CN104215332B - 一种温室气体遥感探测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温室气体遥感探测方法及其装置。探测装置的光学系统包括多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同目标气体波段；成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；前置物镜为透射式反远距物镜结构，像方远心，分光系统为Littrow结构，探测装置具有结构简单紧凑，易于安装调试，稳定性好，小体积、宽覆盖、大相对孔径、高空间分辨率和甚高光谱分辨率的特点。依据待探测温室气体的吸收波段，采用多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同的目标气体波段，得到目标气体各个波段的空间信息和光谱信息，经分析处理得到光谱数据，完成对目标气体的探测鉴别。

Description

一种温室气体遥感探测方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种小型、宽覆盖、大相对孔径、高空间和高光谱分辨率光学系统，特别涉及一种适用于遥感探测温室气体浓度的光学系统及其探测方法。

背景技术

气候变化是全球面临的重大危机和严峻挑战，事关人类生存和经济社会全面协调可持续发展，已成为世界各国共同关注的热点和焦点。二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)是两种主要的温室气体，在地球气候形成和变迁中起着重要作用。自工业革命以来，由于人类活动特别是大量化石燃料燃烧和森林破坏，大气中CO₂和CH₄含量不断增长，与此同时全球气候和生态环境也正发生着剧烈变化。为全面了解把握全球碳源碳汇时空分布、变化状况及循环过程和增强未来大气CO₂及CH₄浓度的预测、全球气候变化应对及生态系统管理能力，近年来美国、日本和欧盟国家都有相关的卫星任务来进行全球性的碳探测。我国也开始了对CO₂和CH₄监测卫星的研制。

然而，由于气体吸收光谱的精细特性，一般需要成像光谱仪具有甚高光谱分辨率，相对孔径大于2。目前国内外专门用于温室气体监测的卫星都面临着体积大、重量重和覆盖范围小等问题。其中，日本于2009年发射的GOSAT卫星长2.0m，宽1.8m，高3.7m，是重约1.8吨的中型卫星，点采样：采样点大小10.5Km，每间隔80Km取一采样点，幅宽790Km；美国OCO卫星整体长2.12m，宽0.94m，重441kg，空间采样/幅宽为1.29km×2.25km/10.3km。同时为了提高晴空探测概率和区域规模探测，要求探测仪具有高空间分辨率。因此，研制成像质量好、体积小、重量轻、宽覆盖、稳定性高、分辨率高和成本低的成像光谱仪是十分迫切和具有广泛的应用前景的。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的不足，提供一种能满足探测温室气体浓度的成像光谱仪成像质量要求，且体积小、重量轻、结构简单、稳定性能好的宽覆盖甚高光谱分辨率和高空间分辨率的遥感探测装置，及对温室气体浓度进行探测的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种温室气体遥感探测装置，所述探测装置的光学系统包括多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同目标气体波段；所述的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；所述的前置物镜为透射式反远距物镜结构，像方远心，前置物镜相对孔径的倒数F/#的取值范围为1.8～2，所述的分光系统为Littrow结构，光栅为浸没光栅（immersion grating）。

上述技术方案中，所述的前置物镜包括前组透镜和后组透镜，光阑置于前组透镜和后组透镜之间，前置物镜将进入系统的光聚焦在狭缝处，狭缝置于前置物镜像面处；所述的前组透镜为单透镜，后组透镜为分离的三片镜结构，前组透镜的单透镜的第一面和后组透镜的第二块透镜的第二面为非球面。所述的分光系统包括准直透镜组和浸没光栅，分光系统的准直和聚焦为同一透镜组，进入狭缝的光经准直透镜组后入射到浸没光栅上，衍射光沿原路返回，经聚焦透镜组后成像于探测器的上。

本发明提供的温室气体遥感探测装置的一个优选方案是：光学系统包括四路相互独立的成像光谱仪，每路光学系统的工作范围分别为氧气-A吸收波段0.758～0.772μm，弱二氧化碳吸收波段1.5742～1.6178μm，甲烷吸收波段1.6369～1.6821μm，强二氧化碳吸收波段2.043～2.085μm。

本发明技术方案还包括一种温室气体遥感探测方法，步骤如下：

1、依据待探测温室气体的吸收波段，采用多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同的目标气体波段，所述的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；

2、前置物镜将地面反射太阳光聚焦在分光系统的狭缝上，经狭缝限制一维空间信息后，分光系统再把一维空间信息沿垂直于狭缝方向色散，成像于探测器的上，获得目标气体的一维空间信息和一维光谱信息；

3、将探测装置与目标气体沿垂直狭缝方向作相对运动，获取目标气体的另一维空间信息和光谱信息；重复本步骤，得到目标气体各个波段的空间信息和光谱信息，分析处理得到的光谱数据，完成目标气体的探测鉴别。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明探测仪的光学系统可同时监测二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）等温室气体浓度，它的体积小，重量轻，结构简单紧凑，约长440mm，宽360mm，高360mm，单路光学镜片重量约7Kg；具有大相对孔径、高空间分辨率和甚高光谱分辨率。

