一种对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统技术方案

本发明专利技术属于环境监测技术领域，具体涉及一种对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统。本发明专利技术包括：三脚支撑架，扫描系统，分光与探测系统，控制与分析终端及烟羽成像显示与校验系统；三脚架支撑扫描系统；扫描系统包括定位相机、光谱接收系统、摄像头等；分光与探测系统用于对观测的连续光谱信号进行分光，并将光谱模拟信号转化成数字信号；控制和分析终端用于发送控制命令，对工业区污染源进行网格化光谱扫描采集，并完成大气成分的斜柱浓度、垂直柱浓度和绝对浓度反演；烟羽成像显示与校验系统用于显示成像结果，并对成像结果进行校验。本发明专利技术可辅助判定工业羽流排放后的浓度和空间扩散情况，为大气环境和人体健康暴露风险研究提供基础数据。供基础数据。供基础数据。

【技术实现步骤摘要】
一种对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统


[0001]本专利技术属于环境监测
，具体涉及对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统。

技术介绍

[0002]工业区通过有组织和无组织方式排放生产废气，形成环境污染。污染物经过大气扩散和垂直传输作用，不仅对地面造成污染，通过水平传输影响大尺度范围内的空气质量；还会传输/扩散到工业区周围的居民区，对居民的健康造成危害。因此，对工业区污染源的观测和减排至关重要。工业废气是企业生产过程中由于燃料燃烧和生产加工工艺过程产生的无组织排放的气体，可造成大气污染的成分主要包括烟尘颗粒物、氮氧化物(NO
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)、二氧化硫(SO2)及挥发性有机化合物(VOC)等。目前，我国在大气污染成分观测领域主要采用的技术手段包括地面化学仪器采样，卫星遥感观测和地基遥感观测。其中，化学采样仪器多用于采集近地面和排口的大气污染成分浓度，对无组织排放的监测存在不足，且无法量化有组织和无组织排放的排放通量和烟羽扩散；卫星遥感观测则受限于空间和时间分辨率有限，很难在百米级区域范围内精确实施识别工业区排放源；地基遥感观测手段主要包括激光雷达和傅里叶红外变换设备，其中激光雷达多用于监测气溶胶和O3的垂直廓线，在监测其他大气成分尤其是VOCs方面存在不足，傅里叶红外变化设备对VOCs的量化精度有限。因此，亟需一种对工业区排放污染源进行实时、精确成像监测的技术手段。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的的在于弥补现有技术的不足，提供一种能够实时、精确对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统及方法，对工业区有组织和无组织污染排放源进行实时监测，获取各主要污染成分的实时浓度、排放通量和烟羽扩散信息。
[0004]本专利技术提供的对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统，包括：高度可调节的三脚支撑架，扫描系统，光纤，分光与探测系统，定标灯，控制与分析终端及烟羽成像显示与校验系统；其中：
[0005]所述三脚支撑架，用于支撑扫描系统；
[0006]所述扫描系统，包括视场定位相机及与之配套的小型高精度旋转电机和方位数字显示仪、高精度二维旋转平台(俯仰和水平两个维度旋转)、光谱接收系统、可见光摄像头和热红外镜头；视场定位相机搭载到小型高精度旋转电机上，使视场定位相机能够转动以搜索工业区目标污染源；方位数字显示仪用于显示视场定位相机锁定的目标方位信号，并将目标方位信号传递至控制与分析终端；光谱接收系统包括光谱入瞳棱镜组合、由离轴抛物面反射镜组组成的光通量放大装置(也称紫外光通量放大装置)，光谱接收系统搭载到高精度二维旋转平台上，使光谱接收系统能够采集指定水平和俯仰组合方位的太阳散射光谱数据；可见光摄像头和热红外镜头与光谱入射方向轴向平行且间距不大于4cm，用于定位观测位置和确定烟羽轮廓；
