CN110095423B - 一种多通道污染排放应急遥测成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道污染排放应急遥测成像系统，光学导入单元用于同步获取可见图像、紫外光谱、激光测距、红外热成像；所述紫外光谱采集系统用于接收光学导入单元的数据信息并通过多束光纤传输到高分辨光谱仪中；所述高分辨光谱仪将接收的大气散射光经光栅分光成像在CCD探测器上，并经模数转换后由计算机进行光谱处理；所述光学导入单元、紫外光谱采集系统放置于高精度扫描平台上；所述高精度扫描平台为配置有步进电机和方位角调整电机的转动平台，其用于根据不同方向、不同高度的目标调整仰角及方位角。本发明可以实现对污染事件突发排放的快速、多组分遥测，获得污染气体具有空间分辨的二维分布状况。
Description
技术领域
本发明涉及光学遥感测量领域，尤其涉及一种多通道污染排放应急遥测成像系统及方法。
背景技术
在空气质量监测和污染事件应急处理中的一个重要问题是快速、较高分辨地获得污染气体空间分布信息，而快速、准确地获得具有较多机动车排放、高架源排放或复杂地形结构的地球低层污染气体空间二维分布信息更是挑战。
目前遥测低层污染气体浓度水平、垂直分布的方法主要有：激光雷达技术、被动傅里叶变换技术、被动差分吸收光谱技术等。激光雷达技术受到激光器波长的限制，不能进行多组分的同时测量，在探测低层污染气体的水平分布时，发出的激光具有一定的危险性且也不适用于气体的探测。被动傅里叶变换技术虽然能够对污染排放源进行遥测，但由于观测方式限制，无法快速获取污染物的二维分布信息。被动差分吸收光谱技术一般更关注于垂直方向柱浓度的分布，无法获得污染物的水平分布信息。
据此，目前急需一种快速、灵活、非接触的获取污染气体二维分布信息的多通道污染排放应急遥测成像系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种快速、灵活、非接触的获取污染气体二维分布信息的多通道污染排放应急遥测成像系统及方法。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多通道污染排放应急遥测成像系统，包括光学导入单元、紫外光谱采集系统、高精度扫描平台、多束光纤、高分辨光谱仪、CCD探测器、计算机；所述光学导入单元用于同步获取可见图像、紫外光谱、激光测距、红外热成像；所述紫外光谱采集系统用于接收光学导入单元的数据信息并通过多束光纤传输到高分辨光谱仪中；所述高分辨光谱仪将接收的大气散射光经光栅分光成像在CCD探测器上，并经模数转换后由计算机进行光谱处理；所述光学导入单元、紫外光谱采集系统放置于高精度扫描平台上；所述高精度扫描平台为配置有步进电机和方位角调整电机的转动平台，其用于根据不同方向、不同高度的目标调整仰角及方位角。
作为本发明的优选方式之一，所述紫外光谱采集系统的光路上依次配置了滤光片、准直透镜、聚焦透镜。
作为本发明的优选方式之一，所述滤光片、准直透镜、聚焦透镜均采用石英材料。
作为本发明的优选方式之一，所述滤光片为300nm-500nm紫外滤光片。
作为本发明的优选方式之一，所述光学导入单元为四通道同轴集成设计，其包括紫外光谱镜头、可见光镜头、红外热像仪镜头和激光测距仪镜头；集可见图像采集、紫外光谱采集、激光测距、红外热成像等功能于一体，在保证视场同步的情况下获取污染物的空间分布等信息。
作为本发明的优选方式之一，所述的光学导入单元可实时采集目标区域的大气散射光谱，并结合数据反演软件实时输出浓度信息，所得浓度与可见图像进行实时空间匹配成图并显示；同时激光测距仪给出距离信息，红外热像仪通道输出热成像结果。
作为本发明的优选方式之一，还包括恒温箱；所述高分辨光谱仪密封于恒温箱内。
作为本发明的优选方式之一，所述高精度扫描平台的导光系统可根据目标的空间范围调整扫描精度和扫描速度，从而获得高分辨的空间分布信息，水平扫描角度范围-180°-180°，垂直扫描范围0-90°，扫描精度0.05°。
作为本发明的优选方式之一，所述的多束光纤采用直径为100um石英光纤束耦合而成，光纤束数值孔径采用与前置望远镜、后置光谱仪F数相匹配的组合设计，以保证视场的同步性并提高光的接收效率。
本发明还公开了一种多通道污染排放应急遥测成像方法，包括以下步骤：
S1、首先，安装在高精度扫描平台上的遥测装置首先对准待测目标(污染排放源)获得目标区域的可见图像及距离信息；
S2、再通过扫描平台对目标区域进行高精度扫描，利用紫外可见光谱通道采集透过目标的大气散射光谱；
S3、采光望远镜对准目标物采集经过目标的(测量谱)和目标以外的(参考谱)大气散射太阳光谱，应用最小二乘法解析出目标区域排放的污染物浓度；