2、前置物镜采用透射式结构，不存在反射结构畸变难校正问题。单路光学系统波段范围窄，材料色差小，可使用同种玻璃设计。

3、分光系统采用浸没式光栅，在满足成像性能要求同时，体积相对于传统平面光栅分光系统体积减小约60%，总重量轻，浸没光栅可实现偏振无关设计。

4、单路光学系统采用同轴结构，易于制造和装调。

5、不存在明显偏振敏感元件，光学系统具有低偏振敏感度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的遥感探测温室气体浓度的光学系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的强CO₂波段光学系统的光路示意图；

图3是本发明实施例提供的强CO₂波段前置光学系统的光路示意图；

图4是本发明实施例提供的强CO₂波段分光成像光学系统的光路示意图；

图5是本发明实施例提供的强CO₂波段光学系统的畸变曲线图；

图6是本发明实施例提供的强CO₂波段光学系统谱线弯曲曲线图；

图7是本发明实施例提供的强CO₂波段光学系统场曲/像散曲线图；

图8是本发明实施例提供的强CO₂波段光学系统能量集中度曲线图；

图9是本发明实施例提供的强CO₂波段光学系统的调制传递函数曲线；

图10是本发明实施例提供的强CO₂波段浸没光栅衍射效率。

图中：1、前置物镜；2、分光系统；3、入射方向主光线；4、前置物镜前组；5、光阑；6、前置物镜后组第一块透镜；7、前置物镜后组第二块透镜；8、前置物镜后组第三块透镜；9、狭缝；10、光轴；11、分光系统第一块透镜；12、分光系统第二块透镜；13、非球面弯月透镜；14、分光系统第三块透镜；15、浸没光栅，16、探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。

实施例1

本实施例提供的技术方案为适用于遥感探测温室气体浓度的光学系统，它的工作波段是氧气-A（O₂-A）吸收波段0.758～0.772μm，弱二氧化碳（CO₂）吸收波段1.5742～1.6178μm、甲烷（CH₄）吸收波段1.6369～1.6821μm，强二氧化碳（CO₂）吸收波段2.043～2.085μm。卫星轨道高度687Km，地面幅宽500Km，视场约40°，地面采样空间2Km×2Km，光谱分辨本领15000，前置望远系统F数F/#=1.8。由于四个波段分光系统结构相似，本实施例主要以强CO₂吸收波带2.043～2.085μm光学系统为例进行说明。

参见附图1，它是本实施例提供的遥感探测温室气体浓度的光学系统结构布局示意图，在本实施例中，采用四路分离成像光谱仪进行拼合，每路成像光谱仪对应图中的一个模块，可自由放置，分别由前置物镜1、分光系统2和探测器16组成。

参见附图2，它是本实施例提供的强CO₂波段的光学系统光路的结构示意图。由前置物镜1、分光系统2和探测16器组成，前置物镜为透射式反远距物镜，分光系统为Littrow-浸没光栅结构，光栅方向垂直于纸面。

参见附图3，它是本实施例提供的强CO₂波段前置物镜的光路示意图，前置物镜实现对目标成像，采用透射式反远距物镜，像方远心，光轴10上设置前置物镜前组4和后组；前组4为单透镜，后组为三片分离镜结构，分别为前置物镜后组第一块透镜6、第二块透镜7和第三块透镜8，光阑5置于前组和后组之间，前置物镜的焦距f=6.9mm,视场约40°，F/#=1.8。地面反射的光线3经前组4和后组透镜6、7和8的透射后聚焦成像在狭缝9上，狭缝长约2.5mm，宽约20μm，狭缝方向平行于纸面。透镜材料为石英，前置物镜光学系统中各透镜参数参见表1，其中前组单透镜的第一面和后组第二块透镜7的第二面为非球面，conic系数分别为-0.3694和-2.6932。

表1：强CO2波段前置物镜光学系统各透镜参数

参见附图4，它是本实施例提供的强CO₂波段分光成像光学系统的光路示意图；分光成像系统采用Littrow-浸没光栅式结构，光轴10上，进入狭缝9的光由准直透镜组11、12、13、14准直，垂直入射到浸没光栅15上，经光栅衍射及聚焦透镜组14、13、12、11聚焦在探测器上。光栅色散方向与狭缝方向垂直。由于浸没光栅的角色散率可提高n（n为浸没介质折射率）倍，因此光栅长宽和准直/聚焦透镜组焦距均减小n倍，采用浸没光栅分光系统的体积约减小n³倍。分光系统的准直/聚焦透镜组为改进的三分离镜系统，三分离镜相对孔径的极限是1:2，通过在三分离镜中引入非球面弯月透镜（前后面coniμc系数分别为2.95和-0.38）可获得相对孔径为1：1.8的分光系统，分光系统镜头参数参见表2。

