一种温室气体遥感探测方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种温室气体遥感探测方法及其装置。探测装置的光学系统包括多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同目标气体波段；成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；前置物镜为透射式反远距物镜结构，像方远心，分光系统为Littrow结构，探测装置具有结构简单紧凑，易于安装调试，稳定性好，小体积、宽覆盖、大相对孔径、高空间分辨率和甚高光谱分辨率的特点。依据待探测温室气体的吸收波段，采用多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同的目标气体波段，得到目标气体各个波段的空间信息和光谱信息，经分析处理得到光谱数据，完成对目标气体的探测鉴别。
【专利说明】一种温室气体遥感探测方法及其装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种小型、宽覆盖、大相对孔径、高空间和高光谱分辨率光学系统，特 别涉及一种适用于遥感探测温室气体浓度的光学系统及其探测方法。
【背景技术】
[0002] 气候变化是全球面临的重大危机和严峻挑战，事关人类生存和经济社会全面协调 可持续发展，已成为世界各国共同关注的热点和焦点。二氧化碳（co 2)和甲烷（ch4)是两种 主要的温室气体，在地球气候形成和变迁中起着重要作用。自工业革命以来，由于人类活动 特别是大量化石燃料燃烧和森林破坏，大气中C0 2和CH4含量不断增长，与此同时全球气候 和生态环境也正发生着剧烈变化。为全面了解把握全球碳源碳汇时空分布、变化状况及循 环过程和增强未来大气C0 2及CH4浓度的预测、全球气候变化应对及生态系统管理能力，近 年来美国、日本和欧盟国家都有相关的卫星任务来进行全球性的碳探测。我国也开始了对 C02和CH4监测卫星的研制。
[0003] 然而，由于气体吸收光谱的精细特性，一般需要成像光谱仪具有甚高光谱分辨率， 相对孔径大于2。目前国内外专门用于温室气体监测的卫星都面临着体积大、重量重和覆盖 范围小等问题。其中，日本于2009年发射的G0SAT卫星长2.0m，宽1.8m，高3. 7m，是重约 1. 8吨的中型卫星，点采样：采样点大小10· 5Km，每间隔80Km取一采样点，幅宽790Km ;美国 0C0卫星整体长2. 12m,宽0· 94m,重441kg,空间采样/幅宽为1. 29kmX 2. 25km/10. 3km。同 时为了提高晴空探测概率和区域规模探测，要求探测仪具有高空间分辨率。因此，研制成像 质量好、体积小、重量轻、宽覆盖、稳定性高、分辨率高和成本低的成像光谱仪是十分迫切和 具有广泛的应用前景的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是，针对现有技术存在的不足，提供一种能满足探测温室气体浓度 的成像光谱仪成像质量要求，且体积小、重量轻、结构简单、稳定性能好的宽覆盖甚高光谱 分辨率和高空间分辨率的遥感探测装置，及对温室气体浓度进行探测的方法。
[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种温室气体遥感探测装置，所述探测装置的光学 系统包括多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同目标气体波段；所述 的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器；所述的前置物镜为透射式反远距物镜结 构，像方远心，前置物镜相对孔径的倒数F/#的取值范围为1.8?2,所述的分光系统为 Littrow结构，光栅为浸没光栅（immersion grating)。
[0006] 上述技术方案中，所述的前置物镜包括前组透镜和后组透镜，光阑置于前组透镜 和后组透镜之间，前置物镜将进入系统的光聚焦在狭缝处，狭缝置于前置物镜像面处；所述 的前组透镜为单透镜，后组透镜为分离的三片镜结构，前组透镜的单透镜的第一面和后组 透镜的第二块透镜的第二面为非球面。所述的分光系统包括准直透镜组和浸没光栅，分光 系统的准直和聚焦为同一透镜组，进入狭缝的光经准直透镜组后入射到浸没光栅上，衍射 光沿原路返回，经聚焦透镜组后成像于探测器的上。
