CN104897580B - 一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法，包含：发出参考光和检测光的光源；对被测物的反射、散射和发光进行收集的收集镜头；用于对测量光路的偏振态进行模式化自动调制光波调制系统；将光线聚焦成像的成像镜头；配合光波调制系统采用动态模式化扫描方法记录每一个像素的光场强度变化的CCD像素系统及计算机处理系统。通过该系统和方法可以对被测气体的结构和成分在空间的变化即时成像，避免采样误差，最终得到比其它方法精度和重复性高的图像以及大气成分分析结果。该系统不需要特殊光源和化学装置，造价便宜；测量过程简便易实施，系统重量轻，适合机载和航天使用。

Description

一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法

技术领域

本发明涉及检测大气成分的系统和方法，尤其是一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法。

背景技术

日益严峻的大气污染使人们越来越重视对大气成分的检测，目前主要有两类检测技术，光学检测和非光学检测，其中非光学检测方法主要有：导电系数法，抽样气体通过导电液体引起导电系数的变化进行大气成分检测；化学电解法，抽样气体和溶液作用改变电解特性引起电压和电流的变化进行大气成分的检测；火焰亮度法，用光电计数器测量抽样气体燃烧的亮度进行大气成分的检测。但是上述非光学检测方法测量过程都非常复杂，对大气取样的要求高，如果取样错误就会造成检测错误，而且取样和分析过程分离，测量失去实时性，原位性，不能对所测气体随空间位置不同导致成分和含量的变化进行监控，无法获得各种气体成分的空间图像分布。光学检测方法主要有：偏振激光雷达散射法，利用散射气体对气溶胶粒子的形状和内部分子结构进行大气成分检测；光谱分析法，光强随波长的变化进行大气成分的检测；直观成像法，模拟人眼的分辨模式，即通过光强差或对光强和颜色的识别来进行大气成分检测，但是上述的光学检测方法中的偏振激光雷达散射法不能对大气中成分变化进行准确定位，而且这一方法涉及到使用特殊的波长激光系统和微弱的光学信号过滤探测系统，这类设备价格昂贵，标定和调制难度大，重复度和精度也比较差；光谱分析法只能得到大气成分的平均值，误差大；直观成像利用光强和颜色进行分析对大气中原子间键合和自旋电子极化，高频变化、原子分子排列方式等各项异性特征不敏感，用于成像的透过和发射光在传播过程中会发生散射，影响测量结果；即光谱分析法和直观成像法不能将大气中复杂多变的物质结构和形貌特征表述出来，尤其不能正确表达：

（1）物质结构的不对称关系包括分子排列中的各项异性和分子中原子键合等极性特征；

（2）物质发光和物质与光的作用，如通过透射、反射和散射等的偏振特征；

（3）高频重复微纳结构如光学测量系统的光栅等、空气中重复出现的大致相同尺寸和形状的悬浮粒子等与光作用后产生的光的偏振特性改变；

（4）上述高频重复结构和其内部结构原子排序产生的衍射、散射、折射空间图谱的方向性特征；

（5）上述结构和其边界等对理想相干光波波面的改变等；

光学参数的另一类，即光波参数，如光波振动方式，即偏振态参数、光波波矢参数和光波波面形状特征参数等几大参数类别，这些参数在直观成像的结构表征中并没有被利用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种非直观成像检测大气成分的光学系统包括：

光源：发出作为检测光学系统的参考光和被测物的检测光；

收集镜头：对被测物的反射、散射和发光进行收集；

光波调制系统：用于对被测量光路的偏振态进行模式化自动调制；

成像镜头：用于即时成像，将到达光学系统的光线聚焦成像以便用CCD像素系统记录所

得图像；

CCD像素系统：配合光波调制系统采用动态模式化扫描方法记录每一个像素光场强度的变化。

作为本发明的优化方案，非直观成像检测大气成分的光学系统还包括计算机处理系统，计算机处理系统和CCD像素系统相连接，计算机处理系统对CCD像素系统记录的光场强度变化的数据进行拟合处理反算被测物的光波偏振参数图从而对被测物的成分进行分析，并提供操作界面。

