CN102262058B - 车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置与方法，装置包括导光系统、单色仪、CCD探测器、计算机。导光系统由步进电机和方位角调整电机驱动，同时配有与其平行准直的小型望远镜，本发明方法结合本发明装置可以实现在汽车移动平台上快速、多组分遥测低层污染气体具有距离分辨的水平分布状况，及距离分辨的垂直分布状况。本发明可用于大气化学研究，为大气化学模型提供输入数据。

Description

车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置及方法
技术领域
本发明涉及光学遥感测量方法与装置，具体为一种车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置及方法。
背景技术
在环境质量监测和大气化学研究中的一个重要问题是较高分辨的绘制出痕量气体时间和空间分布，而快速、灵活地绘制出具有较多机动车排放、高架源排放或复杂地形结构的地球低层污染气体具有距离分辨的水平、垂直分布更是挑战。
目前遥测低层污染气体浓度水平、垂直分布的方法主要有：激光雷达技术、长光程差分吸收光谱技术、被动差分吸收光谱技术等。激光雷达技术受到激光器波长的限制，不能进行多组分的同时测量，在探测低层污染气体的水平分布时，发出的激光具有一定的危险性且也不适用于气体的探测。长光程差分吸收技术需要人工光源，系统复杂，不适合于机动、灵活地探测低层污染气体的分布。被动差分吸收光谱技术一般更关注于垂直方向柱浓度的分布，不具有距离分辨的特点。因此，快速、灵活、多组分、非接触的遥测污染气体具有距离分辨的分布状况成为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置及方法，以实现快速灵活同时多组分遥测污染气体具有距离分辨的分布状况。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，包括由步进电机及方位角调整电机驱动的导光系统，接收导光系统出射光的单色仪，接收单色仪中光信号的CCD探测器，与所述CCD探测器电连接的计算机。其特征在于，所述导光系统包括采光望远镜，所述采光望远镜后方光路上依次共光轴设置有第一聚焦透镜、滤光片、准直透镜、样品池校准单元、第二聚焦透镜、光纤，所述采光望远镜前方光路上设置有供不同典型建筑物反照率挡板插入的斜插槽，所述采光望远镜采集的目标反射光和大气散射光依次经过所述第一聚焦透镜、滤光片、准直透镜、样品池校准单元、第二聚焦透镜后，通过光纤导入位于所述单色仪中，由单色仪分光成像在所述CCD探测器上，所述CCD探测器将采集到的信号传送至计算机进行光谱处理。
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述单色仪置于恒温箱中。
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述导光系统配置有与导光系统平行准直的瞄准望远镜。
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述导光系统前方光路上的斜插槽中根据实际测量目标特征插入不同挡板，以实现参考光谱的测量。
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述步进电机根据目标高度及测量分布需求，自由调整导光系统的仰角，所述仰角调整范围为-90°到+90°
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述方位角调整电机根据不同方向的目标，调整导光系统的方位角，以实现对准目标，所述方位角调整范围为0°到360°。
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述样品池校准单元为石英样品池。
车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测方法，将权利要求1所述的遥测装置置于车辆移动平台上，其特征在于：首先在所述导光系统的斜插槽中插入挡板，通过所述采光望远镜采集经过挡板反射和大气散射的太阳光谱，作为参考谱；其次抽掉挡板，所述采光望远镜对准目标物采集经过目标物反射和大气散射的太阳光谱，结合所述参考谱应用最小二乘法解析出所述目标物与遥测装置之间的浓度；然后随着车辆的行驶，测量得出行驶路径上目标物与遥测装置不同距离间的浓度，进而得出水平方向具有距离分辨的污染气体的分布状况；最后根据目标物的高度，通过步进电机调整采光望远镜仰角，探测垂直方向的具有距离分布的污染气体分布状况。
所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测方法，其特征在于：所述挡板的反照率与目标物反照率近似。
本发明的主要特点如下：
1、本发明装置置于移动平台上，在行驶中测量可快速解析出污染气体具有距离分辨的水平分布状况。
2、由步进电机驱动和方位角调整电机驱动的导光系统可以根据目标特征来调整导光系统的仰角和方位角，可探测污染气体具有距离分辨的垂直分布状况。
3、导光系统前方光路上独特设计的挡板斜插槽，可根据真实测量目标的特征和测量需求不插放或斜插放不同典型建筑物反照率的挡板，测量经过此挡板的光谱，用来作为参考光谱。
通过本发明的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置与方法，可以实现在汽车移动平台上快速、多组分遥测低层污染气体具有距离分辨的水平分布状况，另外也可通过调整仰角遥测污染气体具有距离分辨的垂直分布状况。可应用于低层污染气体的分布研究，为环保部门对污染水平评估提供技术及数据支持；可用于大气化学研究，为大气化学模型提供输入数据。
附图说明
图1为本发明车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测方法原理图，其中：
图1a为单点测量原理图，图1b为多点测量原理图。
图2为本发明车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置图。
具体实施方式
如图1所示。图1a中处于A处的遥测装置采集经过目标物反射和大气散射的太阳光谱，结合经过挡板测得的参考谱，应用最小二乘方法获得OA之间的浓度COA；同理当汽车行驶至B处时，应用最小二乘法可获取OB之间的浓度COB，进而又可以得出AB之间的浓度CAB，依次类推随着汽车的行驶可获取水平方向不同距离之间的浓度。图1b中，当汽车静止时通过步进电机调整仰角，对目标物进行扫描可获取CD、DE之间的浓度，同理根据目标物的高度可获取低层大气垂直方向不同距离间的浓度。
如图2所示，本发明装置包括由步进电机11和方位角调整电机12驱动的导光系统，导光系统包括：采光望远镜2、第一聚焦透镜3、滤光片4、准直透镜5、样品池校准单元6、第二聚焦透镜7和光纤8。采光望远镜2采集的目标反射光和大气散射光由光纤导入位于恒温箱10内的单色仪9上，单色仪9分光成像在CCD探测器上，模数转换后由计算机进行光谱处理。第一、第二聚焦透镜3、7，样品池校准单元6、滤光片4均采用石英材料。滤光片4为290nm-490nm紫外滤光片。实际测量时，导光系统对准目标，人工通过瞄准望远镜13细微调整对准程度。在导光系统确定测量方向时再根据测量需求和目标特性选择挡板14插入斜插槽1进行光谱测量，记录所测光谱。然后拿掉挡板14，对准目标进行观测，记录所测光谱，通过计算机进行处理。在下一次测量时根据测量需求，通过步进电机驱动11和方位角调整12，重新选择目标完成上述测量。

