本發(fā)明涉及光學測量裝置領域，具體是一種基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置。

背景技術：

ch4是重要的溫室氣體，在全球變暖的溫室效應中扮演著重要角色。ch4氣體的監(jiān)測技術經歷了最初的現場采樣、實驗室分析，到現場在線監(jiān)測以及近年來的新型光學遙測技術的發(fā)展過程。光學遙測技術能夠實現現場非接觸、實時在線的連續(xù)測量，并且遙測更能反映整個大氣層ch4的濃度分布及變化情況。

目前用于ch4氣體遙測的主要方法有：激光雷達(lidar)、傅里葉光譜儀(fts)等，而用于測量ch4全球分布的設備主要為衛(wèi)星搭載設備(如sciamachy)。對于激光雷達設備，雖然能夠給出ch4的垂直分布，但是系統(tǒng)復雜，成本高，且測量波段受激光器波長的限制，對激光器要求高；傅里葉光譜儀也能遙測ch4的濃度分布，但是同樣成本很高，設備復雜。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，以解決現有技術大氣ch4氣體地基、平臺搭載遙測手段缺乏的的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：

基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：包括置于二維平臺上的雙光路測量裝置、望遠鏡，以及控制二維平臺、雙光路測量裝置的工控機，所述工控機控制二維平臺運動，使太陽光可沿望遠鏡光軸方向入射至望遠鏡，雙光路測量裝置通過望遠鏡接收太陽光，其中：

雙光路測量裝置包括第一離軸拋物面反射鏡、斬波器、第二離軸拋物面反射鏡、前置濾波器、分光鏡、法布里珀羅干涉儀、第三離軸拋物面反射鏡、第一銦鎵砷探測器、第四離軸拋物面反射鏡、第二銦鎵砷探測器、第一鎖相放大器、第二鎖相放大器；望遠鏡接收的太陽光入射至第一離軸拋物面反射鏡，經第一離軸拋物面反射鏡反射至斬波器，再經斬波器斬波后入射至第二離軸拋物面反射鏡，第二離軸拋物面反射鏡將經過斬波后的太陽光反射至前置濾波器，經前置濾波器濾波后入射至分光鏡，分光鏡將部分經過濾波后的太陽光反射至第四離軸拋物面反射鏡，再經第四離軸拋物面反射鏡反射至第二銦鎵砷探測器，分光鏡將其余經過濾波后的太陽光透射至法布里珀羅干涉儀，經法布里珀羅干涉儀優(yōu)化選擇使存在ch4吸收波段的太陽光通過法布里珀羅干涉儀并入射至第三離軸拋物面反射鏡，再經第三離軸拋物面反射鏡反射至第一銦鎵砷探測器；其中第一銦鎵砷探測器由第一鎖相放大器鎖相控制，第二銦鎵砷探測器由第二鎖相放大器鎖相控制，所述斬波器由第一鎖相放大器鎖相控制；

所述工控機分別與第一鎖相放大器、第二鎖相放大器、法布里珀羅干涉儀控制連接，由工控機分別控制第一鎖相放大器、第二鎖相放大器、法布里珀羅干涉儀工作，工控機還分別與第一銦鎵砷探測器、第二銦鎵砷探測器連接，由工控機分別接收第一銦鎵砷探測器、第二銦鎵砷探測器輸出的太陽光光譜信號，工控機中計算第一銦鎵砷探測器、第二銦鎵砷探測器輸出的太陽光光譜信號最小二乘擬合系數以獲得ch4濃度信息。

所述的基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：所述工控機通過聯網實時獲得nasa官網發(fā)布的太陽位置信息，并根據太陽位置信息控制二維平臺運動以調整望遠鏡指向，在二維平臺上還設有傾角儀，傾角儀與工控機連接，利用傾角儀實現對觀測角度的反饋和微調。

所述的基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：所述望遠鏡中設有短波紅外光學濾光片，太陽光經望遠鏡后到達雙光路測量裝置中第一離軸拋物面反射鏡。

所述的基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：所述法布里珀羅干涉儀為固態(tài)腔體干涉方式，工控機控制法布里珀羅干涉儀調節(jié)干涉條紋的間距，使干涉條紋的間距與ch4吸收峰匹配，實現優(yōu)化選擇ch4吸收波段的太陽光通過法布里珀羅干涉儀。

所述的基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：在工控機中，法布里-珀羅干涉條紋與ch4吸收截面的匹配采用最小二乘的方法擬合，獲得擬合系數，將擬合系數與不同已知濃度值進行線性相關，獲得ch4濃度與系數的關系，從而實現ch4濃度的確定，其中在最小二乘擬合計算中，通過兩路光譜的最優(yōu)化匹配，獲得經過法布里珀羅光路光譜與另一路光譜的擬合系數，

計算公式如下，

其中i(λ)為經過法布里珀羅光譜的光譜，i0(λ)為直接接收的另一路光譜，σj(λ)為各種氣體分子的吸收截面，cj(λ)為包含了濃度信息的吸收系數，p(λ)為各種誤差多項式，l為法布里珀羅腔體的長度。

所述的基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：第一銦鎵砷探測器、第二銦鎵砷探測器分別各自由電源供電。

所述的基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，其特征在于：所述法布里珀羅干涉儀、分光鏡、前置濾波器構成雙光路切換單元，雙光路切換單元由溫控箱進行溫度控制。