作为本发明的优化方案，光源采用经过无污染大气散射后的自然光。

作为本发明的优化方案，光波调制系统使用滤光片来选择对被测物敏感的波长和波段。

作为本发明的优化方案，光波调制系统使用波片和偏振片来对偏振位相、相位和空间角进行步进扫描，对光场的偏振状态进行过滤，对光路偏振态产生响应并将响应提供给CCD像素系统。

作为本发明的优化方案，CCD像素系统采用单色CCD对光场强度进行偏振模式化测量，测量结果为单个像点，即以单个像素所在的位置所决定的点所得到的独立的光场强度变化。

一种非直观成像检测大气成分的光学方法，光源发出的光经过被测物和所述的光学系统时，被测物形貌、结构和成分将改变光线并形成偏振态，通过对光路中的偏振态进行模式化扫描检测，获取偏振态的状态参数，包括两垂直线偏振的相位差、两手向相反旋转偏振相位差、慢轴的偏振角、坐标轴向两线偏振的偏振度差、45度方向垂直偏振的偏振度差、两旋转偏振度差、线偏振双吸收、旋转偏振双吸收、总线性偏振度，偏振平均光强，总偏振光强，这些偏振态参数中的一个或几个的组合带有被测物或建筑物的物质结构、成分和形貌特征，通过所述光波调制系统光波偏振状态参数动态模式化检测，获取每一个像素点的偏振参数值，归位到像素坐标，得出空间参数变化图像，实现非直观偏振参数成像，进一步获取被测物结构、成分和形貌特征。

本发明具有积极的效果：

1）可以对被测物的物质结构和成分在空间变化实时成像，避免对气体成分的动态测量和取样误差；

2）对气溶胶粒子形貌、尺寸和内部分子对称关系与电子云自旋状态等有强耦合作用，因此，光波参数带有气体成分和气溶胶粒子成分信息；

3）通过采用动态模式化扫描方法，拟合和过滤其它物点的散射杂光，实现常用照相技术所难以达到的图像解析度，更高的图像解析度也等同于更高的大气成分分析精度；

4）本系统和方法可以采用过滤或分光的方法对波长进行选择，与激光雷达相同，通过测量偏振状态的改变来分析气体成分，因此具有光谱分析和激光雷达测量的双重功能，外加照相功能，是一项能体现多种测量仪器功能的方法和系统；

5）本系统所得图像不仅包括传统光强差和色调图像，还含有多个其它参数图，如去偏振、部分偏振加和、多种偏振相差（包括线性、圆、椭圆等）、多个空间特征角（包括快或慢轴线偏振与多个空间方向的夹角，圆与椭圆偏振的多个定义和倾斜角等）、多个线性和非线性偏振度、线性和圆偏振双吸收（二色性），线或椭圆偏振旋转度等等图像，都可以独立地用来分析大气中气体分子成分和键合状态等，从而能进行空间多维和物理参数多维度分析，多维差分和互补分析，最终得到比其它方法精度和重复性高的图像以及成分分析结果。

6）该系统比非光学检测技术和光学中的激光和光谱方法简便，不需要特殊光源和化学装置，造价比较便宜；

7）该系统结构紧凑，与一般照相机相当，测量过程简便易实施；

8）该系统重量轻，适合机载和航天使用。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的结构示意图；

图2是被测气体敏感的波长和波段；

图3是像素独立归一化光强—旋转偏振测量曲线示意图；

图4是旋转偏振度—空间位置曲线示意图；

图5是非直观光波参数图与直观光强差图比较图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

图1是非直观成像检测大气成分的光学系统的结构示意图。如图1所示：该系统主要包含6个部分，即光源，主要是发出检测光学系统的参考光和被测物的检测光；收集镜头，主要对被测物的反射、散射和发光进行收集；光波调制系统，用于对测量光路的偏振态进行模式化自动调制；成像镜头，用于即时成像，将到达检测系统的光线聚焦成像以便用CCD像素系统记录所得图像；CCD像素系统：配合光波调制系统采用动态模式化扫描方法记录每一个像素的光场强度的变化。该检测系统还包括计算机处理系统，计算机处理系统和CCD像素系统相连接，计算机处理系统对CCD像素系统记录的光场强度变化的数据进行拟合处理反算被测物的光波偏振参数图从而对被测物的成分进行分析，并提供操作界面。光源采用经过无污染大气散射后的自然光，光波调制系统使用滤光片来选择对被测物敏感的波长和波段，光波调制系统使用波片和偏振片来对偏振位相、相位和空间角进行步进扫描，对光场的偏振状态进行过滤，对光路偏振态响应并将响应提供给CCD像素系统。CCD像素系统采用单色CCD对光场强度进行偏振模式化测量，测量结果为单个像点，即以单个像素所在的位置所决定的点所得到的独立的光场强度变化。