Claims (9)

1.车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，包括由步进电机及方位角调整电机驱动的导光系统，接收导光系统出射光的单色仪，接收单色仪中光信号的CCD探测器，与所述CCD探测器电连接的计算机，其特征在于，所述导光系统包括采光望远镜，所述采光望远镜后方光路上依次共光轴设置有第一聚焦透镜、滤光片、准直透镜、样品池校准单元、第二聚焦透镜、光纤，所述采光望远镜前方光路上设置有供不同典型建筑物反照率挡板插入的斜插槽，所述采光望远镜采集的目标反射光和大气散射光依次经过所述第一聚焦透镜、滤光片、准直透镜、样品池校准单元、第二聚焦透镜后，通过光纤导入所述单色仪中，由单色仪分光成像在所述CCD探测器上，所述CCD探测器将采集到的信号传送至计算机进行光谱处理。
2.根据权利要求1所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述单色仪置于恒温箱中。
3.根据权利要求1所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述导光系统配置有与导光系统平行准直的瞄准望远镜。
4.根据权利要求1所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述导光系统前方光路上的斜插槽中根据实际测量目标特征插入不同挡板，以实现参考光谱的测量。
5.根据权利要求1所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述步进电机根据目标高度及测量分布需求，自由调整导光系统的仰角，所述仰角调整范围为-90°到+90°。
6.根据权利要求1所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述方位角调整电机根据不同方向的目标，调整导光系统的方位角，以实现对准目标，所述方位角调整范围为0°到360°。
7.根据权利要求1所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置，其特征在于：所述样品池校准单元为石英样品池。
8.基于权利要求1车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测装置的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测方法，将权利要求1所述的遥测装置置于车辆移动平台上，其特征在于：首先在所述导光系统的斜插槽中插入挡板，通过所述采光望远镜采集经过挡板反射和大气散射的太阳光谱，作为参考谱；其次抽掉挡板，所述采光望远镜对准目标物采集经过目标物反射和大气散射的太阳光谱，结合所述参考谱应用最小二乘法解析出所述目标物与遥测装置之间的浓度；然后随着车辆的行驶，测量得出行驶路径上目标物与遥测装置不同距离间的浓度，进而得出水平方向具有距离分辨的污染气体的分布状况；最后根据目标物的高度，通过步进电机调整采光望远镜仰角，探测垂直方向的具有距离分布的污染气体分布状况。
9.根据权利要求8所述的车载污染气体距离分辨的目标光谱遥测方法，其特征在于：所述挡板的反照率与目标物反照率近似。
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