存储和处理系统由数据采集模块、数据存储模块和数据处理模块组成。4.3方法功能4.3.1大气观测作业飞机大气观测作业飞机能够根据观测任务需要，搭载特定组合的大气气态污染物航空机载遥感监测仪器和作业人员实施航空测量，可满足观测任务的通信传输、设备供电、作业环境、操作安全等需求。4.3.2气态污染物航空机载遥感测量仪器模块气态污染物航空机载遥感测量仪器模块用于遥感测量大气 NO2、SO2、HCHO|、O3 等污染 气 体 ， 推 荐 设 备 是 成 像 差 分 光 学 吸 收 光 谱 仪 （ Imaging Differential Optical AbsorptionSpectroscopy，IDOAS）。各监测项目推荐的分析方法是差分光学吸收光谱法。4.3.3数据采集、存储和处理系统数据采集、存储和处理系统用于采集大气气态污染物航空遥感测量仪器测量得到的数据，能够按指令实现本地存储数据和检测设备工作状态信息，并完成对数据和相关信息的处理。数据处理系统包括数据预处理、光谱数据反演、大气污染物浓度显示等。光谱数据反演软件用于分析大气污染气体的垂直柱浓度。5技术内容5.1  大气观测作业飞机5.1.1  固定翼飞机固定翼飞机满足 MH/T 1075-2020 中 4.3 和 QX/T 505-2019 中的 7 常规作业飞机的相关规定。5.1.2  网络通信模块网络通信模块满足以下技术内容：a)  具备飞机内部、飞机和地面之间的文本、语音、图像、视频、数据文件等信息传输4T/ACEF 0822023和交互功能；b)  飞机能够向地面实时传输飞机定位、飞行姿态、气态污染物航空遥感机载监测仪器测量数据和工作状态等信息；c)  具备地面向飞机实时传输卫星、雷达图像、飞行航线规划以及天气模式产品等功能。5.1.3  供电模块供电模块满足以下技术内容：a)要符合 GJB 181B-2012 和 GBT 30203-2013 规定的相关内容；b) 要满足大气观测作业飞机满负荷搭载的所有仪器设备正常用电的需求，加装 28V 转110V 和 220V 的逆变器，并配备 UPS 不间断电源，保证仪器不断电，并有冗余；c)供电总功率不小于 5kW。5.1.4辅助集成模块飞机配备有飞行管理和导航系统，可以连续地记录导航和气象资料。可获得以下数据：a)定位导航信息包括观测时间、飞机位置（经度、纬度、相对高度）、飞行姿态（俯仰角、滚转角、偏航角）、飞行速度（加速度）等有关数据；b)气象参数信息包括风速、风向、气温、气压、湿度（或水汽混合比）等数据。5.2  气态污染物航空机载遥感测量仪器模块5.2.1仪器外观仪器外观满足以下技术内容：a)机载遥感测量仪器模块的各仪器具有产品铭牌，铭牌上标有仪器名称、型号、生产单位、出厂编号和制造日期等信息；b)各监测仪器的表面完好无损，无明显缺陷，各零部件连接可靠，各操作键、按钮灵活有效；c)各监测仪器的主机面板显示清晰，字符、标识易于识别。5.2.2环境适应性机载遥感监测仪器能够在以下条件中正常工作：a)使用环境：飞机舱内；b)工作温度：-1050；c)相对湿度：85%；d)气压：4001010hPa；5T/ACEF 0822023e)海拔高度：小于 10000m；f)供电电源：AC 220±22 V，50±1 Hz；g)振动：满足 HB 6167.6-2014 中的 6.1 的相关规定；h)冲击：满足 GJB 150.18A-2009 中 7.2.1.4 的相关规定。5.2.3安全性仪器安全性要满足以下技术内容：a)仪器要设有漏电保护装置，防止人身触电。