图2是被测气体敏感的波长和波段，光波调制系统用滤光片来选择对被测气体敏感的波长和波段，每一种气体成分有特定相应光谱，通过滤光片选择光谱波段，在这些光谱波段里，光遇到含有该被测气体成分的云烟时将产生气溶胶散射、分子散射、分子内电子云散射。当这些散射过程中任何一种散射源的形状、结构对称关系、自旋对称关系有方向性变化时，散射光的偏振状态会因此而改变：SO₂、O₃、CO₂、CO、碳氢化合物、NO₂、Cl₂等有自身的分子和电子自旋对称关系，加上对光波波长段的区分，一种气体成分能够从其它气体成分中分辨出来。

图3是像素独立归一化光强—旋转偏振测量曲线，显示两个不同像素独立获得每一像点变化曲线（图中像素1，像素2）和平均值，表达为水平直线（去偏1，去偏2），以及相应的正弦相差（sinδ）与位相（φ）等偏振参数示意图，利用非直观成像方法来精确分析大气成分和空间分布，通过获取光波参数（包括两垂直线偏振的相差δ，两偏振中之一的振动方向与规定坐标轴之间的夹角φ（如与CCD像素系统坐标中X轴夹角）、线性偏振双吸收、圆偏振相差、圆二色性（圆偏振双吸收）、线性与非线性偏振旋转和偏振度，来代替光强。本发明用获取的非直观光波参数图，包括相差、位相、偏振度、吸收差等对应的相差图、位相图、偏振度图等，在像素独立的，以被测物基本结构形态为模型的曲线拟合和过滤作用下，由传播过程衍射所产生的影响成像精度的部分外围散射被消除，点分布函数变窄，衍射极限被打破，空间分辨率被提高，实现了超分辨。根据偏振参数模式化扫描检测解析成像原理，整个大气成分偏振参数非直观成像分析系统建立在现有照相成像光路基础上，因此不需要复杂的光路或对式样添加荧光示踪试剂等复杂，易于产生偏差的物理或化学处理。从测量结果中提取偏振参数，实际计算过程使用软件完成，光波参数的获取依赖光场的变化而不完全依赖单个光场强度，测量过程中对传感光学精度的依赖大大减小，进一步提高了测量精度、结果稳定性和重复性。通过对偏振参数扫描，即改变光路偏振状态参数之一，来实现光场变化，检测系统的每一个像点沿时间推进测量所对应的光场变化，测量软件从光场变化中提取与被测样品有关的近场偏振态参数，用每一个像素与近场空间的坐标对应关系，将所得的多个偏振参数归位到像素坐标，得出多幅图像，实现非直观成像从而获取被测物非直观光波参数。本发明用获取的非直观光波参数，如偏振态参数包括相差、位相、偏振度、吸收差等对应的光场变化特征在各自的二维坐标点阵中体现出来，即相差图、位相图、偏振度图等，实现了超分辨，整个系统建立在现有照相成像光路基础上，实际计算过程使用软件完成，光波参数的获取依赖光场强度的变化，而不直接使用每个像素所得的光场强度，检测过程中具有像素独立性，测量过程不受传感器光学误差的影响，大大减轻了对传感系统光学精度的依赖。

非直观成像检测大气成分的光学方法为：光源发出的光经过被测物和上述光学系统时，被测物形貌、结构和成分将改变光线并形成偏振态，通过对光路中的偏振态进行模式化扫描检测，获取偏振态的状态参数，包括两垂直线偏振的相位差、两手向相反旋转偏振相位差、慢轴的偏振角、坐标轴向两线偏振的偏振度差、45度方向垂直偏振的偏振度差、两旋转偏振度差、线偏振双吸收、旋转偏振双吸收、总线性偏振度，偏振平均光强，总偏振光强，这些偏振态参数中的一个或几个的不同组合带有被测物或建筑物的物质结构、成分和形貌特征，通过光波调制系统对光波偏振状态参数动态模式化检测，获取每一个像素点的偏振参数值，归位到像素坐标，得出空间参数变化图像，实现非直观偏振参数成像，进一步获取被测物结构、成分和形貌特征。

实施例：

光源采用经过无污染大气散射后的自然光，自然光，即从太阳发出，经过大气、云层和周围环境吸收、散射和反射的光，照射到含有SO₂、O₃、CO₂、NO、Cl₂、CH₃-R等分子的被测气体时，其分子结构中不对称关系包括各项异性原子排列和分子中原子键合以及电子云、电子自旋等的极性特征将会与光波作用，改变光波的传播速度，使得单一偏振状态发生改变，如使线偏振发生转变成非线性偏振，圆偏振变成非圆偏振，使得一个偏振状态相对于另一个偏振状态发生不同的吸收和透过率，即改变了光的波动方式，经过被测气体时，光线将带有特定波动状态，即偏振状态，根据这些特定偏振状态可以确定被测大气或建筑物等的物质结构、形貌特征的相关信息，即当光线离开被测气体时，在几个波长的距离内，即近场，偏振态与被测气体结构和形貌特征有严格的对应关系，检测出波动状态在空间的变化，就可以根据这些变化区分最近两点间被测气体的结构、成分和形貌差别，实现了被测气体结构、成分和形貌特征的最大分辩力。如果被测物含有高频特征，例如被测大气中含有高密度的气溶胶悬浮粒子，或建筑物表面含有周期变化的结构，这种结构的周期和大小与用来测量的光波波长相当；它们将产生散射并散射空间图谱中改变光波波动状态，如偏振状态等；带有被测物结构信息的偏振光到达检测系统时，首先被收集镜头收集，经过光波调制系统，将光线聚焦在成像镜头并用CCD像素系统记录所得图像，CCD像素系统配合光波调制系统采用动态模式化扫描方法记录每一个像素的光场强度的变化。扫描过程通过不断改变光路偏振状态参数和同时测量光场变化来完成，光场强度的变化被CCD像素系统记录，其中每一个像点沿时间推进，即随偏振参数变化而改变的光强曲线具有相对空间独立性，测量软件从这些像点光场变化曲线中提取与被测物有关的近场偏振态参数，用每一个像素与近场空间的坐标对应关系，将所得的多个偏振参数归位到像素坐标，得出多幅非直观偏振参数图像，实现非直观成像。本发明主要针对一定波段偏振状态参数的变化进行检测和根据所得的参数图来确定气体含量、气溶胶粒子形状和尺寸分布在局部空间的变化，其中系统以阳光作为光源，经大气散射后，成为带有特定偏振状态的偏振光，偏振光的偏振状态随太阳的位置而改变，但是每一时刻都有一个相应的偏振参数这些偏振特征用来分辨它们在所测空间的成分变化和分布。收集镜头具有远焦和变焦特性，能够选择10公里以内的目标空间，对该空间内的气体和物体的反射、散射和发光进行收集，通过收集镜头调制成为平行光，为下一步光波参数调制做准备，光波调制系统用过滤片来选择对被测气体敏感的波长和波段，通过波片来改变光的偏振态，如用1/8波片，1/4波片和1/2波片对两个正交偏振或圆偏振之间的相位差进行调节。然后用偏振片与波片的组合沿光轴同轴选装或垂直方向倾斜来实现对偏振位相、相位和空间角等进行步进扫描，也可以单独使用波片，接着通过成像镜头将光线聚焦，其中成像镜头有标准消相差和去杂散光作用，可选用普通照相镜头，光线聚焦后，通过利用CCD像素系统实现动态光场变化的测量，即通过CCD像素对光场的光电转化来记录每一个像素上光场的强弱，对光波参数模式化扫描过程中光场的变化进行跟踪测量，测量的软硬件系统将利用光场变化来计算被测气体产生的光波参数，通过这些参数回归到面阵传感坐标，光波参数图形成非直观光波参数图，CCD像素系统参与探测光场和光场变化，为图像确定空间坐标。CCD像素系统可以选用测量线性较好和光场反应误差较小的标准CCD摄像头，最后通过计算机实现对光波参数模式化调制和光场数据读取实现自动化、程式化控制，同时对所得数据矩阵进行拟合过滤，提取仅由被测气体等近场物质所产生的光波参数值从而确定它们在所测空间的变化，并根据面阵传感坐标形成多个光波参数非直观图像，并以图像和数据图表显示，方便易读。