[0007]这里，扫描系统可以自动搜索识别排放源进行成像；同轴可见光摄像头，实现图
‑
数同轴，解决数据格点和真实场景对不准的情况；同轴热红外镜头，实现精确识别烟羽轮廓；
[0008]所述光纤，用于将光谱接收系统采集的光信号传输至分光与探测系统；
[0009]所述分光与探测系统，用于对观测的连续光谱信号进行分光，并将光谱模拟信号转化成数字信号，传输至控制和分析终端；该系统被放置于由量级温度控制系统组成的恒温箱内，恒温箱温度为20
±
0.05℃；
[0010]所述定标灯，用于对光谱波长进行实时校准；
[0011]所述控制和分析终端，用于发送控制命令，对目标视场范围内的工业区污染源进行网格化光谱扫描采集，并完成不同大气成分(包括NO2、SO2、HONO、CS2、Cl2以及醛类、酮类、酯类和苯系物等VOCs等)的斜柱浓度、垂直柱浓度和绝对浓度(单位：ug/m3)反演；
[0012]所述烟羽成像显示与校验系统，用于显示成像结果，并基于采样数据对成像结果进行校验。
[0013]进一步地：
[0014]所述三脚支撑架，高度可调节通过三支撑脚的伸缩机构实现，例如可调节1
‑
3米的不同高度。可以适应不同实验场地和观测条件，调节三脚支撑架的高度以保证扫描系统所搭设的高度不被周围的环境所遮挡，同时可以协助调节水平，保证水平和俯仰扫描角度的观测精度。
[0015]所述视场定位相机的视场角为120
°
；用于控制视场定位相机的小型高精度旋转电机，转动范围0～360
°
，转动误差小于0.05
°
；电机具有较高的转动速度和加速度，以保证在较短时间内搜索到工业区目标排放源；用于识别视场定位相机扫描方位的方位数字显示仪可以识别视场定位相机所测视场的最小方位角、最大方位角和视场中心方位角，以正北方所对应的方位角为0
°
，定位精度为
±1°
。
[0016]所述高精度二维旋转平台能够通过信号线和控制与分析终端进行实时通讯，用以精确控制光谱接收系统的观测水平方位角和俯仰角；水平转动范围为0～360
°
，俯仰转动范围0～180
°
，二者转动精度均小于0.05
°
；高精度二维旋转平台具有较高的转动速度和加速度，保证成像结果在水平方向和垂直方向具有较高的时间分辨率，完成一次光谱采集所需要的时间为10s，完成一个方位角上所有俯仰角扫描所需要的时间约为2min，方位角的个数需要根据工业区目标排放源扩散程度来确定，扩散方向和扩散程度需要根据与整个系统配合使用的风向和风速仪确定。
[0017]所述光谱接收系统具体由石英三棱镜、凸透镜、遮光器、舵机、紫外光通量放大装置组成。石英三棱镜用于折射太阳散射光至凸透镜；凸透镜采用石英晶体材料，用于聚集太阳散射光至光纤接收端面，即凸透镜的焦点为光纤端面位置；遮光器置于石英三棱镜后凸透镜前，由舵机控制，白天遮光器处于打开状态保证正常采集太阳散射光，夜间遮光器处于关闭状态，遮挡所有散射光辅助采集仪器暗背景和电子偏置，用于后续光谱分析过程进行噪声扣除和光谱校正，以保证最终用于分析的光谱具有最高的信噪比；舵机的转动范围0～100
°
，转动精度小于0.3
°
；紫外光通量放大装置由离轴抛物面反射镜组组成，抛物面渡高反射率介质膜(参见图1所示)，对紫外光通量进行放大主要解决因320nm以下光谱信噪比低和吸收强度弱而造成的多种VOCs反演拟合难度大和拟合精度低的问题；光谱接收系统的视场
角为0.2
°×
0.8
°
。
[0018]可见光摄像头和热红外镜头与光谱入射方向轴向平行且间距不大于4cm，其中可见光摄像头和光谱采集镜头的视场角相同(0.2
°×
0.8
°
)，用来确定观测位置以保证图
‑
数同轴，热红外镜头用以确定烟羽轮廓。
[0019]所述定标灯采用汞元素灯，置于光谱接收系统的遮光器之后、凸透镜之前，在控制终端的控制下，每天20:00会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对工业区污染源扫描成像的超光谱遥感系统，其特征在于，包括：高度可调节的三脚支撑架，扫描系统，光纤，分光与探测系统，定标灯，控制与分析终端及烟羽成像显示与校验系统；其中：所述三脚支撑架，用于支撑扫描系统；所述扫描系统，包括视场定位相机及与之配套的高精度旋转电机和方位数字显示仪、高精度二维旋转平台、光谱接收系统、可见光摄像头和热红外镜头；视场定位相机搭载到高精度旋转电机上，使视场定位相机能够转动以搜索工业区