一種溫室氣體遙感探測方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種溫室氣體遙感探測方法及其裝置。探測裝置的光學(xué)系統(tǒng)包括多路相互獨立的成像光譜儀，每路成像光譜儀分別對應(yīng)不同目標氣體波段；成像光譜儀包括前置物鏡、分光系統(tǒng)和探測器；前置物鏡為透射式反遠距物鏡結(jié)構(gòu)，像方遠心，分光系統(tǒng)為Littrow結(jié)構(gòu)，探測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于安裝調(diào)試，穩(wěn)定性好，小體積、寬覆蓋、大相對孔徑、高空間分辨率和甚高光譜分辨率的特點。依據(jù)待探測溫室氣體的吸收波段，采用多路相互獨立的成像光譜儀，每路成像光譜儀分別對應(yīng)不同的目標氣體波段，得到目標氣體各個波段的空間信息和光譜信息，經(jīng)分析處理得到光譜數(shù)據(jù)，完成對目標氣體的探測鑒別。
【專利說明】一種溫室氣體遙感探測方法及其裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種小型、寬覆蓋、大相對孔徑、高空間和高光譜分辨率光學(xué)系統(tǒng)，特 別涉及一種適用于遙感探測溫室氣體濃度的光學(xué)系統(tǒng)及其探測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 氣候變化是全球面臨的重大危機和嚴峻挑戰(zhàn)，事關(guān)人類生存和經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào) 可持續(xù)發(fā)展，已成為世界各國共同關(guān)注的熱點和焦點。二氧化碳（co 2)和甲烷（ch4)是兩種 主要的溫室氣體，在地球氣候形成和變遷中起著重要作用。自工業(yè)革命以來，由于人類活動 特別是大量化石燃料燃燒和森林破壞，大氣中C0 2和CH4含量不斷增長，與此同時全球氣候 和生態(tài)環(huán)境也正發(fā)生著劇烈變化。為全面了解把握全球碳源碳匯時空分布、變化狀況及循 環(huán)過程和增強未來大氣C0 2及CH4濃度的預(yù)測、全球氣候變化應(yīng)對及生態(tài)系統(tǒng)管理能力，近 年來美國、日本和歐盟國家都有相關(guān)的衛(wèi)星任務(wù)來進行全球性的碳探測。我國也開始了對 C02和CH4監(jiān)測衛(wèi)星的研制。
[0003] 然而，由于氣體吸收光譜的精細特性，一般需要成像光譜儀具有甚高光譜分辨率， 相對孔徑大于2。目前國內(nèi)外專門用于溫室氣體監(jiān)測的衛(wèi)星都面臨著體積大、重量重和覆蓋 范圍小等問題。其中，日本于2009年發(fā)射的G0SAT衛(wèi)星長2.0m，寬1.8m，高3. 7m，是重約 1. 8噸的中型衛(wèi)星，點采樣：采樣點大小10· 5Km，每間隔80Km取一采樣點，幅寬790Km ;美國 0C0衛(wèi)星整體長2. 12m,寬0· 94m,重441kg,空間采樣/幅寬為1. 29kmX 2. 25km/10. 3km。同 時為了提高晴空探測概率和區(qū)域規(guī)模探測，要求探測儀具有高空間分辨率。因此，研制成像 質(zhì)量好、體積小、重量輕、寬覆蓋、穩(wěn)定性高、分辨率高和成本低的成像光譜儀是十分迫切和 具有廣泛的應(yīng)用前景的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種能滿足探測溫室氣體濃度 的成像光譜儀成像質(zhì)量要求，且體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好的寬覆蓋甚高光譜 分辨率和高空間分辨率的遙感探測裝置，及對溫室氣體濃度進行探測的方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種溫室氣體遙感探測裝置，所述探測裝置的光學(xué) 系統(tǒng)包括多路相互獨立的成像光譜儀，每路成像光譜儀分別對應(yīng)不同目標氣體波段；所述 的成像光譜儀包括前置物鏡、分光系統(tǒng)和探測器；所述的前置物鏡為透射式反遠距物鏡結(jié) 構(gòu)，像方遠心，前置物鏡相對孔徑的倒數(shù)F/#的取值范圍為1.8?2,所述的分光系統(tǒng)為 Littrow結(jié)構(gòu)，光柵為浸沒光柵（immersion grating)。
[0006] 上述技術(shù)方案中，所述的前置物鏡包括前組透鏡和后組透鏡，光闌置于前組透鏡 和后組透鏡之間，前置物鏡將進入系統(tǒng)的光聚焦在狹縫處，狹縫置于前置物鏡像面處；所述 的前組透鏡為單透鏡，后組透鏡為分離的三片鏡結(jié)構(gòu)，前組透鏡的單透鏡的第一面和后組 透鏡的第二塊透鏡的第二面為非球面。所述的分光系統(tǒng)包括準直透鏡組和浸沒光柵，分光 系統(tǒng)的準直和聚焦為同一透鏡組，進入狹縫的光經(jīng)準直透鏡組后入射到浸沒光柵上，衍射 光沿原路返回，經(jīng)聚焦透鏡組后成像于探測器的上。
[0007] 本發(fā)明提供的溫室氣體遙感探測裝置的一個優(yōu)選方案是：光學(xué)系統(tǒng)包括四路相互 獨立的成像光譜儀，每路光學(xué)系統(tǒng)的工作范圍分別為氧氣-A吸收波段0· 758?0· 772 μ m， 弱二氧化碳吸收波段1· 5742?1. 6178 μ m，甲烷吸收波段1· 6369?1· 6821 μ m,強二氧化 碳吸收波段2. 043?2. 085 μ m。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)方案還包括一種溫室氣體遙感探測方法，步驟如下： 1、 依據(jù)待探測溫室氣體的吸收波段，采用多路相互獨立的成像光譜儀，每路成像光譜 儀分別對應(yīng)不同的目標氣體波段，所述的成像光譜儀包括前置物鏡、分光系統(tǒng)和探測器； 2、 前置物鏡將地面反射太陽光聚焦在分光系統(tǒng)的狹縫上，經(jīng)狹縫限制一維空間信息 后，分光系統(tǒng)再把一維空間信息沿垂直于狹縫方向色散，成像于探測器的上，獲得目標氣體 的一維空間信息和一維光譜信息； 3、 將探測裝置與目標氣體沿垂直狹縫方向作相對運動，獲取目標氣體的另一維空間信 息和光譜信息；重復(fù)本步驟，得到目標氣體各個波段的空間信息和光譜信息，分析處理得到 的光譜數(shù)據(jù)，完成目標氣體的探測鑒別。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是： 1、本發(fā)明探測儀的光學(xué)系統(tǒng)可同時監(jiān)測二氧化碳（co2)和甲烷（CH4)等溫室氣體濃度， 它的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，約長440mm，寬36〇圓，高360mm，單路光學(xué)鏡片重量約 7Kg ;具有大相對孔徑、高空間分辨率和甚高光譜分辨率。
[0010] 2、前置物鏡采用透射式結(jié)構(gòu)，不存在反射結(jié)構(gòu)畸變難校正問題。單路光學(xué)系統(tǒng)波 段范圍窄，材料色差小，可使用同種玻璃設(shè)計。
[0011] 3、分光系統(tǒng)采用浸沒式光柵，在滿足成像性能要求同時，體積相對于傳統(tǒng)平面光 柵分光系統(tǒng)體積減小約60%，總重量輕，浸沒光柵可實現(xiàn)偏振無關(guān)設(shè)計。
[0012] 4、單路光學(xué)系統(tǒng)采用同軸結(jié)構(gòu)，易于制造和裝調(diào)。
[0013] 5、不存在明顯偏振敏感元件，光學(xué)系統(tǒng)具有低偏振敏感度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實施例提供的遙感探測溫室氣體濃度的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例提供的強C02波段光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖； 圖3是本發(fā)明實施例提供的強C02波段前置光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖； 圖4是本發(fā)明實施例提供的強C02波段分光成像光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖； 圖5是本發(fā)明實施例提供的強C02波段光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線圖； 圖6是本發(fā)明實施例提供的強C02波段光學(xué)系統(tǒng)譜線彎曲曲線圖； 圖7是本發(fā)明實施例提供的強C02波段光學(xué)系統(tǒng)場曲/像散曲線圖； 圖8是本發(fā)明實施例提供的強C02波段光學(xué)系統(tǒng)能量集中度曲線圖； 圖9是本發(fā)明實施例提供的強C02波段光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線； 圖10是本發(fā)明實施例提供的強C02波段浸沒光柵衍射效率。
[0015] 圖中：1、前置物鏡；2、分光系統(tǒng)；3、入射方向主光線；4、前置物鏡前組；5、光闌； 6、前置物鏡后組第一塊透鏡；7、前置物鏡后組第二塊透鏡；8、前置物鏡后組第三塊透鏡； 9、狹縫；1〇、光軸；11、分光系統(tǒng)第一塊透鏡；I2、分光系統(tǒng)第二塊透鏡；丨3、非球面彎月透 鏡；14、分光系統(tǒng)第三塊透鏡；15、浸沒光柵，I6、探測器。

【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明的實施方案作進一步的具體闡述。
[0017] 實施例1 本實施例提供的技術(shù)方案為適用于遙感探測溫室氣體濃度的光學(xué)系統(tǒng)，它的工作波 段是氧氣-a (02-A)吸收波段0· 758?〇· 772 μ m，弱二氧化碳（C02)吸收波段1. 5742? 1. 6178 μ m、甲烷（CH4)吸收波段1. 6369?1. 6821 μ m，強二氧化碳（C02)吸收波段2· 〇43? 2. 085 μ m。衛(wèi)星軌道高度687Km,地面幅寬5〇〇Km，視場約40°，地面采樣空間2KmX 2Km,光 譜分辨本領(lǐng)15000,前置望遠系統(tǒng)F數(shù)F/#=l·8。由于四個波段分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，本實施 例主要以強C0 2吸收波帶2. 043?2. 085 μ m光學(xué)系統(tǒng)為例進行說明。
[0018] 參見附圖1，它是本實施例提供的遙感探測溫室氣體濃度的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局示 意圖，在本實施例中，采用四路分離成像光譜儀進行拼合，每路成像光譜儀對應(yīng)圖中的一個 模塊，可自由放置，分別由前置物鏡1、分光系統(tǒng)2和探測器16組成。
[0019] 參見附圖2,它是本實施例提供的強C02波段的光學(xué)系統(tǒng)光路的結(jié)構(gòu)示意圖。由 前置物鏡1、分光系統(tǒng)2和探測16器組成，前置物鏡為透射式反遠距物鏡，分光系統(tǒng)為 Littrow-浸沒光柵結(jié)構(gòu)，光柵方向垂直于紙面。
[0020] 參見附圖3,它是本實施例提供的強C02波段前置物鏡的光路示意圖，前置物鏡實 現(xiàn)對目標成像，采用透射式反遠距物鏡，像方遠心，光軸10上設(shè)置前置物鏡前組4和后組； 前組4為單透鏡，后組為三片分離鏡結(jié)構(gòu)，分別為前置物鏡后組第一塊透鏡6、第二塊透鏡 7和第三塊透鏡8,光闌5置于前組和后組之間，前置物鏡的焦距f=6. 9mm，視場約40°， F/#=l. 8。地面反射的光線3經(jīng)前組4和后組透鏡6、7和8的透射后聚焦成像在狹縫9上， 狹縫長約2. 5mm,寬約20 μ m，狹縫方向平行于紙面。透鏡材料為石英，前置物鏡光學(xué)系統(tǒng) 中各透鏡參數(shù)參見表1，其中前組單透鏡的第一面和后組第二塊透鏡 7的第二面為非球面， conic 系數(shù)分別為-0. 3694 和-2. 6932。
[0021] 表1 :強C02波段前置物鏡光學(xué)系統(tǒng)各透鏡參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種溫室氣體遙感探測裝置，其特征在于：所述探測裝置的光學(xué)系統(tǒng)包括多路相互 獨立的成像光譜儀，每路成像光譜儀分別對應(yīng)不同目標氣體波段；所述的成像光譜儀包括 前置物鏡、分光系統(tǒng)和探測器；所述的前置物鏡為透射式反遠距物鏡結(jié)構(gòu)，像方遠心，前置 物鏡相對孔徑的倒數(shù)F/#的取值范圍為1. 8?2,所述的分光系統(tǒng)為Littrow結(jié)構(gòu)，光柵為 浸沒光柵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室氣體遙感探測裝置，其特征在于：所述的前置物鏡 包括前組透鏡和后組透鏡，光闌置于前組透鏡和后組透鏡之間，前置物鏡將進入系統(tǒng)的光 聚焦在狹縫處，狹縫置于前置物鏡像面處；所述的前組透鏡為單透鏡，后組透鏡為分離的三 片鏡結(jié)構(gòu)，前組透鏡的單透鏡的第一面和后組透鏡的第二塊透鏡的第二面為非球面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室氣體遙感探測裝置，其特征在于：所述的分光系統(tǒng) 包括準直透鏡組和浸沒光柵，分光系統(tǒng)的準直和聚焦為同一透鏡組，進入狹縫的光經(jīng)準直 透鏡組后入射到浸沒光柵上，衍射光沿原路返回，經(jīng)聚焦透鏡組后成像于探測器的上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室氣體遙感探測裝置，其特征在于：它的光學(xué)系統(tǒng)包 括四路相互獨立的成像光譜儀，每路光學(xué)系統(tǒng)的工作范圍分別為氧氣-A吸收波段0· 758? 0· 772 μ m，弱二氧化碳吸收波段1. 5742?1. 6178 μ m，甲烷吸收波段1. 6369?1. 6821 μ m， 強二氧化碳吸收波段043?2. 085 μ m。
5. -種溫室氣體遙感探測方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 依據(jù)待探測溫室氣體的吸收波段，采用多路相互獨立的成像光譜儀，每路成像光譜 儀分別對應(yīng)不同的目標氣體波段，所述的成像光譜儀包括前置物鏡、分光系統(tǒng)和探測器； (2) 前置物鏡將地面反射太陽光聚焦在分光系統(tǒng)的狹縫上，經(jīng)狹縫限制一維空間信息 后，分光系統(tǒng)再把一維空間信息沿垂直于狹縫方向色散，成像于探測器的上，獲得目標氣體 的一維空間信息和一維光譜信息； (3) 將探測裝置與目標氣體沿垂直狹縫方向作相對運動，獲取目標氣體的另一維空間 信息和光譜信息；重復(fù)本步驟，得到目標氣體各個波段的空間信息和光譜信息，分析處理得 到的光譜數(shù)據(jù)，完成目標氣體的探測鑒別。
【文檔編號】G01J3/02GK104215332SQ201410527186
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】靳陽明, 沈為民 申請人:蘇州大學(xué)