機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統及方法
2023-04-30 16:58:46
專利名稱：機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統及方法
技術領域：
本發明屬於環境監測技術領域，具體是一種用於區域環境監測的機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統與方法。
背景技術：
一般的凸面光柵成像光譜儀採用入射光與出射光在凸面光柵兩側的設計，這樣的成像光譜儀無法到達高光譜解析度的要求，一般凸面光柵光譜儀光譜解析度大於lnm。而機載大氣痕量氣體監測對成像光譜儀的要求是光碟解析度優於0. 5nm，上述的入射與出射位於兩側的設計無法滿足要求。
發明內容
本發明的目的是為了實現區域汙染的快速監測，發明一種用於機載的大氣痕量氣體二維分布快速監測系統及方法，該系統利用面陣CCD，在機載條件下採用推掃方法獲取地表及天空散射光譜，通過對光譜信號的分析可快速獲取區域內的大氣痕量氣體(S02、N02、 HCH0、03等)的二維分布。實現對大氣痕量氣體二維分布的快速監測。本發明的技術方案是
機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統，包括有成像光譜儀，所述的成像光譜儀外接控制單元，所述的成像光譜儀內設有光學接收系統、CCD探測器，其特徵在於所述的光學接收系統包括有安裝於成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭，殼體內安裝有朝向紫外鏡頭的平面反射鏡，平面反射鏡前方的光路中設有凹面反射鏡，凹面反射鏡的反射面上方安裝有凸面光柵，入射光經過紫外鏡頭入射後依次經過凹面反射鏡、凸面光柵，出射光然後被CCD探測器接收，所述的入射光、出射光位於凸面光柵的同一側。所述的CXD探測器為面陣CXD探測器。機載大氣痕量氣體二維分布快速監測方法，其特徵在於所述的機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統利用面陣CCD探測器，在機載條件下採用推掃方法獲取地表及天空散射光譜，根據大氣痕量氣體特徵系統，通過對光譜信號的分析可快速獲取區域內的大氣痕量氣體(S02、N02、HCH0、03等)的二維分布，實現對大氣痕量氣體二維分布的快速監測。所述的控制單元主要為二次電源與控制計算機，成像光譜儀外接有溫度控制電路。飛機在進行大氣監測作業時，紫外鏡頭接收地表、天空散射光信息，通過成像光譜儀的凸面光柵完成色散等工作，由面陣CCD探測器完成光譜維與空間維的採集，數位化以後傳到控制計算機中，控制計算利用差分吸收光譜算法可實時獲取大氣痕量氣體二維分布圖。溫度控制電路的作業時對成像光譜儀進行溫度控制，保證光譜穩定；而二次電源是完成系統所需的電源的功能。本發明的主要特點在於1、本發明基於凸面光柵的、入射光與出射光同側的成像光譜儀，可同時實現高光譜解析度與空間解析度；2、本發明基於成像光譜儀的機載測量系統，可實現痕量氣體二維分布的實時獲取。3、發明採用入射光與出射光同側的結構，這樣可以增大CCD像面的接收尺寸，獲取高的光譜儀解析度，實測光譜儀解析度優於0. 4nm。
圖1為本發明光學接收系統光學結構示意圖。圖2為本發明系統結構圖。圖3為成像光譜測量原理圖。圖4為飛機推掃測量原理圖。
具體實施例方式參見附圖。圖1中地表、天空散射光作為入射光8經過平面反射鏡入射凹面反射鏡9上，從凹面反射鏡9的反射到凸面光柵10上，凸面光柵10出射的色散光經過凹面反射鏡反射，形成出射光11，然後被面陣CCD探測器接收，入射光8、出射光11位於凸面光柵10 的同一側。圖2所示的機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統，包括有成像光譜儀1，所述的成像光譜儀外接控制單元，所述的成像光譜儀內設有光學接收系統、面陣CCD探測器，光學接收系統採用圖1結構，包括有安裝於成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭2，殼體內安裝有朝向紫外鏡頭的平面反射鏡，平面反射鏡前方的光路中設有凹面反射鏡，凹面反射鏡的反射面上方安裝有凸面光柵，入射光經過紫外鏡頭入射後依次經過凹面反射鏡反射、凸面光柵色散，出射光然後被面陣CCD探測器4接收。為保證光譜儀恆溫成像光譜儀外面包裹有加熱膜3，並利用溫度控制器5控制器溫度。處理單元為控制計算機6，而二次電源7為系統提供所需的電源。具體工作流程如下，紫外鏡頭2收集散射光匯集到成像光譜儀2上，在完成色散後聚焦的面陣CCD探測器4上，探測器實現光信號到電信號的轉換後傳到控制計算機6中，根據大氣痕量氣體的特徵吸收解析其濃度，最終實現對大氣痕量氣體的二維測量。工作原理