表2：强CO₂波段分光成像系统的镜头参数

本实施例中用于遥感探测温室气体氧气、弱二氧化碳和甲烷浓度的光学系统对应不同的吸收波段，光学结构与强CO₂光学系统相似，具有相同的透镜数量，相似的镜头参数，透镜和浸没介质材料均为石英。

探测器完成光电信号转换，并把图像数据传送到处理系统，探测器的像元尺寸为20μm×20μm。

按本实施例技术方案制备的探测仪光学系统，长约440mm，宽约360mm，高约360mm，单路光学镜片重量约7Kg。

参见附图5，它是本实施例提供的光学系统的畸变曲线图，横坐标表示归一化视场，纵坐标表示畸变大小，由图可以看出，分光系统畸变量最大约5μm。

参见附图6，它是本实施例提供的光学系统的谱线弯曲曲线图，横坐标表示归一化视场，纵坐标表示谱线弯曲的大小，由图可以看出，分光系统谱线弯曲量约13μm,不同波长谱线弯曲基本一致，可通过后期图像处理校准。

参见附图 7，它是本实施例提供的光学系统的场曲/像散曲线，横坐标上对应的三组曲线分别代表三个波长的子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是归一化视场。每组曲线之间的距离表示对应纵坐标是某个视场处的像散值，可见最大像散值小于20μm，小于焦深26μm，在像差容限范围内。

参见附图 8，系统在长波限衍射能量集中度曲线，横坐标为距离质心长度，纵坐标为在单个像元尺寸范围内所集中衍射能量的占比，其中最上部黑色曲线为衍射极限，其它曲线表示不同视场的能量集中度曲线，可以看出大于90%的能量集中在探测器一个像元范围内，而其它波长的衍射能量集中度都高于长波限。

参见附图9，它是本实施例提供的光学系统的中心波长的光学传递函数曲线，横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在探测器奈奎斯特频率25p/mm处，光学系统的传递函数值高于0.8。

参见附图 10，它是本实施例提供的浸没光栅衍射效率，横坐标是波长，纵坐标是衍射效率。通过光栅消偏设计，使得TE和TM衍射效率同时达到80%以上的衍射效率。

Claims (3)

1.一种温室气体遥感探测装置，其特征在于：所述探测装置的光学系统包括多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同目标气体波段；所述的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；所述的前置物镜为透射式反远距物镜结构，像方远心，前置物镜相对孔径的倒数F/#的取值范围为1.8～2，所述的分光系统为Littrow结构，光栅为浸没光栅；

所述的前置物镜包括前组透镜和后组透镜，光阑置于前组透镜和后组透镜之间，前置物镜将进入系统的光聚焦在狭缝处，狭缝置于前置物镜像面处；所述的前组透镜为单透镜，后组透镜为分离的三片镜结构，前组透镜的单透镜的第一面和后组透镜的第二块透镜的第二面为非球面；

所述的分光系统包括准直透镜组和浸没光栅，分光系统的准直和聚焦为同一透镜组，进入狭缝的光经准直透镜组后入射到浸没光栅上，衍射光沿原路返回，经聚焦透镜组后成像于探测器的上。

2.根据权利要求1所述的一种温室气体遥感探测装置，其特征在于：它的光学系统包括四路相互独立的成像光谱仪，每路光学系统的工作范围分别为氧气-A吸收波段0.758～0.772μm，弱二氧化碳吸收波段1.5742～1.6178μm，甲烷吸收波段1.6369～1.6821μm，强二氧化碳吸收波段2.043～2.085μm。

3.一种温室气体遥感探测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）依据待探测温室气体的吸收波段，采用多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同的目标气体波段，所述的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；所述的前置物镜包括前组透镜和后组透镜，光阑置于前组透镜和后组透镜之间，前置物镜将进入系统的光聚焦在狭缝处，狭缝置于前置物镜像面处；所述的前组透镜为单透镜，后组透镜为分离的三片镜结构，前组透镜的单透镜的第一面和后组透镜的第二块透镜的第二面为非球面；所述的分光系统包括准直透镜组和浸没光栅，分光系统的准直和聚焦为同一透镜组，进入狭缝的光经准直透镜组后入射到浸没光栅上，衍射光沿原路返回，经聚焦透镜组后成像于探测器的上；

（2）前置物镜将地面反射太阳光聚焦在分光系统的狭缝上，经狭缝限制一维空间信息后，分光系统再把一维空间信息沿垂直于狭缝方向色散，成像于探测器的上，获得目标气体的一维空间信息和一维光谱信息；

（3）将探测装置与目标气体沿垂直狭缝方向作相对运动，获取目标气体的另一维空间信息和光谱信息；重复本步骤，得到目标气体各个波段的空间信息和光谱信息，分析处理得到的光谱数据，完成目标气体的探测鉴别。