安全性要符合 GB 4793.1-2007 中 6 规定的相关内容；b)在环境温度为-1050，相对湿度85%条件下，仪器电源端子对地或机壳的绝缘电阻不小于 20M；c)仪器有足够的绝缘强度，在 1500V（有效值）、50Hz 正弦波实验电压下持续 l min，不出现击穿或飞弧现象。5.2.4仪器性能成像差分吸收光谱仪满足以下技术指标：a)光谱分辨率：小于 0.6nm；b)视场角：大于 30.0°；c)时间分辨率：2s 以内；d)角分辨率：小于 0.5°；e)观测精度：大气气态污染物垂直柱浓度的精度大于 75%；f)可导出测量参数：NO2、SO2、HCHO、O3 等大气气态污染物的垂直柱浓度。5.2.5仪器安装5.2.5.1  结构和外观气态污染物航空机载遥感测量仪器的安装结构与外观满足以下技术内容：a)气态污染物航空机载遥感测量仪器所包含仪器的种类和数量需要与飞机上搭载的其他仪器设备统筹考虑，固定在定制的航空架上，合理配置飞机重心，满足适航需要；b) 固定气态污染物航空机载遥感测量仪器的航空架采用满足航空规范的材料，定制化设计，能够将测量仪器牢固地固定在飞机固定卡槽上；c)航空架与飞机固定卡槽的连接处要设置有减振、隔振设施；d) 机载遥感测量仪器要配备稳定平台，指向精度优于 0.02°，用以固定遥感设备增6T/ACEF 0822023加观测稳定性；e)舱内测量系统的布局突出可操作性，各仪器的安装位置不会对观测数据产生影响；f)航空架焊接牢固，结构件安装可靠，紧固件无松动，测量仪器与飞机机体无直接接触；。g) 各测量仪器的标识、说明清晰完整。5.2.5.2安全性气态污染物航空机载遥感测量仪器安装的安全性满足以下技术内容：a)系统结构有足够的强度和刚度，在满载荷下不出现影响工作的弹性变形；在设计极限载荷下不损坏；b) 系统所使用线缆连接接口要具备防插错功能；c)电源线缆及信号线缆等接口能够确保稳定可靠连接，可采用螺纹旋紧或卡扣紧固的接口。5.2.5.3光学镜头安装气态污染物航空机载遥感测量仪器的光学镜头安装满足以下技术内容：a)根据飞机内部结构，可以选择舱底观测镜头和光谱仪不分开，即一体式结构，或舱底观测镜头和光谱仪分开，即非一体式结构；b) 在一体式结构观测中，观测镜头从飞机机腹观测窗口位置直接朝地面观测，用天底观测方式，观测镜头用于聚焦太阳散射光，直接把光束传输到光谱仪；c)非一体式结构，观测镜头从飞机机腹光学窗口朝地面观测，用天底观测方式，镜头垂直于飞机飞行方向。观测镜头一端朝向地面采集光线，另外一端通过光纤束连接到光谱仪。观测镜头用于聚焦太阳散射光，通过光纤束传输到光谱仪。飞机的光学窗口采用熔融石英材料，满足紫外透光需要。5.2.6观测条件5.2.6.1观测天气条件观测需要良好的光照条件。根据天气预报的天气类型，判断是否适合遥感测量。选择晴朗有太阳，没有云的天气，在近中午飞行观测，减小太阳天顶角变化的影响。5.2.6.2  航迹规划飞机航迹规划要符合以下内容：a)  飞行航迹要综合考虑地形和下垫面，下垫面平坦；b)  飞行航迹要包含背景区域；c)  飞行高度的设计要综合考虑地形地貌，兼顾航空遥感设备的测距和扫描带宽；7T/ACEF 0822023d)  遥感观测中飞行相对高度宜保持不变。5.2.6.3飞行方式的选择一般根据飞行任务和遥感观测实验目的来选择飞行方式，宜选择梳状飞行、闭合路径飞行等方案。5.2.6.4梳状飞行方式对于限定在特定区域的污染源的观测，用于评估特定区域的污染状况，或者掌握大气气态污染物的空间分布，一般选用梳状飞行方案，如图 1 所示：图 1  梳状飞行方案宜先飞过背景区域，再绕着污染源区进行梳状路径飞行。