CN103616338A - 差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法 - Google Patents

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李素文
姜恩华
韦民红
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Abstract

本发明公开了差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，由两组以初始观测角度设置在待测气团两边的差分吸收扫描光学遥测组件同时定时交叉扫描，构建交叉扇形光束几何光路，以采样率和射线数量共同决定的测量间隔进行测量，处理机依据测量光谱数据精确获取大气痕量气体在紫外、可见波段特征差分吸收光谱，从总大气消光信息中，解析痕量气体沿整个光路的线积分浓度；在扇形光束射线几何构型下，以精确反演的线积分浓度为投影向量，采用大气痕量成分空间分布重构算法，最终形成可视化的二维、三维大气痕量气体空间分布图。本发明能够实时在线、连续准确的提供多组分大气环境污染气体的可视化大气痕量气体空间分布整体信息图。

Description

差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法
技术领域
本发明涉及一种扫描大气痕量气体空间分布方法，尤其涉及一种差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法。 
背景技术
大气痕量成分浓度的空间分布获取受到复杂的气象、地形和化学特性等多种因素影响，有一定的不确定性。获取大气痕量气体的空间分布是定量研究大气污染物化学特性和传输的重要工具，不仅能有助于确定化学传输模式，而且有助于协助定位排放源、确定污染物的总量和进行污染物排放监督。目前，借助于化学传输模式，能进行百米左右对流层痕量气体浓度二维、三维空间分布计算。然而，现在的主要问题是对这些模式缺乏可靠的输入数据，以及独立的测量、验证模型可靠性的方法。由于真实的大气气象条件不可能充分模拟，烟雾箱实验只能部分的说明包含的化学过程，不可能提供一个变化条件下大气的一个完整的图像。 
现有的大气污染气体监测，多采用多点组网、分散测量的点式方法，数据缺损的非采样区域只能依据附近测点的值估算其浓度。气体污染物释放的瞬时信息缺失，测量的准确性受制于采样面积、测点数量、采样频率等各种因素，且仪器污染在所难免。有限、孤立的数据点只能测定小范围内、有限时间、单一组分的污染气体“点”浓度信息，无法实时、在线、连续、准确的提供多组分大气环境污染气体的整体信息。 
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够实时、在线、连续、准确的提供多组分大气环境污染气体的可视化的二维、三维大气痕量气体空间分布整体信息图，且能够协助定位排放源、确定污染物的总量和进行污染物排放监督的差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法。 
为实现上述目的，本发明所采取的技术手段是：差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，由两组以初始观测角度设置在待测气团两边的差分吸收扫描光学遥测组件同时定时交叉扫描，构建交叉扇形光束几何光路，以采样率和射线数量共同决定的测量间隔进行测量，所测量光谱数据传送至处理机，处理机依据测量光谱数据精确获取大气痕量气体在紫外、可见波段特征差分吸收光谱，从总大气消光信息中，解析痕量气体沿整个光路的线积分浓度；在扇形光束射线几何构型下，以精确反演的线积分浓度为投影向量，采用大气痕量成分空间分布重构算法，最终形成可视化的二维、三维大气痕量气体空间分布图。 
进一步的，所述初始观测角度为45度方向，每隔3.6度采集一条光谱，一个扫描循环小于待测气团移动速度。 
进一步的，所述差分吸收扫描光学遥测组件包括测光装置、光谱仪、探测器、光纤、接 收机、控制电路、采集电路；其中测光装置通过光纤连接光谱仪，光谱仪通过探测器连接采集电路，采集电路连接接收机，接收机通过控制电路连接测光装置。 
进一步的，所述控制电路包括安装测光装置的控制云台，控制云台内的步进电机控制测光装置旋转，得到不同角度的扫描射线，在一个扫描循环时间内，光谱仪采集到一定视场角内几组不同方向射线上的大气痕量气体特征吸收光谱。 
进一步的，所述测光装置为望远镜或氙灯，工业排放的监测利用望远镜接受的太阳散射光获取差分吸收光谱；而公路烟羽的监测利用痕量气体对氙灯光的吸收获取差分吸收光谱。 
本发明的有益效果是：为直接获取大气污染气体空间整体分布信息开辟了新的测量途径，能够实时、在线、连续、准确的提供多组分大气环境污染气体的可视化的二维、三维大气痕量气体空间分布整体信息图，且能够协助定位排放源、确定污染物的总量和进行污染物排放监督。 
附图说明
下面结合视图和实施例对本发明做详细的描述。 
图1为本发明的工作示意图。 
图中：1、测光装置，2、光谱仪，3、探测器，4、光纤，5、接收机，6、控制电路，7、采集电路。 
具体实施方式
如图1所示的差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，由两组以初始观测角度设置在待测气团两边的差分吸收扫描光学遥测组件同时定时交叉扫描，构建交叉扇形光束几何光路，以采样率和射线数量共同决定的测量间隔进行测量，所测量光谱数据传送至处理机，处理机依据测量光谱数据精确获取大气痕量气体在紫外、可见波段特征差分吸收光谱，从总大气消光信息中，解析痕量气体沿整个光路的线积分浓度；在扇形光束射线几何构型下，以精确反演的线积分浓度为投影向量，采用大气痕量成分空间分布重构算法，最终形成可视化的二维、三维大气痕量气体空间分布图。 
进一步的，所述初始观测角度为45度方向，每隔3.6度采集一条光谱，一个扫描循环小于待测气团移动速度。 
进一步的，所述差分吸收扫描光学遥测组件包括测光装置1、光谱仪2、探测器3、光纤4、接收机5、控制电路6、采集电路7；其中测光装置1通过光纤4连接光谱仪2，光谱仪2通过探测器3连接采集电路7，采集电路7连接接收机5，接收机5通过控制电路6连接测光装置1。 
进一步的，所述控制电路6包括安装测光装置1的控制云台，控制云台内的步进电机控制测光装置1旋转，得到不同角度的扫描射线，在一个扫描循环时间内，光谱仪2采集 到一定视场角内几组不同方向射线上的大气痕量气体特征吸收光谱。 
进一步的，所述测光装置1为望远镜或氙灯，工业排放的监测利用望远镜接受的太阳散射光获取差分吸收光谱；而公路烟羽的监测利用痕量气体对氙灯光的吸收获取差分吸收光谱。 
集差分吸收光谱算法与断层扫描方法于一体的差分吸收光谱断层扫描技术作为一种光学遥感方法，不仅可以进行大范围遥测，而且由于差分吸收光谱技术独特的沿光路线积分特性，以及宽波段多种痕量成分(如二氧化氮、二氧化硫、臭氧、甲醛和亚硝酸等)浓度同时获取的优势，在扇形光束射线几何模式下，以精确反演的线积分浓度为投影数据，通过选用适合大气痕量成分空间分布重构的算法，能够同时得到多种痕量气体大范围二维、三维空间分布，为直接获取大气污染气体空间整体分布信息开辟了新的测量途径，具有很强的实际应用潜能。 