S4、随着平台的高精度扫描，可得出目标区域内污染物的浓度分布信息；
S5、最后，结合可见图像信息，将污染物浓度与可见图像进行匹配，进而获得目标区域污染物排放的空间分布的信息。
本发明的主要特点如下：
1、处于高精度扫描平台上的多通道遥测成像装置，可快速解析出污染气体二维空间浓度信息并与可见图像匹配显示，可实时获得污染物浓度的空间分布变化。
2、装有高精度二维扫描平台的光学导入单元可以根据目标特征来调整光学导入系统的接收角度，并调整扫描精度，可探测污染气体二维分布状况。
3、光学导入单元采用集可见图像通道、紫外光谱通道、激光测距仪通道、红外热像仪通道于一体的设计，可实时获取目标区域污染物的浓度、距离等分布信息。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明可以实现对污染事件突发排放的快速、多组分遥测，获得污染气体具有空间分辨的二维分布状况。本发明可应用于污染突发事件的应急监测和排放源的遥测评估研究，为环保部门对污染事件的处理和污染水平的评估提供技术及数据支持；本发明也可用于大气化学研究，为大气化学模型提供输入数据。
附图说明
图1是实施例中多通道污染排放应急遥测成像方法示意图；
图2是实施例中多通道污染排放应急遥测成像系统结构示意图。
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。
如图1所示，处于远处的遥测装置采集经过目标区域(污染排放源)的大气散射光谱，结合经过目标区域外测得的参考谱，应用最小二乘方法获得目标区域的浓度信息CA11-CAnm，再利用可见图像通道采集目标区域图像信息PA1B1BnAn，以及结合激光测距仪获得的距离信息，结合扫描平台的扫描精度依次将浓度与目标区域的图像进行一一对应匹配，从而生成污染物的空间分布图像。
实施例1
参见图2：本实施例的一种多通道污染排放应急遥测成像系统，包括光学导入单元、紫外光谱采集系统、高精度扫描平台(11)、多束光纤(8)、高分辨光谱仪(9)、CCD探测器、计算机12；所述光学导入单元用于同步获取可见图像、紫外光谱、激光测距、红外热成像；所述紫外光谱采集系统用于接收光学导入单元的数据信息并通过多束光纤(8)传输到高分辨光谱仪(9)中；所述高分辨光谱仪(9)将接收的大气散射光经光栅分光成像在CCD探测器上，并经模数转换后由计算机(12)进行光谱处理；所述光学导入单元、紫外光谱采集系统放置于高精度扫描平台(11)上；所述高精度扫描平台(11)为配置有步进电机和方位角调整电机的转动平台，其用于根据不同方向、不同高度的目标调整仰角及方位角。本实施例装有高精度二维扫描平台的光学导入单元可以根据目标特征来调整光学导入系统的接收角度，并调整扫描精度，可探测污染气体二维分布状况。
实施例2
本实施例的一种多通道污染排放应急遥测成像系统，其结构与实施例1基本相同，主要不同之处在于：所述紫外光谱采集系统的光路上依次配置了滤光片(5)、准直透镜(6)、聚焦透镜(7)，所述滤光片(5)、准直透镜(6)、聚焦透镜(7)均采用石英材料，所述滤光片(5)为300nm-500nm紫外滤光片，所述光学导入单元为四通道同轴集成设计，其包括紫外光谱镜头(1)、可见光镜头(2)、红外热像仪镜头(3)和激光测距仪镜头(4)；集可见图像采集、紫外光谱采集、激光测距、红外热成像等功能于一体，在保证视场同步的情况下获取污染物的空间分布等信息，所述的光学导入单元可实时采集目标区域的大气散射光谱，并结合数据反演软件实时输出浓度信息，所得浓度与可见图像进行实时空间匹配成图并显示；同时激光测距仪给出距离信息，红外热像仪通道输出热成像结果。
实施例3
本实施例的一种多通道污染排放应急遥测成像系统，其结构与实施例1基本相同，主要不同之处在于：还包括恒温箱(10)；所述高分辨光谱仪(9)密封于恒温箱(10)内，所述高精度扫描平台(11)的导光系统可根据目标的空间范围调整扫描精度和扫描速度，从而获得高分辨的空间分布信息，水平扫描角度范围-180°-180°，垂直扫描范围0-90°，扫描精度0.05°，所述的多束光纤(8)采用直径为100um石英光纤束耦合而成，光纤束数值孔径采用与前置望远镜、后置光谱仪F数相匹配的组合设计，以保证视场的同步性并提高光的接收效率。
本发明还公开了一种多通道污染排放应急遥测成像方法，包括以下步骤：
S1、首先，安装在高精度扫描平台上的遥测装置首先对准待测目标(污染排放源)获得目标区域的可见图像及距离信息；
S2、再通过扫描平台对目标区域进行高精度扫描，利用紫外可见光谱通道采集透过目标的大气散射光谱；
