CN109490238A - 一种短波红外ch4遥测成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短波红外CH4遥测成像装置，包括高精度二维扫描转台、置于高精度二维扫描转台上的双通道测量单元、高灵敏度CMOS紫外感光元件、可见视频元件、电脑控制系统；电脑控制系统驱动控制高精度二维扫描转台对目标观测区域进行高精度扫描；双通道测量单元接收目标区域的散射太阳光后分别进入到高灵敏度CMOS紫外感光元件和可见视频元件中，高灵敏度CMOS紫外感光元件和可见视频元件将信息进行模数转换后送入计算机中进行处理并利用最小二乘法解析出CH4的浓度信息，双通道测量单元内安装GPS定位系统，用于获取装置地理位置等信息，GPS定位系统通过USB数据线与计算机通讯。本发明可以实现对大气及排放源CH4浓度分布的成像遥测。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量方法领域，尤其涉及一种短波红外CH4遥测成像装置。
背景技术
CH4是重要的温室气体，在全球变暖的温室效应中扮演着重要角色。CH4气体的监测技术经历了最初的现场采样、实验室分析，到现场在线监测以及近年来的新型光学遥测技术的发展过程。光学遥测技术能够实现现场非接触、实时在线的连续测量，并且遥测更能反映整个大气层CH4的浓度分布及变化情况。
目前用于CH4气体遥测的主要方法有：激光雷达(LIDAR)、傅里叶光谱仪(FTS)等，而用于测量CH4全球分布的设备主要为卫星搭载设备(如SCIAMACHY)。对于激光雷达设备，虽然能够给出CH4的垂直分布，但是系统复杂，成本高，且测量波段受激光器波长的限制，对激光器要求高；傅里叶光谱仪也能遥测CH4的浓度分布，但是同样成本很高，设备复杂。
据此，目前急需一种系统结构简单、能够实时获得浓度分布结果及空间分布信息、并可有效提高对CH4排放的探测精度的短波红外CH4遥测成像装置，解决了目前CH4泄露、排放等遥测手段缺乏的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种系统结构简单、能够实时获得浓度分布结果及空间分布信息、并可有效提高对CH4排放的探测精度的短波红外CH4遥测成像装置。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种短波红外CH4遥测成像装置，包括高精度二维扫描转台、置于高精度二维扫描转台上的双通道测量单元、高灵敏度CMOS紫外感光元件、可见视频元件、电脑控制系统；所述电脑控制系统驱动控制高精度二维扫描转台对目标观测区域进行高精度扫描；所述双通道测量单元接收目标区域的散射太阳光后分别进入到高灵敏度CMOS紫外感光元件和可见视频元件中，所述高灵敏度CMOS紫外感光元件和可见视频元件将信息进行模数转换后送入计算机中进行处理并利用最小二乘法解析出CH4的浓度信息，所述双通道测量单元内安装GPS定位系统，用于获取装置地理位置等信息，GPS定位系统通过USB数据线与计算机通讯。
作为本发明的优选方式之一，所述双通道测量单元采用同轴设计，用于同步获得目标区域可见图像和CH4浓度分布信息，并进行图形融合。
作为本发明的优选方式之一，所述的双通道测量单元包括紫外探测通道和可见光探测通道，所述紫外探测通道沿光通过路径上依次设置有滤波片、第二聚焦透镜、第二准直透镜、法布里珀罗干涉仪、高灵敏度CMOS紫外感光元件；所述可见光探测通道沿光通过路径上依次设置有第三聚焦透镜、第三准直透镜、可见视频元件。
作为本发明的优选方式之一，所述可见视频元件接收光的具体路径为：望远镜接收的太阳光经前置滤波器滤波后进入第一聚焦透镜、第一准直透镜入射至分光镜，分光镜将部分经过滤波后的太阳光反射至离轴抛物面反射镜，离轴抛物面反射镜反射至可见光探测通道，经第三聚焦透镜、第三准直透镜后被可见视频元件接收；