本發明系統利用成像光譜儀獲取大氣痕量氣體二維分布信息。一般物體成像包含二維空間信息，而成像光譜在包含空間信息的基礎上同時記錄了像元隨波長變化而變化的輻射強度信息，像元具有三維的信息，即空間維，X，y與光譜維 λ。目前通常採用二種技術獲取成像光譜，因獲取三維信息的時間序列不同而有所區別。基於線陣探測器的「擺掃」方式一次只能獲取單個空間像元的信息，剩下的二維信息均需要掃描來獲取，這種工作方式的時間解析度較低；本發明利用面陣探測器的「推掃」方式， 一次可將一個空間方向成像，如圖3所示的垂直方向，只需要對剩下的一維方向進行掃描 (圖中的水平方向)就可以完成成像光譜測量，大大減少了總的測量時間。圖3表示一次測量將垂直方向成像在面陣CCD探測器上進行色散，然後通過推掃完成水平方向信息的採集工作，最終實現物體的成像光譜測量
圖4表示機載時，本發明系統在飛機上，利用飛機飛行，採用推掃工作方式，獲取物體成像光譜信息，並利用差分吸收光譜算法實現對大氣痕量氣體二維分布的實時解析。
權利要求
1.機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統，包括有成像光譜儀，所述的成像光譜儀外接控制單元，所述的成像光譜儀內設有光學接收系統、CCD探測器，其特徵在於所述的光學接收系統包括有安裝於成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭，殼體內安裝有朝向紫外鏡頭的平面反射鏡，平面反射鏡前方的光路中設有凹面反射鏡，凹面反射鏡的反射面上方安裝有凸面光柵，入射光經過紫外鏡頭入射後依次經過凹面反射鏡、凸面光柵，出射光然後被CCD探測器接收，所述的入射光、出射光位於凸面光柵的同一側。
2.根據權利要求1所述的機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統，其特徵在於所述的CXD探測器為面陣CXD探測器。
3.機載大氣痕量氣體二維分布快速監測方法，其特徵在於所述的機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統利用面陣CCD探測器，在機載條件下採用推掃方法獲取地表及天空散射光譜，根據大氣痕量氣體特徵系統，通過對光譜信號的分析可快速獲取區域內的大氣痕量氣體(S02、N02、HCH0、03等)的二維分布，實現對大氣痕量氣體二維分布的快速監測。
全文摘要
本發明公開了一種機載大氣痕量氣體二維分布快速監測系統，包括有成像光譜儀，所述的成像光譜儀外接控制單元，所述的成像光譜儀內設有光學接收系統、CCD探測器，光學接收系統包括有安裝於成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭，殼體內安裝有朝向紫外鏡頭的平面反射鏡，平面反射鏡前方的光路中設有凹面反射鏡，凹面反射鏡的反射面上方安裝有凸面光柵，入射光經過紫外鏡頭入射後依次經過凹面反射鏡、凸面光柵，出射光然後被CCD探測器接收，所述的入射光、出射光位於凸面光柵的同一側。本發明基於凸面光柵的、入射光與出射光同側的成像光譜儀，可同時實現高光譜解析度與空間解析度。
文檔編號G01N21/01GK102435562SQ20111026982
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月13日 優先權日2011年9月13日
發明者劉宇, 劉文清, 司福祺, 周海金, 江宇, 竇科, 謝品華 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所