CN102435562B - 机载大气痕量气体二维分布快速监测系统 - Google Patents

机载大气痕量气体二维分布快速监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载大气痕量气体二维分布快速监测系统，包括有成像光谱仪，所述的成像光谱仪外接控制单元，所述的成像光谱仪内设有光学接收系统、CCD探测器，光学接收系统包括有安装于成像光谱仪壳体上的紫外镜头，壳体内安装有朝向紫外镜头的平面反射镜，平面反射镜前方的光路中设有凹面反射镜，凹面反射镜的反射面上方安装有凸面光栅，入射光经过紫外镜头入射后依次经过凹面反射镜、凸面光栅，出射光然后被CCD探测器接收，所述的入射光、出射光位于凸面光栅的同一侧。本发明基于凸面光栅的、入射光与出射光同侧的成像光谱仪，可同时实现高光谱分辨率与空间分辨率。

Description

机载大气痕量气体二维分布快速监测系统
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体是一种用于区域环境监测的机载大气痕量气体二维分布快速监测系统与方法。 
背景技术
一般的凸面光栅成像光谱仪采用入射光与出射光在凸面光栅两侧的设计，这样的成像光谱仪无法到达高光谱分辨率的要求，一般凸面光栅光谱仪光谱分辨率大于1nm。而机载大气痕量气体监测对成像光谱仪的要求是光盘分辨率优于0.5nm，上述的入射与出射位于两侧的设计无法满足要求。 
发明内容
本发明的目的是为了实现区域污染的快速监测，发明一种用于机载的大气痕量气体二维分布快速监测系统及方法，该系统利用面阵CCD，在机载条件下采用推扫方法获取地表及天空散射光谱，通过对光谱信号的分析可快速获取区域内的大气痕量气体（SO2、NO2、HCHO、O3等）的二维分布。实现对大气痕量气体二维分布的快速监测。 
本发明的技术方案是： 
机载大气痕量气体二维分布快速监测系统，包括有成像光谱仪，所述的成像光谱仪外接控制单元，所述的成像光谱仪内设有光学接收系统、CCD探测器，其特征在于所述的光学接收系统包括有安装于成像光谱仪壳体上的紫外镜头，壳体内安装有朝向紫外镜头的平面反射镜，平面反射镜前方的光路中设有凹面反射镜，凹面反射镜的反射面上方安装有凸面光栅，入射光经过紫外镜头入射后依次经过凹面反射镜、凸面光栅，出射光然后被CCD探测器接收，所述的入射光、出射光位于凸面光栅的同一侧。
所述的CCD探测器为面阵CCD探测器。 
机载大气痕量气体二维分布快速监测方法，其特征在于：所述的机载大气痕量气体二维分布快速监测系统利用面阵CCD探测器，在机载条件下采用推扫方法获取地表及天空散射光谱，根据大气痕量气体特征系统，通过对光谱信号的分析可快速获取区域内的大气痕量气体（SO2、NO2、HCHO、O3等）的二维分布，实现对大气痕量气体二维分布的快速监测。 
所述的控制单元主要为二次电源与控制计算机，成像光谱仪外接有温度控制电路。 
飞机在进行大气监测作业时，紫外镜头接收地表、天空散射光信息，通过成像光谱仪的凸面光栅完成色散等工作，由面阵CCD探测器完成光谱维与空间维的采集，数字化以后传到控制计算机中，控制计算利用差分吸收光谱算法可实时获取大气痕量气体二维分布图。温度控制电路的作业时对成像光谱仪进行温度控制，保证光谱稳定；而二次电源是完成系统所需的电源的功能。 
本发明的主要特点在于： 1、本发明基于凸面光栅的、入射光与出射光同侧的成像光谱仪，可同时实现高光谱分辨率与空间分辨率；2、本发明基于成像光谱仪的机载测量系统，可实现痕量气体二维分布的实时获取。3、发明采用入射光与出射光同侧的结构，这样可以增大CCD像面的接收尺寸，获取高的光谱仪分辨率，实测光谱仪分辨率优于0.4nm。 
