專利名稱：機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于區(qū)域環(huán)境監(jiān)測的機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
一般的凸面光柵成像光譜儀采用入射光與出射光在凸面光柵兩側(cè)的設(shè)計(jì)，這樣的成像光譜儀無法到達(dá)高光譜分辨率的要求，一般凸面光柵光譜儀光譜分辨率大于lnm。而機(jī)載大氣痕量氣體監(jiān)測對成像光譜儀的要求是光盤分辨率優(yōu)于0. 5nm，上述的入射與出射位于兩側(cè)的設(shè)計(jì)無法滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域污染的快速監(jiān)測，發(fā)明一種用于機(jī)載的大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)利用面陣CCD，在機(jī)載條件下采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(qū)域內(nèi)的大氣痕量氣體(S02、N02、 HCH0、03等)的二維分布。實(shí)現(xiàn)對大氣痕量氣體二維分布的快速監(jiān)測。本發(fā)明的技術(shù)方案是
機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)，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(nèi)設(shè)有光學(xué)接收系統(tǒng)、CCD探測器，其特征在于所述的光學(xué)接收系統(tǒng)包括有安裝于成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭，殼體內(nèi)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(shè)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(jīng)過紫外鏡頭入射后依次經(jīng)過凹面反射鏡、凸面光柵，出射光然后被CCD探測器接收，所述的入射光、出射光位于凸面光柵的同一側(cè)。所述的CXD探測器為面陣CXD探測器。機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測方法，其特征在于所述的機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)利用面陣CCD探測器，在機(jī)載條件下采用推掃方法獲取地表及天空散射光譜，根據(jù)大氣痕量氣體特征系統(tǒng)，通過對光譜信號的分析可快速獲取區(qū)域內(nèi)的大氣痕量氣體(S02、N02、HCH0、03等)的二維分布，實(shí)現(xiàn)對大氣痕量氣體二維分布的快速監(jiān)測。所述的控制單元主要為二次電源與控制計(jì)算機(jī)，成像光譜儀外接有溫度控制電路。飛機(jī)在進(jìn)行大氣監(jiān)測作業(yè)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采集，數(shù)字化以后傳到控制計(jì)算機(jī)中，控制計(jì)算利用差分吸收光譜算法可實(shí)時獲取大氣痕量氣體二維分布圖。溫度控制電路的作業(yè)時對成像光譜儀進(jìn)行溫度控制，保證光譜穩(wěn)定；而二次電源是完成系統(tǒng)所需的電源的功能。本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于1、本發(fā)明基于凸面光柵的、入射光與出射光同側(cè)的成像光譜儀，可同時實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率與空間分辨率；2、本發(fā)明基于成像光譜儀的機(jī)載測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)痕量氣體二維分布的實(shí)時獲取。3、發(fā)明采用入射光與出射光同側(cè)的結(jié)構(gòu)，這樣可以增大CCD像面的接收尺寸，獲取高的光譜儀分辨率，實(shí)測光譜儀分辨率優(yōu)于0. 4nm。


圖1為本發(fā)明光學(xué)接收系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3為成像光譜測量原理圖。圖4為飛機(jī)推掃測量原理圖。
具體實(shí)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(jīng)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(jīng)過凹面反射鏡反射，形成出射光11，然后被面陣CCD探測器接收，入射光8、出射光11位于凸面光柵10 的同一側(cè)。圖2所示的機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)，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(nèi)設(shè)有光學(xué)接收系統(tǒng)、面陣CCD探測器，光學(xué)接收系統(tǒng)采用圖1結(jié)構(gòu)，包括有安裝于成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭2，殼體內(nèi)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(shè)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(jīng)過紫外鏡頭入射后依次經(jīng)過凹面反射鏡反射、凸面光柵色散，出射光然后被面陣CCD探測器4接收。為保證光譜儀恒溫成像光譜儀外面包裹有加熱膜3，并利用溫度控制器5控制器溫度。處理單元為控制計(jì)算機(jī)6，而二次電源7為系統(tǒng)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，在完成色散后聚焦的面陣CCD探測器4上，探測器實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換后傳到控制計(jì)算機(jī)6中，根據(jù)大氣痕量氣體的特征吸收解析其濃度，最終實(shí)現(xiàn)對大氣痕量氣體的二維測量。工作原理
本發(fā)明系統(tǒng)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(chǔ)上同時記錄了像元隨波長變化而變化的輻射強(qiáng)度信息，像元具有三維的信息，即空間維，X，y與光譜維 λ。目前通常采用二種技術(shù)獲取成像光譜，因獲取三維信息的時間序列不同而有所區(qū)別?；诰€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分辨率較低；本發(fā)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(jìn)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(jìn)行色散，然后通過推掃完成水平方向信息的采集工作，最終實(shí)現(xiàn)物體的成像光譜測量
圖4表示機(jī)載時，本發(fā)明系統(tǒng)在飛機(jī)上，利用飛機(jī)飛行，采用推掃工作方式，獲取物體成像光譜信息，并利用差分吸收光譜算法實(shí)現(xiàn)對大氣痕量氣體二維分布的實(shí)時解析。
權(quán)利要求
1.機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)，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(nèi)設(shè)有光學(xué)接收系統(tǒng)、CCD探測器，其特征在于所述的光學(xué)接收系統(tǒng)包括有安裝于成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭，殼體內(nèi)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(shè)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(jīng)過紫外鏡頭入射后依次經(jīng)過凹面反射鏡、凸面光柵，出射光然后被CCD探測器接收，所述的入射光、出射光位于凸面光柵的同一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的CXD探測器為面陣CXD探測器。
3.機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測方法，其特征在于所述的機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)利用面陣CCD探測器，在機(jī)載條件下采用推掃方法獲取地表及天空散射光譜，根據(jù)大氣痕量氣體特征系統(tǒng)，通過對光譜信號的分析可快速獲取區(qū)域內(nèi)的大氣痕量氣體(S02、N02、HCH0、03等)的二維分布，實(shí)現(xiàn)對大氣痕量氣體二維分布的快速監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)載大氣痕量氣體二維分布快速監(jiān)測系統(tǒng)，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(nèi)設(shè)有光學(xué)接收系統(tǒng)、CCD探測器，光學(xué)接收系統(tǒng)包括有安裝于成像光譜儀殼體上的紫外鏡頭，殼體內(nèi)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(shè)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(jīng)過紫外鏡頭入射后依次經(jīng)過凹面反射鏡、凸面光柵，出射光然后被CCD探測器接收，所述的入射光、出射光位于凸面光柵的同一側(cè)。本發(fā)明基于凸面光柵的、入射光與出射光同側(cè)的成像光譜儀，可同時實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率與空間分辨率。
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(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)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(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所