Claims (5)

1.差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，其特征在于：由两组以初始观测角度设置在待测气团两边的差分吸收扫描光学遥测组件同时定时交叉扫描，构建交叉扇形光束几何光路，以采样率和射线数量共同决定的测量间隔进行测量，所测量光谱数据传送至处理机，处理机依据测量光谱数据精确获取大气痕量气体在紫外、可见波段特征差分吸收光谱，从总大气消光信息中，解析痕量气体沿整个光路的线积分浓度；在扇形光束射线几何构型下，以精确反演的线积分浓度为投影向量，采用大气痕量成分空间分布重构算法，最终形成可视化的二维、三维大气痕量气体空间分布图。
2.根据权利要求1所述的差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，其特征在于：所述初始观测角度为45度方向，每隔3.6度采集一条光谱，一个扫描循环小于待测气团移动速度。
3.根据权利要求1所述的差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，其特征在于：所述差分吸收扫描光学遥测组件包括测光装置(1)、光谱仪(2)、探测器(3)、光纤(4)、接收机(5)、控制电路(6)、采集电路(7)；其中测光装置(1)通过光纤(4)连接光谱仪(2)，光谱仪(2)通过探测器(3)连接采集电路(7)，采集电路(7)连接接收机(5)，接收机(5)通过控制电路(6)连接测光装置(1)。
4.根据权利要求1所述的差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，其特征在于：所述控制电路(6)包括安装测光装置(1)的控制云台，控制云台内的步进电机控制测光装置(1)旋转，得到不同角度的扫描射线，在一个扫描循环时间内，光谱仪(2)采集到一定视场角内几组不同方向射线上的大气痕量气体特征吸收光谱。
5.根据权利要求1所述的差分吸收光谱断层扫描重构大气痕量气体空间分布方法，其特征在于：所述测光装置(1)为望远镜或氙灯，工业排放的监测利用望远镜接受的太阳散射光获取差分吸收光谱；而公路烟羽的监测利用痕量气体对氙灯光的吸收获取差分吸收光谱。
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