目标污染源；方位数字显示仪用于显示视场定位相机锁定的目标方位信号，并将目标方位信号传递至控制与分析终端；光谱接收系统包括光谱入瞳棱镜组合、由离轴抛物面反射镜组组成的光通量放大装置，光谱接收系统搭载到高精度二维旋转平台上，使光谱接收系统能够采集指定水平和俯仰组合方位的太阳散射光谱数据；可见光摄像头和热红外镜头与光谱入射方向轴向平行且间距不大于4cm，用于定位观测位置和确定烟羽轮廓；所述光纤，用于将光谱接收系统采集的光信号传输至分光与探测系统；所述分光与探测系统，用于对观测的连续光谱信号进行分光，并将光谱模拟信号转化成数字信号，传输至控制和分析终端；该系统被放置于由量级温度控制系统组成的恒温箱内，恒温箱温度为20
±
0.05℃；所述定标灯，用于对光谱波长进行实时校准；所述控制和分析终端，用于发送控制命令，对目标视场范围内的工业区污染源进行网格化光谱扫描采集，并完成不同大气成分的斜柱浓度、垂直柱浓度和绝对浓度反演；所述烟羽成像显示与校验系统，用于显示成像结果，并基于采样数据对成像结果进行校验。2.根据权利要求1所述的超光谱遥感系统，其特征在于，所述三脚支撑架，其高度可调节通过三支撑脚的伸缩机构实现，可调节高度为1
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3米，以保证扫描系统所搭设的高度不被周围的环境所遮挡，同时协助调节水平，保证水平和俯仰扫描角度的观测精度。3.根据权利要求1所述的超光谱遥感系统，其特征在于，所述视场定位相机的视场角为120
°
；高精度旋转电机，转动范围0～360
°
，转动误差小于0.05
°
；电机具有较高的转动速度和加速度，以保证在较短时间内搜索到工业区目标排放源；方位数字显示仪可以识别视场定位相机所测视场的最小方位角、最大方位角和视场中心方位角，以正北方所对应的方位角为0
°
，定位精度为
±1°
。4.根据权利要求3所述的超光谱遥感系统，其特征在于，所述高精度二维旋转平台通过信号线和控制与分析终端进行实时通讯，用以精确控制光谱接收系统的观测水平方位角和俯仰角；水平转动范围为0～360
°
，俯仰转动范围0～180
°
，二者转动精度均小于0.05
°
；高精度二维旋转平台具有较高的转动速度和加速度，保证成像结果在水平方向和垂直方向具有较高的时间分辨率，完成一次光谱采集所需要的时间为10s，完成一个方位角上所有俯仰角扫描所需要的时间为2min，方位角的个数根据工业区目标排放源扩散程度来确定，扩散方向和扩散程度根据与整个系统配合使用的风向和风速仪确定。5.根据权利要求1所述的超光谱遥感系统，其特征在于，所述光谱接收系统具体由石英三棱镜、凸透镜、遮光器、舵机、紫外光通量放大装置组成；石英三棱镜用于折射太阳散射光至凸透镜；凸透镜采用石英晶体材料，用于聚集太阳散射光至光纤接收端面，即凸透镜的焦
点为光纤端面位置；遮光器置于石英三棱镜后凸透镜前，由舵机控制，白天遮光器处于打开状态保证正常采集太阳散射光，夜间遮光器处于关闭状态，遮挡所有散射光辅助采集仪器暗背景和电子偏置，用于后续光谱分析过程进行噪声扣除和光谱校正，以保证最终用于分析的光谱具有最高的信噪比；舵机的转动范围0～100
°
，转动精度小于0.3
°
；紫外光通量放大装置由离轴抛物面反射镜组组成，抛物面渡高反射率介质膜，对紫外光通量进行放大用于解决因320nm以下光谱信噪比低和吸收强度弱而造成的多种VOCs反演拟合难度大和拟合精度低的问题；光谱接收系统的视场角为0.2
°×
0.8
°
。6.根据权利要求1所述的超光谱遥感系统，其特征在于，可见光摄像头和热红外镜头与光谱入射方向轴向平行且间距不大于4cm，其中可见光摄像头和光谱采集镜头的视场角相同，用来确定观测位置以保证图
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数同轴，热红外镜头用以确定烟羽轮廓。7.根据权利要求1所述的超光谱遥感系统，其特征在于，所述定标灯采用汞元素灯，置于光谱接收系统的遮光器之后、凸透镜之前，在控制终端的控制下，每天20:00自动采集汞灯光谱信号，生成校准文件，用于对光谱数据进行每日自动标定，以免因光谱漂移造成反演失败。8.根据...

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