CN102735631B - 一种大气二氧化碳浓度监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气二氧化碳浓度监测系统，系统将望远镜、准直光学系统、可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪、信号处理单元和系统控制及二氧化碳浓度反演单元相结合，利用可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪同时探测波长为1.58微米二氧化碳吸收谱线的相干光和1.27微米氧气吸收谱线的相干光，由信号处理单元进行傅里叶反变换还原出二氧化碳吸收谱线和氧气吸收谱线，最后通过反演算法获得高精度地大气二氧化碳浓度情况。本发明可搭载于卫星或者航空飞行器上探测大气二氧化碳浓度分布情况，具有高精度和高可靠性的特点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种大气二氧化碳浓度的探测技术，具体指一种基于可电压调谐标准具衬底折射率干涉仪的大气二氧化碳浓度探测系统。本系统可搭载于卫星上进行大范围的大气二氧化碳浓度探测，包括全球大气二氧化碳浓度分布情况，也可搭载于航空飞行器上进行局部大气二氧化碳分布情况，包括森林火灾引起的二氧化碳释放量、石化燃料消耗量大的工厂二氧化碳排放情况，还可以用于固定监测某一地区大气二氧化碳浓度变化情况。
背景技术：
二氧化碳是大气中最主要的人造温室气体，被普遍认为是引起全球变暖的主要因素。目前，人类对二氧化碳源与汇在地球上的分布情况还不清楚，随着大气中二氧化碳浓度逐年增加，为了能够准确地预测未来大气中二氧化碳浓度对全球气候变暖的影响程度，研究大气二氧化碳浓度探测技术是十分必要的。探测大气二氧化碳的方法有主动式与被动式两种。主动式探测采用的是差分吸收雷达探测技术、差分激光吸收光谱技术，例如美国和欧洲提出的科学项目ASCEND和A-SCOPE二氧化碳探测卫星采用的就是主动式探测技术。被动式探测主要通过探测物体反射的二氧化碳吸收光谱，例如美国的卫星OCO利用光栅技术探测大气二氧化碳，日本的卫星GOSAT使用带动镜的干涉仪探测大气二氧化碳。主动式探测需要仪器本身能够为雷达或者激光器提供足够强大的能量，增加了卫星或者航空飞行器的负担，同时必须保证激光器频率的稳定性。光栅技术和带动镜的干涉技术都能够获得较高的光谱分辨率和信噪比，但光栅技术的探测光谱范围容易受到限制，带动镜的干涉仪由于有运动部件，其稳定性较难控制。
发明内容：
本发明的目的是提供一种大气二氧化碳浓度监测系统，为分析大气二氧化碳浓度分布情况提供精确数据，这些数据可用于研究大气二氧化碳浓度对气候变化的影响。解决了带动镜的干涉仪在探测器大气二氧化碳浓度时，稳定性难以控制的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明采用可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪同时探测1.58微米二氧化碳吸收光谱与1.27微米氧气吸收光谱和光谱反演的方案实现大气二氧化碳浓度探测，构建系统如图1所示。整个系统包括：望远镜1、光阑2、准直光学系统3、平面反射镜4、可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5、信号处理电路6和系统控制及二氧化碳浓度反演单元7。外界光线透过望远镜1，经过光阑2和准直光学系统3，平面反射镜4平行入射至可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。
本系统中的各部件的技术要求以及实现的功能：
望远镜1的F数为1.8，焦距为200毫米。
光阑2固定在望远镜1的焦点位置，孔径为2毫米。
准直光学系统3将入射光平行化后照射至平面反射镜4，平行进入可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。