所述高灵敏度CMOS紫外感光元件接收光的具体路径为：分光镜将其余经过滤波后的太阳光透射至紫外探测通道，先后经过经滤波片、第二聚焦透镜、第二准直透镜、法布里珀罗干涉仪，经法布里珀罗干涉仪优化选择使存在CH4吸收波段的太阳光通过法布里珀罗干涉仪后反射至高灵敏CMOS紫外感光元件。
作为本发明的优选方式之一，所述前置滤波器、第一聚焦透镜、第一准直透镜、滤波片、第二聚焦透镜、第二准直透镜、第三聚焦透镜、第三准直透镜均采用石英材料。
作为本发明的优选方式之一，所述前置滤波器、滤波片均为1550-1650nm短波红外波段的滤光片。
作为本发明的优选方式之一，所述望远镜内设置有高精度太阳跟踪装置、红外聚焦透镜、红外光学衰减片；红外聚焦透镜镜片为1500nm-1700nm短波红外波段的镜片。
作为本发明的优选方式之一，所述布里珀罗干涉仪优化选择具体为：法布里-珀罗干涉条纹与CH4吸收截面的匹配采用最小二乘的方法拟合，获得拟合系数，将拟合系数与不同已知浓度值进行相关性分析，获得CH4浓度与系数的关系，从而实现对系统的标定。
作为本发明的优选方式之一，其中在最小二乘拟合计算中，将法布里珀罗干涉腔获得的紫外通道的干涉环与CH4吸收光谱进行最优化匹配，获得经过法布里珀罗光路光谱与另一路光谱的拟合系数；
计算公式如下，
其中I(λ)为经过法布里珀罗光谱的光谱，I0(λ)为直接接收的另一路光谱，σj(λ)为各种气体分子的吸收截面，cj(λ)为包含了浓度信息的吸收系数，P(λ)为各种误差多项式，L为法布里珀罗腔体的长度。
作为本发明的优选方式之一，所述高精度二维扫描转台扫描的仰角范围为0-90°，方位角-180°-180°，扫描精度为0.05°。
本发明的主要特点如下：
1、利用高精度二维扫描转台实现对目标区域的高精度扫描探测，获得穿过目标区域的太阳散射光，经过法布里珀罗调制后的光谱信号利用最小二乘拟合的方法获得CH4浓度信息，从而实现对目标区域浓度的探测。
2、独特的双通道测量单元，可实现CH4浓度分布的实时定位和定量。
本发明相比现有技术的优点在于：通过本发明的短波红外CH4遥测成像装置，可以实现对大气及排放源CH4浓度分布的成像遥测；通过高精度二维扫描转台驱动双通道测量单元接收散射太阳光的方式，实现对目标区域CH4吸收光谱的测量，与其它光学方法相比在减少装置体积和成本的同时又获得了污染气体的空间分布信息，可应用于大气CH4浓度分布及污染源排放、泄露等监督性监测研究。
附图说明
图1是实施例1中的短波红外CH4遥测成像装置的结构示意图；
图2是实施例1中短波红外CH4遥测成像装置的成像原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
参见图1-2：本实施例的一种短波红外CH4遥测成像装置，包括高精度二维扫描转台16、置于高精度二维扫描转台16上的双通道测量单元、高灵敏度CMOS紫外感光元件9、可见视频元件13、电脑控制系统；所述电脑控制系统驱动控制高精度二维扫描转台16对目标观测区域进行高精度扫描；所述双通道测量单元接收目标区域的散射太阳光后分别进入到高灵敏度CMOS紫外感光元件9和可见视频元件13中，所述高灵敏度CMOS紫外感光元件9和可见视频元件13将信息进行模数转换后送入计算机中进行处理并利用最小二乘法解析出CH4的浓度信息，所述双通道测量单元内安装GPS定位系统，用于获取装置地理位置等信息，GPS定位系统通过USB数据线与计算机通讯，所述双通道测量单元采用同轴设计，用于同步获得目标区域可见图像和CH4浓度分布信息，并进行图形融合，
所述的双通道测量单元包括紫外探测通道15和可见光探测通道14，所述紫外探测通道15沿光通过路径上依次设置有滤波片5、第二聚焦透镜6、第二准直透镜7、法布里珀罗干涉仪8、高灵敏度CMOS紫外感光元件9；所述可见光探测通道14沿光通过路径上依次设置有第三聚焦透镜11、第三准直透镜12、可见视频元件13，