S3、采光望远镜对准目标物采集经过目标的(测量谱)和目标以外的(参考谱)大气散射太阳光谱，应用最小二乘法解析出目标区域排放的污染物浓度；
S4、随着平台的高精度扫描，可得出目标区域内污染物的浓度分布信息；
S5、最后，结合可见图像信息，将污染物浓度与可见图像进行匹配，进而获得目标区域污染物排放的空间分布的信息。
实际测量时，高精度扫描平台的导光系统对准目标，通过可见光镜头调整对准目标程度。在导光系统确定测量方向后再根据测量需求和目标特性进行光谱测量，记录参考点光谱；然后开始对目标进行扫描观测，记录所测光谱，通过计算机进行处理。
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 (9)
1.一种多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，包括光学导入单元、紫外光谱采集系统、高精度扫描平台(11)、多束光纤(8)、高分辨光谱仪(9)、CCD探测器、计算机(12)；所述光学导入单元用于同步获取可见图像、紫外光谱、激光测距、红外热成像；所述紫外光谱采集系统用于接收光学导入单元的数据信息并通过多束光纤(8)传输到高分辨光谱仪(9)中；所述高分辨光谱仪(9)将接收的大气散射光经光栅分光成像在CCD探测器上，并经模数转换后由计算机(12)进行光谱处理；所述光学导入单元、紫外光谱采集系统放置于高精度扫描平台(11)上；所述高精度扫描平台(11)为配置有步进电机和方位角调整电机的转动平台，其用于根据不同方向、不同高度的目标调整仰角及方位角，所述光学导入单元为四通道同轴集成设计，其包括紫外光谱镜头(1)、可见光镜头(2)、红外热像仪镜头(3)和激光测距仪镜头(4)。
2.根据权利要求1所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，所述紫外光谱采集系统的光路上依次配置了滤光片(5)、准直透镜(6)、聚焦透镜(7)。
3.根据权利要求2所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，所述滤光片(5)、准直透镜(6)、聚焦透镜(7)均采用石英材料。
4.根据权利要求2所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，所述滤光片(5)为300nm-500nm紫外滤光片。
5.根据权利要求1所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，所述的光学导入单元可实时采集目标区域的大气散射光谱，并结合数据反演软件实时输出浓度信息，所得浓度与可见图像进行实时空间匹配成图并显示；同时激光测距仪给出距离信息，红外热像仪通道输出热成像结果。
6.根据权利要求1所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，还包括恒温箱(10)；所述高分辨光谱仪(9)密封于恒温箱(10)内。
7.根据权利要求1所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，所述高精度扫描平台(11)的导光系统可根据目标的空间范围调整扫描精度和扫描速度，从而获得高分辨的空间分布信息，水平扫描角度范围-180°-180°，垂直扫描范围0-90°，扫描精度0.05°。
8.根据权利要求1所述的多通道污染排放应急遥测成像系统，其特征在于，所述的多束光纤(8)采用直径为100um石英光纤束耦合而成，光纤束数值孔径采用与前置望远镜、后置光谱仪F数相匹配的组合设计。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的多通道污染排放应急遥测成像系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、首先，安装在高精度扫描平台上的遥测装置首先对准待测目标获得目标区域的可见图像及距离信息；
S2、再通过扫描平台对目标区域进行高精度扫描，利用紫外可见光谱通道采集透过目标的大气散射光谱；
S3、采光望远镜对准目标物采集经过目标的测量谱和目标以外的大气散射太阳光谱，应用最小二乘法解析出目标区域排放的污染物浓度；
S4、随着平台的高精度扫描，可得出目标区域内污染物的浓度分布信息；
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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