所述的可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5包含偏振滤光片5-1、可电压调谐衬底折射率的标准具5-2、分光器5-3、二氧化碳窄带滤波片5-4、二氧化碳通道汇聚光学系统5-5、二氧化碳吸收光谱传感器5-6、平面反射镜5-10、氧气窄带滤波片5-9、氧气通道汇聚光学系统5-8、氧气吸收光谱传感器5-7。可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的偏振滤光片5-1允许P偏振方向的光透过；可电压调谐衬底折射率的标准具5-2厚度为0.37毫米，口径为50毫米，光线在可电压调谐衬底折射率的标准具5-2中来回反射产生干涉现象，通过调节加载在标准具上的电压值，改变标准具衬底的折射率来改变光线在标准具中的光程差；分光器5-3以45°倾角放置，允许1.58微米二氧化碳吸收谱线相干光透过进入二氧化碳吸收光谱通道，反射1.27微米氧气吸收谱线相干光至氧气吸收光谱通道；二氧化碳窄带滤波片5-4的通带范围为1.568微米~1.584微米，氧气窄带滤波片5-9的光谱通带范围为1.264微米~1.28微米；二氧化碳吸收光谱传感器5-6为单元的铟镓砷探测器(InGaAs)，像元大小为100微米×100微米；氧气吸收光谱传感器5-7为单元锗探测器(Ge)，像元大小为100微米×100微米。
信号处理单元6能够量化两路输入信号，量化位数为14位，并且带有DSP数字信号处理器，对量化后的信号进行傅里叶反变换分别得到二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱。
系统控制及二氧化碳浓度反演单元7实现对可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的可电压调谐衬底折射率的标准具5-2控制，通过改变加在其上的电压调节可电压调谐衬底折射率的标准具5-2的衬底折射率，获取可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5的二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱数据，通过FULL PHYSICS(FP)算法反演出大气二氧化碳浓度值。
系统工作流程：
外界反射的光线通过望远镜1、光阑2，进入准直光学系统3将入射光平行化后，由平面反射镜4照射至可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的偏振滤光片5-1只允许P偏振方向的光透过照射到可电压调谐衬底折射率的标准具5-2上。光线进入可电压调谐衬底折射率的标准具5-2产生干涉现象，输出二氧化碳吸收谱线的相干光和氧气吸收谱线的相干光。可电压调谐衬底折射率的标准具5-2是衬底折射率可调的，即通过改变电压调节可电压调谐衬底折射率的标准具5-2的衬底折射率来改变光程差，获得待测波长1.58微米二氧化碳吸收谱线的相干光和1.27微米氧气吸收谱线的相干光。透过的吸收谱线的相干光照射至分光器5-3上，分成两条光路，透过的是二氧化碳吸收谱线，反射出来的是氧气吸收谱线。二氧化碳吸收谱线穿过二氧化碳窄带滤波片5-4，经由二氧化碳通道汇聚光学系统5-5照射到二氧化碳吸收光谱传感器5-6上；氧气吸收谱线经过一个平面反射镜5-10、氧气窄带滤波片5-9、氧气通道汇聚光学系统5-8照射到氧气吸收光谱传感器5-7上。二氧化碳吸收光谱传感器5-6和氧气吸收光谱传感器5-7完成光电转换输出电信号至信号处理单元6。信号处理单元6主要完成模拟信号数字化，量化为14位数字信号，进入DSP数字信号处理器进行傅里叶反变换分别得到二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱。两组吸收光谱数据被传输到系统控制及二氧化碳浓度反演单元7进行光谱反演处理，最后输出大气二氧化碳浓度数据。偏振滤光片5-1滤掉入射光线S方向的偏振光，只允许P方向的偏振光进入可电压调谐衬底折射率的标准具5-2，降低光学路径上其他气体分子对入射光线的影响，从而可提高探测大气二氧化碳浓度的精度。
本发明提供一种大气二氧化碳浓度监测系统，采用可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪同时探测1.58微米二氧化碳吸收光谱与1.27微米氧气吸收光谱的方案。其中，1.58微米是二氧化碳的弱吸收光谱带，具有较强的能量，且这个谱带的光谱吸收量与大气中二氧化碳分子浓度呈线性关系，是理想的二氧化碳监测谱带；同时探测1.27微米的氧气吸收谱线，是为了获得光学路径上的光学环境，因为氧气在大气中是均匀分布的，使用该氧气吸收谱线作为参考能够有效地剔除大气中其他气体分子的影响，从而获得更高的二氧化碳浓度探测精度。
本发明具有高光谱分辨率、高探测灵敏度、高信噪比、无运动部件的优点，并且其结构紧凑，具有可灵活调节探测光谱的特点，特别适合于大气二氧化碳浓度探测。
附图说明：
图1为本系统的结构示意图；其中：
1-望远镜；
2-光阑；
3-准直光学系统；
4-平面反射镜；
5-可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪；
5-1-偏振滤光片；
5-2-可电压调谐衬底折射率的标准具；
5-3-分光器；
5-4-二氧化碳窄带滤波片；
