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，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)計無法滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了實現(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算機(jī)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(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)，可實現(xiàn)痕量氣體二維分布的實時獲取。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，探測器實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換后傳到控制計算機(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現(xiàn)對大氣痕量氣體二維分布的實時解析。
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