CN115541013A - 一种星载高分辨率碳监测光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星载高分辨率碳监测光谱仪，光谱仪包括：光谱仪主体；安装于光谱仪主体上的镜头组件，镜头组件包括镜筒和复合透镜，镜筒安装于光谱仪主体上，复合透镜安装于镜筒内部；安装于光谱仪主体上的图像传感器，通过图像传感器实现高空间分辨率；安装于图像传感器上的线性渐变滤光片，通过线性渐变滤光片实现高光谱分辨率；其中，镜头组件的光路位于线性渐变滤光片的光路前端。将线性渐变滤光片与光学遥感相结合，线性渐变滤光片生产制造成本较低，环境适应性强，以线性渐变滤光片作为碳监测光谱仪的分光元件，能够实现高光谱分辨率，同时通过图像传感器实现高空间分辨率，从而实现碳监测光谱仪的高光谱分辨率和高空间分辨率。

Description

一种星载高分辨率碳监测光谱仪
技术领域
本说明书涉及碳监测技术领域，具体涉及一种星载高分辨率碳监测光谱仪。
背景技术
碳监测是指通过综合观测、数值模拟、统计分析等手段，获取温室气体排放强度、环境中浓度、生态系统碳汇以及对生态系统影响等碳源汇状况及其变化趋势信息，以服务于应对气候变化研究和管理工作的过程。遥感技术可用于温室气体的浓度监测、排放源监测、碳汇监测等。目前，通过卫星遥感手段可以达到追踪高能耗排放的监测，同时进行宏观碳排放计算，如风能，太阳能的工厂，以及平台所能提供的碳中和的量，通过遥感卫星可以很精确计算到每一个区域的风能带来多少电量，光伏带来多少电量，同时林地、湿地、海洋环境可以带来多少碳的中和量，都可以进行量化性地计算，实现碳吸收、碳监测、碳减排。
文献1介绍了2003年以来，国内外在轨和在研的星载高光谱碳监测光学载荷的最新研究进展，综述了在轨综合性碳监测光学载荷、在轨专用碳监测光学载荷、星载轻小型碳监测光学载荷的探测体制和指标参数。
从2014年起，很多国家发射了专门用于温室气体监测的低轨遥感卫星，这些卫星具有较高的光谱分辨率和探测灵敏度，能够满足对大气中浓度极低的温室气体进行探测的需求，但也普遍存在成本高（超过1亿美元）、质量重（超过400公斤）、空间分辨率低（超过1公里）等缺点。
2016年6月，加拿大公司“GHGsat Inc.”发射了名为GHGSat-D的高分辨率卫星，观测地球二氧化碳与甲烷浓度。该卫星是新一代温室气体监测卫星，总成本仅为前述几个温室气体测量任务的1%，重量仅15公斤，空间分辨率优于50米，用于监测目标温室气体排放源，例如区域排放源（尾矿和垃圾填埋场）和工厂烟囱（燃烧和通风等排放物）。文献2介绍了该卫星上装载的高光谱遥感仪器设计方案，美国专利US10012540B2“Fabry-PerotInterferometer Based Satellite Detection of Atmospheric Trace Gases”公开了该卫星所应用的一种基于法布里伯罗干涉仪的大气痕量气体探测方法。该技术方案的一个显著特点是遥感仪器采用了一个具有两片平行玻璃板的法布里伯罗标准具作为窄带滤波和分光装置，但是该申请具有如下缺点：
1、干涉仪包括多个组件，加工复杂、成本高，遥感仪器对两块玻璃的平行度有极其严格的要求，在卫星发射振动和在轨运行中容易受到外部干扰而降低性能。
2、光谱性能较差，根据法布里伯罗标准具的特性，只能在探测器上形成若干同心环形干涉条纹，分别对应于若干离散的窄带模式，越接近圆心的环形干涉条纹半径越小，导致多光谱对地遥感探测的实际幅宽变窄，降低了探测效率。
中国专利202010323318.9A公开了一种碳卫星任务规划的系统及方法，能够将卫星工作模式编辑成有效的任务序列，以满足卫星的观测要求和定标要求。其主要目的是为了保证卫星观测数据有效、提高定标精度，但是并未设计碳监测。
中国专利201510251620.7A公开了基于卫星-地基CO2数据联合同化的碳源汇估测方法，通过引进柱浓度同化方案，构建基于卫星柱浓度及地基站点观测数据为基础的卫星-地基CO2联合同化方法。主要目的是将卫星数据和地基数据同时加入大气反演模型，从而提高区域碳源/汇估算精度。其主要在于利用卫星的探测数据开展应用。再如美国专利US10436710B2公开了一种用于气体安全和排放监测的扫描红外传感器，主要用于在地面扫描含有天然气的场地和相关基础设施，快速检测、定位、成像和量化碳氢化合物泄漏的数量和速率。该传感器的主要特征在于采集气体光谱数据通过多个带通滤光片以及对应的探测器收集，对目标扫描采用精密云台、共振振动镜、电机驱动镜或微加工镜阵列机械装置来完成。上述两个专利虽然能够起到一定的碳监测的效果，但是整体成本较高，碳监测效果也较为一般。
文献3公开了2016年发射的“高分五号”卫星上装载的大气主要温室气体监测仪（GMI），一种采用新型空间外差光谱技术（SHS）实现CO2、CH4等温室气体的超光谱探测。该仪器最高光谱分辨率达到0.035nm，但所采用的空间外差干涉仪由分束器、隔片、扩场透镜、光栅等十个光学元件胶合而成，对应力敏感。为了适应卫星发射过程所受到冲击、振动，以及在轨温度梯度变化和辐照等诸多因素的影响，空间外差干涉仪加工制造复杂、成本高。
文献4介绍了基于线性渐变滤光片成像光谱仪的概念、分类与工作原理，对其优势和适用领域进行了分析。文献5、6公开了基于线性渐变滤光片的成像光谱仪设计方法，包含系统结构与原理、系统参数等，但是只是对光谱仪进行了介绍，光谱仪并不适用于直接安装在卫星上进行碳监测。
文献1：潘俏, 朱嘉诚, 杨子江, 顾凌军, 陈新华, 沈为民. 星载高光谱碳监测光学载荷的研究进展. 航天返回与遥感, 2021, 42(6), 34-44。
文献2：JERVIS, Dylan, et al. The GHGSat-D imaging spectrometer.Atmospheric Measurement Techniques, 2021, 14.3: 2127-2140。
文献3：熊伟. 星载超光谱大气主要温室气体监测仪载荷. 航天返回与遥感,2018, 39(3), 14-24。
文献4：李文杰, 王成良, 郑新波, 石斌斌, 欧阳琰. 基于线性渐变滤光片的成像光谱仪综述. 红外, 2015, 36(3), 1-7。
文献5：王颖, 巩岩. 线性渐变滤光片型多光谱成像光谱仪设计[J]. 激光与光电子学进展, 2016, 53(1): 013003。
文献6：Renhorn, I. G., Bergström, D., Hedborg, J., Letalick, D., & Möller, S. High spatial resolution hyperspectral camera based on a linearvariable filter. 2016, Optical Engineering, 55(11), 114105。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种星载高分辨率碳监测光谱仪，将线性渐变滤光片与光学遥感相结合，线性渐变滤光片生产制造成本较低，环境适应性强，以线性渐变滤光片作为碳监测光谱仪的分光元件，能够实现高光谱分辨率。
本发明提供以下技术方案：一种星载高分辨率碳监测光谱仪，所述光谱仪包括：
光谱仪主体；
安装于所述光谱仪主体上的镜头组件，所述镜头组件包括镜筒和复合透镜，所述镜筒安装于所述光谱仪主体上，所述镜筒套设于所述图像传感器和所述线性渐变滤光片外部，所述复合透镜安装于所述镜筒内部；
安装于所述光谱仪主体上的图像传感器，通过所述图像传感器实现高空间分辨率；
安装于所述图像传感器上的线性渐变滤光片，通过所述线性渐变滤光片实现高光谱分辨率；
其中，所述线性渐变滤光片位于所述复合透镜和所述图像传感器之间。
优选的，所述线性渐变滤光片通过在透明基底上镀制相应结构的膜层形成；
和/或，被探测物体的光线透过所述线性渐变滤光片后在所述图像传感器上成像，以获得连续的高光谱分辨率数据；
和/或，经过所述线性渐变滤光片分光后所有波段的空间幅宽均与所述图像传感器在垂直于线性渐变滤光片渐变方向上的最大幅宽相同。
基于上述技术特征，线性渐变滤光片生产加工十分的方便，通过线性渐变滤光片可实现高光谱分辨率。
优选的，所述图像传感器包括面阵探测器，通过所述面阵探测器推扫实现对指定区域的高分辨率成像。
基于上述技术特征，通过面阵探测器实现碳监测光谱仪高空间分辨率，保证对指定区域的碳监测效果。
优选的，所述镜头组件还包括：带通滤光片，所述带通滤光片安装于所述镜筒远离所述光谱仪主体的端部，所述带通滤光片用于过滤起始工作波长和结束工作波长之外的光线。
基于上述技术特征，通过带通滤光片对起始工作波长和结束工作波长之外的光线进行过滤，保证图像传感器和线性渐变滤光片的监测效果。
优选的，所述起始工作波长和所述结束工作波长根据所述图像传感器的感光特性曲线和被探测的气体吸收峰强度确定。
基于上述技术特征，通过图像传感器的感光特性曲线和被探测的气体吸收峰强度确定起始工作波长和结束工作波长，保证对被探测的气体的监测效果。
优选的，所述镜筒上开有内螺纹；
和/或，所述镜筒外表面喷砂成磨砂面，进行光学吸光发黑处理。
基于上述技术特征，便于将镜筒安装在光谱仪主体上，。
优选的，所述光谱分辨率不大于0.2nm；
和/或，所述空间分辨率不大于35m。
基于上述技术特征，光谱分辨率和空间分辨率都较高。
优选的，所述线性渐变滤光片通过光学耦合胶粘接于所述图像传感器上。
基于上述技术特征，线性渐变滤光片的安装十分的方便。
优选的，可采用可调谐激光器和数字光处理实现对所述碳监测光谱仪的定标测试。
基于上述技术特征，通过可调谐激光器和数字光处理实现对碳监测光谱仪的定标测试，对碳监测光谱仪的定标测试十分的方便。
与现有技术相比，本发明采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
本发明将线性渐变滤光片与光学遥感相结合，线性渐变滤光片生产制造成本较低，环境适应性强，以线性渐变滤光片作为碳监测光谱仪的分光元件，能够实现高光谱分辨率，同时通过图像传感器实现高空间分辨率，从而实现碳监测光谱仪的高光谱分辨率和高空间分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的一种星载高分辨率碳监测光谱仪的结构示意图；
图2是本发明提供的一种星载高分辨率碳监测光谱仪的线性渐变滤光片透射率曲线示意图；
图3是本发明提供的一种星载高分辨率碳监测光谱仪的带通滤光片透射率曲线示意图；
图4是本发明提供的一种星载高分辨率碳监测光谱仪的图像传感器的感光特性曲线示意图；
图5是本发明提供的一种星载高分辨率碳监测光谱仪的被探测器气体的透射比曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
现有技术中，对于碳监测一般都是通过在卫星上安装遥感仪器进行监测，现有的遥感仪器一般加工成本都较高，遥感仪器的稳定性较为一般，遥感仪器安装在卫星上容易因外部干扰而降低性能，同时遥感仪器的光谱性能也较为一般，探测效率较低。
发明人经过了广泛和深入的试验，将线性渐变滤光片与光学遥感相结合，在保证碳监测光谱仪性能稳定的同时能够实现高光谱分辨率。
本发明解决的技术问题是：提高碳监测遥感仪器的光谱性能，降低碳监测遥感仪器的成本。
更具体的，本发明采用的解决方案包括：将线性渐变滤光片与光学遥感相结合，线性渐变滤光片生产成本较低，稳定性好，以线性渐变滤光片作为碳监测光谱仪的分光元件，能够实现高光谱分辨率，同时通过图像传感器实现高空间分辨率，保证碳监测光谱仪的性能。
以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。
如图1所示，一种星载高分辨率碳监测光谱仪，光谱仪包括：
光谱仪主体1；