附图说明
图1为本发明光学接收系统光学结构示意图。 
图2为本发明系统结构图。 
图3为成像光谱测量原理图。 
图4为飞机推扫测量原理图。 
具体实施方式
参见附图。图1中地表、天空散射光作为入射光8经过平面反射镜入射凹面反射镜9上，从凹面反射镜9的反射到凸面光栅10上，凸面光栅10出射的色散光经过凹面反射镜反射，形成出射光11，然后被面阵CCD探测器接收，入射光8、出射光11位于凸面光栅10的同一侧。 
图2所示的机载大气痕量气体二维分布快速监测系统，包括有成像光谱仪1，所述的成像光谱仪外接控制单元，所述的成像光谱仪内设有光学接收系统、面阵CCD探测器，光学接收系统采用图1结构，包括有安装于成像光谱仪壳体上的紫外镜头2，壳体内安装有朝向紫外镜头的平面反射镜，平面反射镜前方的光路中设有凹面反射镜，凹面反射镜的反射面上方安装有凸面光栅，入射光经过紫外镜头入射后依次经过凹面反射镜反射、凸面光栅色散，出射光然后被面阵CCD探测器4接收。为保证光谱仪恒温成像光谱仪外面包裹有加热膜3，并利用温度控制器5控制器温度。处理单元为控制计算机6，而二次电源7为系统提供所需的电源。 
具体工作流程如下，紫外镜头2收集散射光汇集到成像光谱仪2上，在完成色散后聚焦的面阵CCD探测器4上，探测器实现光信号到电信号的转换后传到控制计算机6中，根据大气痕量气体的特征吸收解析其浓度，最终实现对大气痕量气体的二维测量。 
工作原理： 
本发明系统利用成像光谱仪获取大气痕量气体二维分布信息。
一般物体成像包含二维空间信息，而成像光谱在包含空间信息的基础上同时记录了像元随波长变化而变化的辐射强度信息，像元具有三维的信息，即空间维，x，y与光谱维λ。 
目前通常采用二种技术获取成像光谱，因获取三维信息的时间序列不同而有所区别。基于线阵探测器的“摆扫”方式一次只能获取单个空间像元的信息，剩下的二维信息均需要扫描来获取，这种工作方式的时间分辨率较低；本发明利用面阵探测器的“推扫”方式，一次可将一个空间方向成像，如图3所示的垂直方向，只需要对剩下的一维方向进行扫描（图中的水平方向）就可以完成成像光谱测量，大大减少了总的测量时间。图3表示一次测量将垂直方向成像在面阵CCD探测器上进行色散，然后通过推扫完成水平方向信息的采集工作，最终实现物体的成像光谱测量 
图4表示机载时，本发明系统在飞机上，利用飞机飞行，采用推扫工作方式，获取物体成像光谱信息，并利用差分吸收光谱算法实现对大气痕量气体二维分布的实时解析。

Claims (1)

1.机载大气痕量气体二维分布快速监测系统，其特征在于，所述的机载大气痕量气体二维分布快速监测系统包括有成像光谱仪，所述的成像光谱仪外接控制单元，所述的成像光谱仪内设有光学接收系统、CCD探测器，所述的光学接收系统包括有安装于成像光谱仪壳体上的紫外镜头，壳体内安装有朝向紫外镜头的平面反射镜，平面反射镜前方的光路中设有凹面反射镜，凹面反射镜的反射面上方安装有凸面光栅，入射光经过紫外镜头入射后依次经过凹面反射镜、凸面光栅，出射光然后被CCD探测器接收，所述的入射光、出射光位于凸面光栅的同一侧；所述的CCD探测器为面阵CCD探测器；
所述的机载大气痕量气体二维分布快速监测系统利用面阵CCD探测器，在机载条件下采用推扫方法获取地表及天空散射光谱，根据大气痕量气体特征系统，通过对光谱信号的分析可快速获取区域内的大气痕量气体的二维分布，实现对大气痕量气体二维分布的快速监测。
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