5-5-二氧化碳通道汇聚光学系统；
5-6-二氧化碳吸收光谱传感器；
5-7-平面反射镜；
5-8-氧气窄带滤波片；
5-9-氧气通道汇聚光学系统；
5-10-氧气吸收光谱传感器；
6-信号处理单元；
7-系统控制及二氧化碳浓度反演单元。
具体实施方式：
参见图1所示，本发明是一种监测大气二氧化碳浓度的系统，本系统实现的是一种适合搭载于卫星或者航空飞行器上的进行大范围大气二氧化碳浓度探测的光谱仪。整个系统包括：望远镜1、光阑2、准直光学系统3、平面反射镜4、可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5、信号处理电路6和系统控制及二氧化碳浓度反演单元7。外界光线透过望远镜1，经过光阑2、准直光学系统3平行入射至平面反射镜4，照射到可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5，完成光电转换后的电信号经过信号处理单元6和系统控制及二氧化碳浓度反演单元7输出大气二氧化碳浓度数据。其中，可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5包含偏振滤光片5-1、可电压调谐衬底折射率的标准具5-2、分光器5-3、二氧化碳窄带滤波片5-4、二氧化碳通道汇聚光学系统5-5、二氧化碳吸收光谱传感器5-6、平面反射镜5-10、氧气窄带滤波片5-9、氧气通道汇聚光学系统5-8、氧气吸收光谱传感器5-7。
在本系统中，望远镜1的F数为1.8，焦距为200毫米。光阑2固定在望远镜1的焦点位置，孔径为2毫米。准直光学系统3将入射光平行化后照射至可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的偏振滤光片5-1允许P偏振方向的光透过；可电压调谐衬底折射率的标准具5-2厚度为0.37毫米，口径为50毫米，光线在可电压调谐衬底折射率的标准具5-2中产生相干现象；分光器5-3允许1.58微米二氧化碳吸收谱线相干光透过进入二氧化碳吸收光谱通道，反射1.27微米氧气吸收谱线相干光进入氧气吸收光谱通道；二氧化碳窄带滤波片5-4的透过范围为1.568微米~1.584微米，氧气窄带滤波片5-9的光谱透过范围为1.264微米~1.28微米；二氧化碳吸收光谱传感器5-6为单元的铟镓砷探测器(InGaAs)，像元大小为100微米×100微米；氧气吸收光谱传感器5-7为单元锗探测器(Ge)，像元大小为100微米×100微米。信号处理单元6能够量化两路输入信号，量化位数为14位，并且带有DSP数字信号处理器，对量化后的数字信号进行傅里叶反变换分别得到二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱。系统控制及二氧化碳浓度反演单元7实现对可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的可电压调谐衬底折射率的标准具5-2控制，通过改变加在其上的电压调节可电压调谐衬底折射率的标准具5-2的衬底折射率，并且能够利用二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱进行光谱反演，最后输出大气二氧化碳浓度数据。
参见图1，外界反射的光线通过望远镜1、光阑2，进入准直光学系统3，将入射光平行化后经由平面反射镜4照射至可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5。可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪5中的偏振滤光片5-1只允许P偏振方向的光透过照射到可电压调谐衬底折射率的标准具5-2上。光线进入可电压调谐衬底折射率的标准具5-2后，在内部来回反射，产生相干现象。可电压调谐衬底折射率的标准具5-2是衬底折射率可调的，即通过改变电压调节可电压调谐衬底折射率的标准具5-2的衬底折射率，获得待测波长1.58微米二氧化碳吸收谱线的相干光和1.27微米氧气吸收谱线的相干光。可电压调谐衬底折射率的标准具5-2出射的谱线照射至分光器5-3上，分成两条光路，透过的是二氧化碳吸收谱线，反射出来的是氧气吸收谱线。二氧化碳吸收谱线穿过二氧化碳窄带滤波片5-4，经由二氧化碳通道汇聚光学系统5-5照射到二氧化碳吸收光谱传感器5-6上；氧气吸收谱线进过一个平面反射镜5-10，氧气窄带滤波片5-9经过氧气通道汇聚光学系统5-8照射到氧气吸收光谱传感器5-7上。为保证获得精确大气二氧化碳浓度所要求的信噪比，二氧化碳吸收光谱传感器和氧气吸收光谱传感器的积分时间可设定为1秒。二氧化碳吸收光谱传感器5-6和氧气吸收光谱传感器5-7完成光电转换输出电信号至信号处理单元6。信号处理单元6主要完成模拟信号数字化，量化为14位数字信号，进入DSP数字信号处理器进行傅里叶反变换分别得到二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱。两组吸收光谱数据被传输到系统控制及二氧化碳浓度反演单元7进行光谱反演处理，最后输出大气二氧化碳浓度数据。