安装于光谱仪主体1上的镜头组件4，镜头组件4包括镜筒41和复合透镜42，镜筒41安装于光谱仪主体1上，镜筒41套设于图像传感器2和线性渐变滤光片3外部，复合透镜42安装于镜筒41内部，通过将镜筒41套设于图像传感器2和线性渐变滤光片3外部，保证光线先经过镜筒41和复合透镜42，然后再传递到线性渐变滤光片3和图像传感器2上，通过在镜筒41内安装复合透镜42可以使像差较小，得到平衡好的清晰像，复合透镜42组合可以根据实际情况进行选择；
安装于光谱仪主体1上的图像传感器2，通过图像传感器2实现高空间分辨率；
安装于图像传感器2上的线性渐变滤光片3，通过线性渐变滤光片3实现高光谱分辨率；
其中，线性渐变滤光片3位于复合透镜42和图像传感器2之间。
通过线性渐变滤光片3作为碳监测光谱仪的分光元件，能够实现高光谱分辨率，通过图像传感器2实现高空间分辨率，便于碳监测光谱仪对指定探测区域的地表目标和大气进行高分辨率遥感探测，使镜头组件4的光路位于线性渐变滤光片3的光路前端，通过镜头组件4对光线进行过滤，通过线性渐变滤光片3实现高光谱分辨率，光谱分辨率不大于0.2nm；通过面阵探测器推扫实现对指定区域的高分辨率成像，空间分辨率不大于35m。
在一些实施方式中，线性渐变滤光片3通过在透明基底上镀制相应结构的膜层形成，本实施例中，线性渐变滤光片3采用离子束刻蚀工艺制备，可在石英玻璃基底上镀制相应结构的膜层而成。
在一些实施方式中，被探测物体的光线透过线性渐变滤光片3后在图像传感器2上成像，以获得连续的高光谱分辨率数据，经过线性渐变滤光片3分光后所有波段的空间幅宽均与图像传感器2在垂直于线性渐变滤光片3渐变方向上的最大幅宽相同，在碳监测光谱仪的使用过程中，通过线性渐变滤光片3可获得连续的高光谱分辨率数据，同时经过线性渐变滤光片3分光后所有波段的空间幅宽均与图像传感器2在垂直于线性渐变滤光片3渐变方向上的最大幅宽相同，保证探测效率。
在一些实施方式中，图像传感器2包括面阵探测器，通过面阵探测器推扫实现对指定区域的高分辨率成像，采用面阵探测器作为图像传感器2，面阵探测器通过推扫成像实现碳监测光谱仪的高空间分辨率。
如图1和图3所示，在一些实施方式中，镜头组件4还包括：带通滤光片43，带通滤光片43安装于镜筒41远离光谱仪主体1的端部，带通滤光片43用于过滤起始工作波长和结束工作波长之外的光线，在镜筒41的最外端安装带通滤光片43，通过带通滤光片43对起始工作波长和结束工作波长之外的光线进行过滤，保证碳监测光谱仪的监测效果；带通滤光片43的透射率曲线如图3所示。
在一些实施方式中，起始工作波长和结束工作波长根据图像传感器2的感光特性曲线和被探测的气体吸收峰强度确定，具体方法为：
选择被探测的气体，根据透射比曲线确定吸收峰光谱位置，如图5所示，为被探测器气体的透射比曲线，本实施例被探测的气体可选择为CO2；
如图4所示，为图像传感器2的感光特性曲线，根据图像传感器2的感光特性曲线和被探测的气体吸收峰强度确定起始工作波长和结束工作波长，使线性渐变滤光片3的光谱范围位于图像传感器2感光特性较好、被探测气体吸收峰较强的位置。
本发明中，碳监测光谱仪采用短波红外探测器，波长范围在900-1700nm，分辨率640×512，采样时间98ms，频次为10Hz，选择CO2吸收线的R分支和CH4吸收线的P分支为探测对象，线性渐变滤光片3起始工作波长设置为1634nm，结束工作波长设置为1670nm，光谱分辨率设置为0.2nm，设计的线性渐变滤光片3透射率曲线如图2所示。
在一些实施方式中，镜筒41上开有内螺纹，通过在镜筒41内开设内螺纹，便于镜筒41与光谱仪主体1之间的安装连接；镜筒41外表面喷砂成磨砂面，进行光学吸光发黑处理，通过对镜筒41外表面进行光学吸光发黑处理，能够避免光线穿过镜筒41照射到镜筒41内部的元件上。
如图1所示，在一些实施方式中，线性渐变滤光片3通过光学耦合胶5粘接于图像传感器2上，通过光学耦合胶5将线性渐变滤光片3和图像传感器2之间进行连接，线性渐变滤光片3安装在图像传感器2上的操作较为方便，光学耦合胶5的透光率较高，能够避免对线性渐变滤光片3和图像传感器2的使用造成影响。