所述可见视频元件13接收光的具体路径为：望远镜接收的太阳光经前置滤波器1滤波后进入第一聚焦透镜2、第一准直透镜3入射至分光镜4，分光镜4将部分经过滤波后的太阳光反射至离轴抛物面反射镜10，离轴抛物面反射镜10反射至可见光探测通道14，经第三聚焦透镜11、第三准直透镜12后被可见视频元件13接收；
所述高灵敏度CMOS紫外感光元件9接收光的具体路径为：分光镜4将其余经过滤波后的太阳光透射至紫外探测通道15，先后经过经滤波片5、第二聚焦透镜6、第二准直透镜7、法布里珀罗干涉仪8，经法布里珀罗干涉仪(8)优化选择使存在CH4吸收波段的太阳光通过法布里珀罗干涉仪8后反射至高灵敏CMOS紫外感光元件9；
本实施例采用高精度二维扫描转台驱动双通道测量单元对测量区域的太阳散射光进行高精度扫描探测，收集穿过测量区域的散射太阳光，经法布里珀罗干涉仪调制的光与CH4吸收截面进行最小二乘拟合，解析出CH4的浓度信息并与可见通道进行空间匹配，实时获得CH4空间分布信息。
优选的，所述前置滤波器1、第一聚焦透镜2、第一准直透镜3、滤波片5、第二聚焦透镜6、第二准直透镜7、第三聚焦透镜11、第三准直透镜12均采用石英材料，所述前置滤波器1、滤波片5均为1550-1650nm短波红外波段的滤光片。
进一步的，所述望远镜内设置有高精度太阳跟踪装置、红外聚焦透镜、红外光学衰减片；红外聚焦透镜镜片为1500nm-1700nm短波红外波段的镜片。
进一步的，所述布里珀罗干涉仪8优化选择具体为：法布里-珀罗干涉条纹与CH4吸收截面的匹配采用最小二乘的方法拟合，获得拟合系数，将拟合系数与不同已知浓度值进行相关性分析，获得CH4浓度与系数的关系，从而实现对系统的标定，其中在最小二乘拟合计算中，将法布里珀罗干涉腔获得的紫外通道的干涉环与CH4吸收光谱进行最优化匹配，获得经过法布里珀罗光路光谱与另一路光谱的拟合系数；
计算公式如下，
其中I(λ)为经过法布里珀罗光谱的光谱，I0(λ)为直接接收的另一路光谱，σj(λ)为各种气体分子的吸收截面，cj(λ)为包含了浓度信息的吸收系数，P(λ)为各种误差多项式，L为法布里珀罗腔体的长度。
优选的，所述高精度二维扫描转台16扫描的仰角范围为0-90°，方位角-180°-180°，扫描精度为0.05°。
本实施例可应用于污染源排放的CH4浓度测量，并可对无组织排放及泄露等进行监督性监测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，包括高精度二维扫描转台(16)、置于高精度二维扫描转台(16)上的双通道测量单元、高灵敏度CMOS紫外感光元件(9)、可见视频元件(13)、电脑控制系统；所述电脑控制系统驱动控制高精度二维扫描转台(16)对目标观测区域进行高精度扫描；所述双通道测量单元接收目标区域的散射太阳光后分别进入到高灵敏度CMOS紫外感光元件(9)和可见视频元件(13)中，所述高灵敏度CMOS紫外感光元件(9)和可见视频元件(13)将信息进行模数转换后送入计算机中进行处理并利用最小二乘法解析出CH4的浓度信息，所述双通道测量单元内安装GPS定位系统，GPS定位系统通过USB数据线与计算机通讯。
2.根据权利要求1所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述双通道测量单元采用同轴设计，用于同步获得目标区域可见图像和CH4浓度分布信息，并进行图形融合。
3.根据权利要求1所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述的双通道测量单元包括紫外探测通道(15)和可见光探测通道(14)，所述紫外探测通道(15)沿光通过路径上依次设置有滤波片(5)、第二聚焦透镜(6)、第二准直透镜(7)、法布里珀罗干涉仪(8)、高灵敏度CMOS紫外感光元件(9)；所述可见光探测通道(14)沿光通过路径上依次设置有第三聚焦透镜(11)、第三准直透镜(12)、可见视频元件(13)。