Claims (10)
1.一种大气二氧化碳浓度监测系统，它包括望远镜（1）、光阑（2）、准直光学系统（3）、平面反射镜（4）、可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪（5）、信号处理电路（6）和系统控制及二氧化碳浓度反演单元（7），其特征在于：
所述的监测系统采用了可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪（5），该干涉仪由偏振滤光片（5-1）、可电压调谐衬底折射率的标准具（5-2）、分光器（5-3）、二氧化碳窄带滤波片（5-4）、二氧化碳通道汇聚光学系统（5-5）、二氧化碳吸收光谱传感器（5-6）、平面反射镜（5-10）、氧气窄带滤波片（5-9）、氧气通道汇聚光学系统（5-8）、氧气吸收光谱传感器（5-7）构成；外界反射的光线通过望远镜（1）、光阑（2），进入准直光学系统（3）将入射光平行化后，由平面反射镜（4）照射至可电压调谐标准具衬底折射率的干涉仪（5）；进入干涉仪的光线经偏振滤光片（5-1）转换成P偏振方向的光后透过照射到可电压调谐衬底折射率的标准具（5-2）上，光线进入可电压调谐衬底折射率的标准具（5-2）产生干涉现象，输出二氧化碳吸收谱线的相干光和氧气吸收谱线的相干光，通过改变电压调节可电压调谐衬底折射率的标准具（5-2）的衬底折射率来改变光程差，获得待测波长1.58微米二氧化碳吸收谱线的相干光和1.27微米氧气吸收谱线的相干光；相干光照射至分光器（5-3）上，分成两条光路，透过的是二氧化碳吸收谱线，反射出来的是氧气吸收谱线，二氧化碳吸收谱线穿过二氧化碳窄带滤波片（5-4），经由二氧化碳通道汇聚光学系统（5-5）聚焦到二氧化碳吸收光谱传感器（5-6）上；氧气吸收谱线经过一个平面反射镜（5-10）、氧气窄带滤波片（5-9）、氧气通道汇聚光学系统（5-8）聚焦到氧气吸收光谱传感器（5-7）上，二氧化碳吸收光谱传感器（5-6）和氧气吸收光谱传感器（5-7）将光信号数据送至信号处理单元（6），信号处理单元（6）将光信号数据量化为14位数字信号，进入DSP数字信号处理器进行傅里叶反变换分别得到二氧化碳吸收光谱和氧气吸收光谱；两组吸收光谱数据被传输到系统控制及二氧化碳浓度反演单元（7）进行光谱反演处理，最后输出大气二氧化碳浓度数据。
2.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的望远镜（1）的F数为1.8，焦距为200毫米。
3.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的光阑（2）固定在望远镜（1）的焦点位置，孔径为2毫米。
4.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的可电压调谐衬底折射率的标准具（5-2）厚度为0.37毫米，口径为50毫米。
5.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的二氧化碳窄带滤波片（5-4）的通带范围为1.568微米～1.584微米。
6.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的氧气窄带滤波片（5-9）的光谱通带范围为1.264微米～1.28微米。
7.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的二氧化碳吸收光谱传感器（5-6）为单元的铟镓砷探测器。
8.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的氧气吸收光谱传感器（5-7）为单元锗探测器。
9.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的分光器（5-3）以45°倾角放置，允许1.58微米二氧化碳吸收谱线相干光透过进入二氧化碳吸收光谱通道，反射1.27微米氧气吸收谱线相干光至氧气吸收光谱通道。
10.根据权利要求1所述的一种大气二氧化碳浓度监测系统，其特征在于：所述的偏振滤光片（5-1）允许P偏振方向的光透过。
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