图4显示中午和晚上测得的旋转偏振度-空间位置曲线（左），这两条曲线是从测量得到的旋转偏振度图（右）中一条由下向上的截线上获得。旋转偏振光遇到具有旋转双吸收（圆二色性）的分子时，如旋转结构分子碳氢化合物，产生不同吸收，造成右旋和左旋偏振度差，从该图可得出碳氢化合物等分子在大气中的含量变化，从图中可以看出中午地面旋转偏振度明显高于傍晚。

图5是非直观光波参数图与直观光强差图比较图，从图中可以看出，相差模式化测量过程的特殊拟合过滤作用大大消除了由：大气散射，测量器件振动和光学点衍射等误差，相差对物质结构的强耦合对远距离物体的反射和散射有高的多的敏感度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非直观成像检测大气成分的光学系统，其特征在于，包括：

光源：发出作为检测光学系统的参考光和被测物的检测光；

收集镜头：对被测物的反射、散射和发光进行收集；

光波调制系统：用于对被测量光路的偏振态进行模式化自动调制；

成像镜头：用于即时成像，将到达光学系统的光线聚焦成像以便用CCD像素系统记录所得图像；

CCD像素系统：配合光波调制系统采用动态模式化扫描方法记录每一个像素光场强度的变化。

2.根据权利要求1所述的一种非直观成像检测大气成分的光学系统，其特征在于：所述的非直观成像检测大气成分的光学系统还包括计算机处理系统，计算机处理系统和CCD像素系统相连接，所述计算机处理系统对CCD像素系统记录的光场强度变化的数据进行拟合处理反算被测物的光波偏振参数图从而对被测物的成分进行分析，并提供操作界面。

3.根据权利要求1或2所述的一种非直观成像检测大气成分的光学系统，其特征在于：所述光源采用经过无污染大气散射后的自然光。

4.根据权利要求1或2所述的一种非直观成像检测大气成分的光学系统，其特征在于：所述的光波调制系统使用滤光片来选择对被测物敏感的波长和波段。

5.根据权利要求1或2所述的一种非直观成像检测大气成分的光学系统，其特征在于：所述的光波调制系统使用波片和偏振片来对偏振位相、相位和空间角进行步进扫描，对光场的偏振状态进行过滤，对光路偏振态产生响应并将响应提供给CCD像素系统。

6.根据权利要求1或2所述的一种非直观成像检测大气成分的光学系统，其特征在于：CCD像素系统采用单色CCD对光场强度进行偏振模式化测量，测量结果为单个像点，即以单个像素所在的位置所决定的点所得到的独立的光场强度变化。

7.一种利用权利要求1所述的系统实现非直观成像检测大气成分的光学方法，其特征在于：所述光源发出的光经过被测物和所述的光学系统时，被测物形貌、结构和成分将改变光线并形成偏振态，通过对光路中的偏振态进行模式化扫描检测，获取偏振态的状态参数，包括两垂直线偏振的相位差、两手向相反旋转偏振相位差、慢轴的偏振角、坐标轴向两线偏振的偏振度差、45度方向垂直偏振的偏振度差、两旋转偏振度差、线偏振双吸收、旋转偏振双吸收、总线性偏振度，偏振平均光强，总偏振光强，这些偏振态参数中的一个或几个的组合带有被测物或建筑物的物质结构、成分和形貌特征，通过所述光波调制系统光波偏振状态参数动态模式化检测，获取每一个像素点的偏振参数值，归位到像素坐标，得出空间参数变化图像，实现非直观偏振参数成像，进一步获取被测物结构、成分和形貌特征。