本發(fā)明通過實時聯網并結合gps信息獲得太陽位置，配合高精度二維平臺實現對太陽進行高精度跟蹤，進而實現對直射太陽光的實時跟蹤測量。

本發(fā)明采用雙光路同步觀測設計，最大程度地保證了入射光采集的同步性，有效抑制了大氣變化、太陽位置變化等因此帶來的影響。

本發(fā)明中對法布里珀羅干涉儀調制匹配方式，最大程度地提高了有效信號的信噪比。

本發(fā)明的有益效果在于：

通過本發(fā)明的雙光路法布里-珀羅ch4柱濃度遙測儀，可以實現大氣及排放源ch4濃度分布的地基和車載、機載平臺搭載遙測；在不需要任何人造光源的條件下，通過二維控制平臺驅動光學接收系統(tǒng)接收直射太陽光的方式，實現對ch4吸收光的測量，與其它光學方法相比在減少裝置體積和成本的同時又獲得了立體分布信息，可應用于大氣ch4濃度分布及污染源排放監(jiān)督性監(jiān)測研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置原理框圖。

圖2為本發(fā)明雙光路測量裝置光路結構圖。

具體實施方式

如圖1所示，基于雙光路法布里珀羅干涉儀的ch4柱濃度遙測裝置，包括置于二維平臺上的雙光路測量裝置、望遠鏡，以及控制二維平臺、雙光路測量裝置的工控機13，工控機13控制二維平臺運動，使太陽光可沿望遠鏡光軸方向入射至望遠鏡，雙光路測量裝置通過望遠鏡接收太陽光，其中：

雙光路測量裝置包括第一離軸拋物面反射鏡1、斬波器2、第二離軸拋物面反射鏡3、前置濾波器4、分光鏡5、法布里珀羅干涉儀6、第三離軸拋物面反射鏡7、第一銦鎵砷探測器8、第四離軸拋物面反射鏡16、第二銦鎵砷探測器9、第一鎖相放大器12、第二鎖相放大器11；望遠鏡接收的太陽光入射至第一離軸拋物面反射鏡1，經第一離軸拋物面反射鏡1反射至斬波器2，再經斬波器2斬波后入射至第二離軸拋物面反射鏡3，第二離軸拋物面反射鏡3將經過斬波后的太陽光反射至前置濾波器4，經前置濾波器4濾波后入射至分光鏡5，分光鏡5將部分經過濾波后的太陽光反射至第四離軸拋物面反射鏡16，再經第四離軸拋物面反射鏡16反射至第二銦鎵砷探測器9，分光鏡5將其余經過濾波后的太陽光透射至法布里珀羅干涉儀6，經法布里珀羅干涉儀6優(yōu)化選擇使存在ch4吸收波段的太陽光通過法布里珀羅干涉儀6并入射至第三離軸拋物面反射鏡7，再經第三離軸拋物面反射鏡7反射至第一銦鎵砷探測器8；其中第一銦鎵砷探測器8由第一鎖相放大器12鎖相控制，第二銦鎵砷探測器9由第二鎖相放大器11鎖相控制，斬波器2由第一鎖相放大器12鎖相控制；

工控機13分別與第一鎖相放大器12、第二鎖相放大器11、法布里珀羅干涉儀6控制連接，由工控機13分別控制第一鎖相放大器12、第二鎖相放大器11、法布里珀羅干涉儀6工作，工控機13還分別與第一銦鎵砷探測器8、第二銦鎵砷探測器9連接，由工控機13分別接收第一銦鎵砷探測器8、第二銦鎵砷探測器9輸出的太陽光光譜信號，工控機13中計算第一銦鎵砷探測器8、第二銦鎵砷探測器9輸出的太陽光光譜信號差分比值以獲得ch4濃度信息。

工控機13通過聯網實時獲得nasa官網發(fā)布的太陽位置信息，并根據太陽位置信息控制二維平臺運動以調整望遠鏡指向，在二維平臺上還設有傾角儀，傾角儀與工控機13連接，利用傾角儀實現對觀測角度的反饋和微調。

望遠鏡中設有短波紅外光學濾光片，太陽光經望遠鏡系統(tǒng)后到達雙光路測量裝置中第一離軸拋物面反射鏡1。

法布里珀羅干涉儀6為固態(tài)腔體干涉方式，工控機13控制法布里珀羅干涉儀6調節(jié)干涉條紋的間距，使干涉條紋的間距與ch4吸收峰匹配，實現優(yōu)化選擇ch4吸收波段的太陽光通過法布里珀羅干涉儀6。

在工控機13中，法布里-珀羅干涉條紋與ch4吸收截面的匹配采用最小二乘的方法擬合，獲得擬合系數，將擬合系數與不同已知濃度值進行線性相關，獲得ch4濃度與系數的關系，從而實現ch4濃度的確定。

第一銦鎵砷探測器8、第二銦鎵砷探測器9分別各自由電源14、15供電。

法布里珀羅干涉儀6、分光鏡5、前置濾波器4構成雙光路切換單元，雙光路切換單元由溫控箱10進行溫度控制。

太陽光經第一離軸拋物面反射鏡1和第二離軸拋物面反射鏡3反射進入雙光路切換單元，經前置濾波器進入雙光路，其中一路透射直接進入法布里珀羅干涉儀6，經過調制的法布里珀羅后被第一銦鎵砷探測器8接收，另一路經90度反射后直接被第二銦鎵砷探測器9接收，兩銦鎵砷探測器的信號經模數轉換后由工控機進行光譜處理。結合兩路接收光譜，應用最小二乘方法提取在調制波段的光譜結構差異，進而獲取濃度信息。

望遠鏡中短波紅外聚焦透鏡、紅外光學衰減片均采用石英材料。紅外光學衰減片為1600nm-1650nm紅外濾光片。實際測量時，望遠鏡對準目標，通過二維平臺細微調整對準程度。