在一些实施方式中，可采用可调谐激光器和数字光处理（DLP）实现对所述碳监测光谱仪的定标测试，通过可调谐激光器和数字光处理实现对碳监测光谱仪的定标测试，对碳监测光谱仪的定标测试十分的方便，操作较为简单。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：
光谱仪主体；
安装于所述光谱仪主体上的镜头组件，所述镜头组件包括镜筒和复合透镜，所述镜筒安装于所述光谱仪主体上，所述复合透镜安装于所述镜筒内部；
安装于所述光谱仪主体上的图像传感器，通过所述图像传感器实现高空间分辨率；
安装于所述图像传感器上的线性渐变滤光片，通过所述线性渐变滤光片实现高光谱分辨率；
其中，所述线性渐变滤光片位于所述复合透镜和所述图像传感器之间。
2.根据权利要求1所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述线性渐变滤光片通过在透明基底上镀制相应结构的膜层形成；
和/或，被探测物体的光线透过所述线性渐变滤光片后在所述图像传感器上成像，以获得连续的高光谱分辨率数据；
和/或，经过所述线性渐变滤光片分光后所有波段的空间幅宽均与所述图像传感器在垂直于线性渐变滤光片渐变方向上的最大幅宽相同。
3.根据权利要求1所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述图像传感器包括面阵探测器，通过所述面阵探测器推扫实现对指定区域的高分辨率成像。
4.根据权利要求1所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述镜头组件还包括：带通滤光片，所述带通滤光片安装于所述镜筒远离所述光谱仪主体的端部，所述带通滤光片用于过滤起始工作波长和结束工作波长之外的光线。
5.根据权利要求4所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述起始工作波长和所述结束工作波长根据所述图像传感器的感光特性曲线和被探测的气体吸收峰强度确定。
6.根据权利要求1所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述镜筒上开有内螺纹；
和/或，所述镜筒外表面喷砂成磨砂面，进行光学吸光发黑处理。
7.根据权利要求1所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，所述线性渐变滤光片通过光学耦合胶粘接于所述图像传感器上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的星载高分辨率碳监测光谱仪，其特征在于，可采用可调谐激光器和数字光处理实现对所述碳监测光谱仪的定标测试。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Liu Weiliang

Inventor after: Miao Tongqun

Inventor after: Lv Wang

Inventor after: Huang Zicheng

Inventor after: Sun Jingle

Inventor after: Meng Guang

Inventor after: Yu Li

Inventor before: Miao Tongqun

Inventor before: Lv Wang

Inventor before: Huang Zicheng

Inventor before: Sun Jingle

Inventor before: Meng Guang

Inventor before: Yu Li

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