如果污染源区或污染分布未知，梳状推扫时两条相邻路径的距离可以设置较大，完成飞行实验确定了重污染区域或识别了污染点源后，可以对飞行航线作适当的调整，在该地区进行密度高的飞行测量。5.2.6.5闭合路径飞行方式对于限定在特定区域的污染源的排放进行定量评估，一般选用闭合路径飞行方案，如图 2 所示：8T/ACEF 0822023图 2 闭合路径飞行方案宜先飞过背景区域，再绕着污染源区进行闭合路径飞行。图 2 中的闭合飞行可以重复。5.2.7维护性系统各个部件便于检查和维护，宜选用国内或国际标准规格的部件、接口，系统部件易于更换。5.2.8电磁兼容性系统设备要具备电磁兼容性，要符合 GB/T 18268.1-2010 的规定。5.3数据采集、存储和处理系统5.3.1数据采集数据采集满足以下技术内容：a)数据采样频率不小于 1 Hz；b)提供人机交互界面，实现对大气气态污染物航空遥感测量系统的集中监测，以及对数据信息的采集、显示、存储和回放及分析处理。5.3.2数据存储数据存储满足以下技术内容：a)舱内仪器数据存储容量：不少于 5 小时有效观测数据的存储；b)数据处理单元存储容量：不少于 3 个月有效观测数据的存储;c)具备查询历史数据的功能。5.3.3数据处理数据处理满足以下技术内容：a) 能够显示和设置系统时间，统一各仪器的时间，具备时间标签功能；9T/ACEF 0822023b) 能够显示仪器的工作状态等参数信息；c) 显示气象卫星、雷达、数值模式等图像产品并能叠加飞机位置等信息。5.3.4电磁兼容性数据采集、存储和处理系统具有电磁兼容能力，对其他电子设备不产生干扰。电磁兼容发射标准要符合 GB 17799.3-2012 的规定，电磁兼容抗扰度标准要符合 GB/T 17799.1-2017的规定。6质量保证与质量控制6.1系统装置质量控制每次航空遥感观测前检查大气气态污染物航空遥感测量系统的各装置，全部检查合格后可进行航测。在航测前和航测中对系统装置的检查包括以下内容：a)按观测工作需求，检查系统配置的仪器设备的类别和数量；b) 检查部件连接是否齐全、可靠，查看仪器各部件工作状态，发现异常及时检修，对仪器相关部件进行维护或更换；c)检查仪器测量性能的准确性和稳定性；d) 检查远程数据通讯与传输是否稳定；e)仪器开机工作时保持工况条件和工作参数相对稳定；f)仪器在每次使用之前或者经过维修后，需要用线性光源和平行光源进行初始定标，包括测量其波段范围、光谱分辨率、视场角和角分辨率；g) 在航测可利用太阳散射光谱中的夫琅和费结构对光谱仪波长进行再次定标，确认其性能指标是否有变化。6.2测量数据质量控制a)原始数据检查和备份，检查各测量参数原始数据的完整性，并及时存储、备份；b)检查原始数据是否存在异常，判断数据是否可用，检查各测量参数的时间序列波动变化是否合理；c)检查数据测量时间分辨率、数据准确性是否满足要求；d)检查数据传输有无重复或者丢失；e)检查数据、文档等文件的编号记录完整性；f)检查处理遥感数据需要的输入参数包括原始光谱数据、先验数据、辅助数据（云、10T/ACEF 0822023气溶胶数据）等的准确性。先验数据和辅助数据一般来源于机载原位测量数据，没有此类数据的情况下用经过验证的、已知精度的卫星数据；g)对产生的遥感数据产品进行质量控制，包括以下内容：·筛选和排除行异常影响的像元；·筛选和排除云量大于 30%的像元；·轨道扫描带边缘像元观测角大、反演误差大，排除该类像元；·排除光谱拟合残差的均方根（RMS）大于 0.005 的反演值；·排除太阳天顶角大于 70°的结果。11