一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪及系统，其中提供了一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，包括用于对光线的光信号进行处理的内机模块，用于接收或出射光的外机模块，外机模块包括用于收集、传递光的望远镜，用于调节望远镜角度的角度调节装置，用于出射光的主动光源，用于改变光的光路、可旋转的平面反射镜，以及光纤接收端；经望远镜收集并传递的光通过平面反射镜反射后被光纤接收端接收，并传输至内机模块进行光信号处理；主动光源的出射光经平面反射镜反射后通过望远镜传递后向外射出。本发明专利技术还提供了一种主被动一体化大气成分超光谱遥测系统，利用至少两台所述遥测仪实现24小时不间断的观测。两台所述遥测仪实现24小时不间断的观测。两台所述遥测仪实现24小时不间断的观测。

【技术实现步骤摘要】
一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪及系统


[0001]本专利技术涉及环境光学遥感领域，特别涉及一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪及系统。

技术介绍

[0002]差分光学吸收光谱(即：DOAS)技术，最初是由Noxon和Platt等人在20世纪70年代末提出的一种开放式光路的光学遥测技术。该方法主要基于朗伯
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比尔定律(Lambert
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Beer)定律，利用光线在大气中传输时各种气体分子在不同波段对传输光的吸收特征，从而对气体实现定性、定量测量的一种光谱分析方法。与传统点式监测仪器相比，DOAS技术具有非接触、多组分实时在线监测等无法比拟的优势。
[0003]现有的DOAS仪器，基于光源的不同，可分为主动DOAS和被动DOAS。
[0004]主动DOAS采用的是人工光源(氘灯、氙灯、LED等)，其中长光程DOAS(LP
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DOAS)是主动DOAS的一种典型代表。其优势在于可以实现全天候不间断的近地面痕量气体监测，但是存在白天工作时大气背景杂散光造成信噪比降低、光源寿命有限、无法实现多仰角观测等局限性。此外，长光程DOAS虽然可以利用角反射镜增加光的传输光程、提高信噪比，但是也限制了LP
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DOAS的探测范围；即使在远距离不同方位处增设多个角反射镜也只能实现一层网络的观测。
[0005]被动DOAS利用自然光(太阳光、月光、星光)作为观测光源，其中太阳光应用较为广泛，比较典型的是采用散射太阳光谱测量痕量气体的多轴DOAS(MAX
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DOAS)技术，MAX
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DOAS系统能够在多个仰角位置接收太阳散射光，即在多个离轴观测角度的基础上应用DOAS技术，从而实现对流层痕量气体的垂直分布信息以及垂直柱浓度的探测。该监测系统利用的是太阳光源，从而避免了主动DOAS光源寿命有限、需要更换光源等问题。但是，依靠太阳光观测的特性使MAX
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DOAS的观测时间仅仅局限于白天，并且阴天、雨天等光强较弱的天气会导致观测效果不理想。即，该技术无法实现全天候零间断的实时性观测，并且观测效果受天气影响较大，严重限制了该技术的应用场合。
[0006]由此可见，现有的DOAS技术应用方面主要存在以下问题：
[0007]主动DOAS，可以进行白天、夜晚的不间断连续工作，但是工作时长受光源的使用寿命限制；白天工作时，大气背景杂散光增加了噪声信号；扫描高度仅限于仪器所处的水平面，无法实现多仰角观测获得气体组分的垂直廓线以及垂直柱浓度信息；探测范围的有限，在多个方位角放置角反射镜，也只能实现一层网络的观测。
[0008]被动DOAS，只能工作于白天且天气较为晴朗、光照充足的场合，即观测效果受天气、光照影响较大，无法实现24小时零间断的实时性观测。
[0009]此外，现有技术中每台DOAS仪器各自独立工作，互不相关，缺少协作性，无法实现多层网络观测。

技术实现思路

[0010]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪及系统。
[0011]一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，包括用于对光线的光信号进行处理的内机模块，还包括用于接收或出射光的外机模块，
[0012]所述外机模块包括用于收集、传递光的望远镜，用于调节望远镜角度的角度调节装置，用于出射光的主动光源，用于改变光的光路、可旋转的平面反射镜，用于接收光、与内机模块通过光纤连接的光纤接收端；
[0013]经望远镜收集并传递的光通过平面反射镜反射后被光纤接收端接收，并传输至内机模块进行光信号处理；
[0014]主动光源的出射光经平面反射镜反射后通过望远镜传递后向外射出。
[0015]具体的，内机模块包括光谱仪、电路主板MCU和电脑，光谱仪用于接收经光纤传输来的光信号，电路主板MCU用于控制温度、实现转接电源、并对数据进行传输，电脑用于接收信号、发送指令并对光谱进行后续的处理；
[0016]当主被动一体化大气成分超光谱遥测仪用于接收光时，通过角度调节装置调节望远镜的角度进而调节望远镜接收光的角度，同时调节平面反射镜的反光面朝向光纤接收端；此时望远镜接收的光经过平面反射镜反射之后被光纤接收端接收；
[0017]当主被动一体化大气成分超光谱遥测仪用于出射光时，通过角度调节装置调节望远镜进而调节光的出射方向，打开主动光源，调节平面反射镜的反光面朝向主动光源，主动光源发射的光线经平面反射镜反射之后通过望远镜后出射；
[0018]当利用主被动一体化大气成分超光谱遥测仪测量主动光源的参考谱时，打开主动光源，并调节平面反射镜的位置，使得主动光源的出射光经准直、聚焦后直接被光纤接收端接收，内机模块随即对该光信号进行分析得出参考谱。
[0019]优选的，所述望远镜为双目望远镜，包括中空、且侧面设有出光口的望远镜主体，所述望远镜主体的两端分别设有平镜组和观远透镜组，所述望远镜主体内部固定有可旋转的用于改变光路的棱镜；
[0020]经平镜组或观远透镜组传入的光经过棱镜反射从出光口射出。
[0021]具体的，主被动一体化大气成分超光谱遥测仪作为接收机且环境光线充足时，利用角度调节装置调节望远镜的方向，使光经过平镜组射入即可；
[0022]主被动一体化大气成分超光谱遥测仪作为接收机且环境光线不充足时，由于观远透镜组可以增大进光量，增加接收信号的强度，提高信噪比，因此可利用角度调节装置调节望远镜的方向，利用观远透镜组对环境光线进行收集；
[0023]主被动一体化大气成分超光谱遥测仪作为发射机时，此时通常处于环境光线不充足的环境下，进行检测需要同时设置接收机和发射机，由于观远透镜组可以对系统内的出射光起到扩束的作用，让光以更大的直径发射出去，便于接收机寻找和方位校准，因此可根据具体的测试需求利用角度调节装置调节望远镜的方向，使得主动光源的出射光经过平镜组或观远透镜组射出。
[0024]优选的，所述望远镜还包括摄像头，所述摄像头用于确定望远镜收集、传递光的方向。
[0025]具体的，将主被动一体化大气成分超光谱遥测仪作为发射机，打开主动光源，并调节棱镜的角度，使主动光源的出射光分别经平镜组和观远透镜组出射，出射光形成光斑，在多个距离处划定光斑在摄像头视场内的大致范围，据此可以得出光斑大小在摄像头视场内的范围随距离变化的函数关系，之后则可通过此函数关系来确定远距离处接收机的视场范围和发射机的光斑大小在摄像头视场范围的大致方位和面积，进而利用摄像头确定光的观测或发射方位。
[0026]优选的，所述角度调节装置包括用于驱动外机模块旋转的方位角电机、用于调节望远镜与水平面之间夹角的仰角调节装置；所述仰角调节装置包括仰角电机，所述仰角电机通过传动装置与望远镜活动连接，所述传动装置内设有供光穿过的通路；
[0027]望远镜收集的光经过棱镜反射且从出光口射出再经过通路传输至平面反射镜，经平面反射镜反射后被光纤接收端接收；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，包括用于对光线的光信号进行处理的内机模块，其特征在于，还包括用于接收或出射光的外机模块，所述外机模块包括用于收集、传递光的望远镜，用于调节望远镜角度的角度调节装置，用于出射光的主动光源，用于改变光的光路、可旋转的平面反射镜，用于接收光、与内机模块通过光纤连接的光纤接收端；经望远镜收集并传递的光通过平面反射镜反射后被光纤接收端接收，并传输至内机模块进行光信号处理；主动光源的出射光经平面反射镜反射后通过望远镜传递后向外射出。2.根据权利要求1所述的主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，其特征在于：所述望远镜为双目望远镜，包括中空、且侧面设有出光口的望远镜主体，所述望远镜主体的两端分别设有平镜组和观远透镜组，所述望远镜主体内部固定有可旋转的用于改变光路的棱镜；经平镜组或观远透镜组传入的光经过棱镜反射从出光口射出。3.根据权利要求2所述的主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，其特征在于：所述望远镜还包括摄像头，所述摄像头用于确定望远镜收集、传递光的方向。4.根据权利要求2所述的主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，其特征在于：所述角度调节装置包括用于驱动外机模块旋转的方位角电机、用于调节望远镜与水平面之间夹角的仰角调节装置。5.根据权利要求4所述的主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，其特征在于：所述仰角调节装置包括仰角电机，所述仰角电机通过传动装置与望远镜活动连接，所述传动装置内设有供光穿过的通路；望远镜收集的光经过棱镜反射且从出光口射出再经过通路传输至平面反射镜，经平面反射镜反射后被光纤接收端接收；主动光源的出射光经平面反射镜反射后通过通路和出光口传输至棱镜，经棱镜反射后通过观远透镜组或平镜组射出。6.根据权利要求5所述的主被动一体化大气成分超光谱遥测仪，其特征在于：还包括用于收束光线的收束透镜组、用于聚焦光线的聚焦透镜；望远镜收集的光经过通路传输后被收束透镜组收束后照射于平面反射镜，光经平面反射镜反射、再通过聚焦透镜后被光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘诚，宋宇航，邢成志，林华，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：