4.根据权利要求3所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述可见视频元件(13)接收光的具体路径为：望远镜接收的太阳光经前置滤波器(1)滤波后进入第一聚焦透镜(2)、第一准直透镜(3)入射至分光镜(4)，分光镜(4)将部分经过滤波后的太阳光反射至离轴抛物面反射镜(10)，离轴抛物面反射镜(10)反射至可见光探测通道(14)，经第三聚焦透镜(11)、第三准直透镜(12)后被可见视频元件(13)接收；
所述高灵敏度CMOS紫外感光元件(9)接收光的具体路径为：分光镜(4)将其余经过滤波后的太阳光透射至紫外探测通道(15)，先后经过经滤波片(5)、第二聚焦透镜(6)、第二准直透镜(7)、法布里珀罗干涉仪(8)，经法布里珀罗干涉仪(8)优化选择使存在CH4吸收波段的太阳光通过法布里珀罗干涉仪(8)后反射至高灵敏CMOS紫外感光元件(9)。
5.根据权利要求4所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述前置滤波器(1)、第一聚焦透镜(2)、第一准直透镜(3)、滤波片(5)、第二聚焦透镜(6)、第二准直透镜(7)、第三聚焦透镜(11)、第三准直透镜(12)均采用石英材料。
6.根据权利要求5所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述前置滤波器(1)、滤波片(5)均为1550-1650nm短波红外波段的滤光片。
7.根据权利要求4所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述望远镜内设置有高精度太阳跟踪装置、红外聚焦透镜、红外光学衰减片；红外聚焦透镜镜片为1500nm-1700nm短波红外波段的镜片。
8.根据权利要求4所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述布里珀罗干涉仪(8)优化选择具体为：法布里-珀罗干涉条纹与CH4吸收截面的匹配采用最小二乘的方法拟合，获得拟合系数，将拟合系数与不同已知浓度值进行相关性分析，获得CH4浓度与系数的关系。
9.根据权利要求8所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，其中在最小二乘拟合计算中，将法布里珀罗干涉腔获得的紫外通道的干涉环与CH4吸收光谱进行最优化匹配，获得经过法布里珀罗光路光谱与另一路光谱的拟合系数；
计算公式如下，
其中I(λ)为经过法布里珀罗光谱的光谱，I0(λ)为直接接收的另一路光谱，σj(λ)为各种气体分子的吸收截面，cj(λ)为包含了浓度信息的吸收系数，P(λ)为各种误差多项式，L为法布里珀罗腔体的长度。
10.根据权利要求1所述的短波红外CH4遥测成像装置，其特征在于，所述高精度二维扫描转台(16)扫描的仰角范围为0-90°，方位角-180°-180°，扫描精度为0.05°。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112782118A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种多通道甲烷泄露光学遥测装置及测量方法 |
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| CN112782118B (zh) * | 2020-12-24 | 2024-01-05 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种多通道甲烷泄露光学遥测装置及测量方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190319 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |