CN110411950A - 成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，以使得采集的数据能被后续用于断层截面重建。在高架点源下风处的水平地面上，将两台成像差分吸收光谱仪排列在同一直线上。调整其方位角，使光谱仪垂直方向的视场在同一竖直平面内。正式采集数据之前，对气体污染物进行预扫描，根据预扫描的结果调整光谱仪的仰角，使气体的扩散被限制在光谱仪的视场角范围内，并根据气体扩散情况选择自动或手动采集数据。采用本发明可以连续采集大气污染物断层图像的气体柱浓度，提高了气体（NO2、SO2）扩散断层重建数据的时间解析度。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度光学遥感数据采集方法领域，具体是一种成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法。
背景技术
NO2和SO2主要来源于煤、石油等化石燃料的燃烧，从工厂烟囱等高架源排出后难以进行直接的测量，只能采纳遥感技术即非接触式的间接测量。然而测量得到的并不是空间某个位置的浓度，而是沿光传输路径的浓度积分。路径积分浓度与计算层析技术相结合可以重建出空间某个位置的浓度，为了确保采集的数据具有较高的时间分辨率和空间分辨率，方便后期的计算机层析算法重建出的图像具有较高的可信度，需要在较短时间内一定区域中密集采集的路径积分浓度。而目前采用多轴差分吸收光谱仪密集采集数据时存在采集速度慢、空间分辨率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，以解决现有技术利用多轴差分吸收光谱仪采集数据存在的速度慢、空间分辨率低的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：采用两台置于地面上的成像差分吸收光谱仪，对高架点源形成的气体烟羽的层析数据进行采集，依次具体包括以下步骤：
(1)、初步确定两台成像差分吸收光谱仪的位置，使两台成像差分吸收光谱仪分别位于气体烟羽初始时在地面的投影的两侧，并沿气体烟羽移动方向调整两台成像差分吸收光谱仪的位置，使气体烟羽初始时的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间地面上的水平连线的中垂线的夹角小于45度；
(2)、确定两台成像差分吸收光谱仪的间距，使两台成像差分吸收光谱仪的间距大于高架点源高度的两倍；
(3)、初步确定两台成像差分吸收光谱仪之间相对方位角，使每台成像差分吸收光谱仪的镜头指向对面的成像差分吸收光谱仪，并使两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围在同一平面内；
(4)、初步确定两台成像差分吸收光谱仪的仰角，使气体烟羽初始时分别全部包含在两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围内；
(5)、在步骤(1)初步确定的相对位置、步骤(2)确定的间距、步骤(3) 初步确定的相对方位角和步骤(4)初步确定的仰角条件下，通过两台成像差分吸收光谱仪连续采集烟羽的层析数据；
当气体烟羽的扩散范围超出两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的的视场范围时，调整两台成像差分吸收光谱仪的仰角以达到步骤(4)的仰角要求，然后继续采集层析数据；
当气体烟羽的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间连线的中垂线的夹角不满足步骤(1)中的要求时，停止采集数据并重新调整两台成像差分吸收光谱仪的相对位置、相对方位角和仰角，使两台成像差分吸收光谱仪的相对位置符合步骤(1)的要求、相对方位角符合步骤(3)的要求、仰角符合步骤(4)的要求后，再进行层析数据的采集。
所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤(1)中，气体烟羽初始时在地面的投影为气体烟羽的实际投影，或者是根据气体烟羽的传播方向估计出的投影。
所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤(2)中，高架点源的高度使用激光测距仪并利用三角形原理测得；
两台成像差分吸收光谱仪之间间距，在两台成像差分吸收光谱仪之间没有障碍物时使用激光测距仪直接测得，在两台成像差分吸收光谱仪之间有障碍物时，通过两台成像差分吸收光谱仪在电子地图上的位置得到。
所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤(3)中，当两台成像差分吸收光谱仪之间没有障碍物遮挡视线时，分别令每台成像差分吸收光谱仪进行水平扫描，扫描间隔0.1度，根据扫描图像的 DN值和地面标志物确定对面成像差分吸收光谱仪的方位角，进而得到两台成像差分吸收光谱仪的相对方位角；
当两台成像差分吸收光谱仪之间有障碍物遮挡视线时，利用经纬度计算两台成像差分吸收光谱仪的相对方位角。
所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤(4)中，分别将每台成像差分吸收光谱仪分别以仰角45度对高架点源进行预扫描，并从高架点源上风处开始预扫描，直到每台成像差分吸收光谱仪已明显将超过另一台光谱仪所在的方位角，将扫描结果输入计算机中进行反演，根据反演得到的二维平面分布图，根据二维平面分布图确定两台成像差分吸收光谱仪的仰角是否满足气体烟羽全部包含在两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围内。
所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤(5)中，将层析数据送入计算机中，在计算机中采用层析图像重建算法进行重建得到重建图像，根据重建图像监测气体烟羽的位置，并判断气体烟羽的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间连线的中垂线的夹角是否满足步骤 (1)的要求。
与现有技术相比，本发明优点为：
本发明使用成像差分吸收光谱仪采集数据，能够在秒级时间内一次性采集多条光谱，有效提高了断层图像数据采集的时间分辨率，防止了气体分布情况变化导致的数据前后矛盾。重建得到的污染气体大致位于图像的中心区域，有利于后期提高重建可信度。快速确定成像差分吸收光谱仪的仰角和方位角，降低了实验准备工作的复杂性。
附图说明
图1为本发明俯视图。
图2为断层扫描系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，采用两台置于地面上的成像差分吸收光谱仪，对高架点源形成的气体烟羽的层析数据进行采集，依次具体包括以下步骤：
(1)、初步确定两台成像差分吸收光谱仪的位置，使两台成像差分吸收光谱仪分别位于气体烟羽初始时在地面的投影的两侧，并沿气体烟羽移动方向(如图 1中的箭头所示方向)调整两台成像差分吸收光谱仪的位置，使气体烟羽初始时的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间地面上的水平连线的中垂线的夹角小于45度；
(2)、确定两台成像差分吸收光谱仪的间距，使两台成像差分吸收光谱仪的间距大于高架点源高度的两倍；
(3)、初步确定两台成像差分吸收光谱仪之间相对方位角，使每台成像差分吸收光谱仪的镜头指向对面的成像差分吸收光谱仪，并使两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围在同一平面内；
(4)、初步确定两台成像差分吸收光谱仪的仰角，使气体烟羽初始时分别全部包含在两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围内；
(5)、在步骤(1)初步确定的相对位置、步骤(2)确定的间距、步骤(3) 初步确定的相对方位角和步骤(4)初步确定的仰角条件下，通过两台成像差分吸收光谱仪连续采集烟羽的层析数据；
当气体烟羽的扩散范围超出两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的的视场范围时，调整两台成像差分吸收光谱仪的仰角以达到步骤(4)的仰角要求，然后继续采集层析数据；
当气体烟羽的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间连线的中垂线的夹角不满足步骤(1)中的要求时，停止采集数据并重新调整两台成像差分吸收光谱仪的相对位置、相对方位角和仰角，使两台成像差分吸收光谱仪的相对位置符合步骤(1)的要求、相对方位角符合步骤(3)的要求、仰角符合步骤(4)的要求后，再进行层析数据的采集。
步骤(1)中，根据现场条件，在高架点源下风处设置成像差分吸收光谱仪。两台成像差分吸收光谱仪分别设置于烟羽地面投影的两侧。当烟羽中的水汽快速蒸发，无法确定烟羽地面投影时，可通过实时天气预报提供的风向和现场目测烟羽的传播方向来大致估计烟羽的地面投影位置。
步骤(2)中，确定两台光谱仪之间距离的方法如下：应事先确定高架点源距离地面的高度，不能事先确定的，使用激光测距仪指向高架点源顶部和底部，利用三角形原理估算高架点源高度。两台成像差分吸收光谱仪之间的距离应略大于高架点源高度的两倍。当两台成像差分吸收光谱仪之间没有障碍物遮挡视线时，通过激光测距仪测量两台成像差分吸收光谱仪之间的距离；当两台成像差分吸收光谱仪之间有障碍物遮挡视线时，通过电子地图大致测量两台成像差分吸收光谱仪之间的距离。
步骤(3)中，确定两台光谱仪之间相对方位角的方法如下：当两台成像差分吸收光谱仪之间没有障碍物遮挡视线时，分别令每台成像差分吸收光谱仪进行水平扫描，扫描间隔0.1度，根据扫描图像的DN值和地面标志物确定对面光谱仪的方位角，进而得到两台成像差分吸收光谱仪的相对方位角；当两台成像差分吸收光谱仪之间有障碍物遮挡视线时，利用经纬度计算两台成像差分吸收光谱仪之间的相对方位角。转动成像差分吸收光谱仪使镜头指向对面的光谱仪，如图2 所示，确保两台成像差分吸收光谱仪竖直方向的视场范围大致在同一平面内。
步骤(4)中，将两台成像差分吸收光谱仪分别以仰角45度对高架点源进行预扫描，并从高架点源上风处开始预扫描，直到每台成像差分吸收光谱仪已明显将超过另一台光谱仪所在的方位角，将扫描结果借助计算机中软件如WINDOAS 或QDOAS进行反演，根据反演得到的二维平面分布图像，根据二维平面分布图像确定两台成像差分吸收光谱仪的仰角是否满足气体烟羽全部包含在两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围内，如果超出了则对仰角进行调整，一般经过一次调整即可。
步骤(5)中，将层析数据送入计算机中，在计算机中采用层析图像重建算法进行重建得到重建图像，根据重建图像监测气体烟羽的位置，并判断气体烟羽的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间连线的中垂线的夹角是否满足步骤 (1)的要求。
Claims (6)
1.成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：采用两台置于地面上的成像差分吸收光谱仪，对高架点源形成的气体烟羽的层析数据进行采集，依次具体包括以下步骤：
（1）、初步确定两台成像差分吸收光谱仪的位置，使两台成像差分吸收光谱仪分别位于气体烟羽初始时在地面的投影的两侧，并沿气体烟羽移动方向调整两台成像差分吸收光谱仪的位置，使气体烟羽初始时的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间地面上的水平连线的中垂线的夹角小于45度；
（2）、确定两台成像差分吸收光谱仪的间距，使两台成像差分吸收光谱仪的间距大于高架点源高度的两倍；
（3）、初步确定两台成像差分吸收光谱仪之间相对方位角，使每台成像差分吸收光谱仪的镜头指向对面的成像差分吸收光谱仪，并使两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围在同一平面内；
（4）、初步确定两台成像差分吸收光谱仪的仰角，使气体烟羽初始时分别全部包含在两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围内；
（5）、在步骤（1）初步确定的相对位置、步骤（2）确定的间距、步骤（3）初步确定的相对方位角和步骤（4）初步确定的仰角条件下，通过两台成像差分吸收光谱仪连续采集烟羽的层析数据；
当气体烟羽的扩散范围超出两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的的视场范围时，调整两台成像差分吸收光谱仪的仰角以达到步骤（4）的仰角要求，然后继续采集层析数据；
当气体烟羽的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间连线的中垂线的夹角不满足步骤（1）中的要求时，停止采集数据并重新调整两台成像差分吸收光谱仪的相对位置、相对方位角和仰角，使两台成像差分吸收光谱仪的相对位置符合步骤（1）的要求、相对方位角符合步骤（3）的要求、仰角符合步骤（4）的要求后，再进行层析数据的采集。
2.根据权利要求1所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤（1）中，气体烟羽初始时在地面的投影为气体烟羽的实际投影，或者是根据气体烟羽的传播方向估计出的投影。
3.根据权利要求1所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤（2）中，高架点源的高度使用激光测距仪并利用三角形原理测得；
两台成像差分吸收光谱仪之间间距，在两台成像差分吸收光谱仪之间没有障碍物时使用激光测距仪直接测得，在两台成像差分吸收光谱仪之间有障碍物时，通过两台成像差分吸收光谱仪在电子地图上的位置得到。
4.根据权利要求1所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤（3）中，当两台成像差分吸收光谱仪之间没有障碍物遮挡视线时，分别令每台成像差分吸收光谱仪进行水平扫描，扫描间隔0.1度，根据扫描图像的DN值和地面标志物确定对面成像差分吸收光谱仪的方位角，进而得到两台成像差分吸收光谱仪的相对方位角；
当两台成像差分吸收光谱仪之间有障碍物遮挡视线时，利用电子地图或经纬度计算两台成像差分吸收光谱仪的相对方位角。
5.根据权利要求1所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤（4）中，分别将每台成像差分吸收光谱仪分别以仰角45度对高架点源进行预扫描，并从高架点源上风处开始预扫描，直到每台成像差分吸收光谱仪已明显将超过另一台光谱仪所在的方位角，将扫描结果输入计算机中进行反演，根据反演得到的二维平面分布图，根据二维平面分布图确定两台成像差分吸收光谱仪的仰角是否满足气体烟羽全部包含在两台成像差分吸收光谱仪在竖直方向的视场范围内。
6.根据权利要求1所述的成像差分吸收光谱仪采集高架点源气体层析数据的方法，其特征在于：步骤（5）中，将层析数据送入计算机中，在计算机中采用层析图像重建算法进行重建得到重建图像，根据重建图像监测气体烟羽的位置，并判断气体烟羽的移动方向和两台成像差分吸收光谱仪之间连线的中垂线的夹角是否满足步骤（1）的要求。
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