[0007] 本发明提供的温室气体遥感探测装置的一个优选方案是：光学系统包括四路相互 独立的成像光谱仪，每路光学系统的工作范围分别为氧气-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,强二氧化 碳吸收波段2. 043?2. 085 μ m。
[0008] 本发明技术方案还包括一种温室气体遥感探测方法，步骤如下： 1、 依据待探测温室气体的吸收波段，采用多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱 仪分别对应不同的目标气体波段，所述的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器； 2、 前置物镜将地面反射太阳光聚焦在分光系统的狭缝上，经狭缝限制一维空间信息 后，分光系统再把一维空间信息沿垂直于狭缝方向色散，成像于探测器的上，获得目标气体 的一维空间信息和一维光谱信息； 3、 将探测装置与目标气体沿垂直狭缝方向作相对运动，获取目标气体的另一维空间信 息和光谱信息；重复本步骤，得到目标气体各个波段的空间信息和光谱信息，分析处理得到 的光谱数据，完成目标气体的探测鉴别。
[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 1、本发明探测仪的光学系统可同时监测二氧化碳（co2)和甲烷（CH4)等温室气体浓度， 它的体积小，重量轻，结构简单紧凑，约长440mm，宽36〇圓，高360mm，单路光学镜片重量约 7Kg ;具有大相对孔径、高空间分辨率和甚高光谱分辨率。
[0010] 2、前置物镜采用透射式结构，不存在反射结构畸变难校正问题。单路光学系统波 段范围窄，材料色差小，可使用同种玻璃设计。
[0011] 3、分光系统采用浸没式光栅，在满足成像性能要求同时，体积相对于传统平面光 栅分光系统体积减小约60%，总重量轻，浸没光栅可实现偏振无关设计。
[0012] 4、单路光学系统采用同轴结构，易于制造和装调。
[0013] 5、不存在明显偏振敏感元件，光学系统具有低偏振敏感度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明实施例提供的遥感探测温室气体浓度的光学系统结构示意图； 图2是本发明实施例提供的强C02波段光学系统的光路示意图； 图3是本发明实施例提供的强C02波段前置光学系统的光路示意图； 图4是本发明实施例提供的强C02波段分光成像光学系统的光路示意图； 图5是本发明实施例提供的强C02波段光学系统的畸变曲线图； 图6是本发明实施例提供的强C02波段光学系统谱线弯曲曲线图； 图7是本发明实施例提供的强C02波段光学系统场曲/像散曲线图； 图8是本发明实施例提供的强C02波段光学系统能量集中度曲线图； 图9是本发明实施例提供的强C02波段光学系统的调制传递函数曲线； 图10是本发明实施例提供的强C02波段浸没光栅衍射效率。
[0015] 图中：1、前置物镜；2、分光系统；3、入射方向主光线；4、前置物镜前组；5、光阑； 6、前置物镜后组第一块透镜；7、前置物镜后组第二块透镜；8、前置物镜后组第三块透镜； 9、狭缝；1〇、光轴；11、分光系统第一块透镜；I2、分光系统第二块透镜；丨3、非球面弯月透 镜；14、分光系统第三块透镜；15、浸没光栅，I6、探测器。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。
[0017] 实施例1 本实施例提供的技术方案为适用于遥感探测温室气体浓度的光学系统，它的工作波 段是氧气-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，强二氧化碳（C02)吸收波段2· 〇43? 2. 085 μ m。卫星轨道高度687Km,地面幅宽5〇〇Km，视场约40°，地面采样空间2KmX 2Km,光 谱分辨本领15000,前置望远系统F数F/#=l·8。由于四个波段分光系统结构相似，本实施 例主要以强C0 2吸收波带2. 043?2. 085 μ m光学系统为例进行说明。
[0018] 参见附图1，它是本实施例提供的遥感探测温室气体浓度的光学系统结构布局示 意图，在本实施例中，采用四路分离成像光谱仪进行拼合，每路成像光谱仪对应图中的一个 模块，可自由放置，分别由前置物镜1、分光系统2和探测器16组成。
[0019] 参见附图2,它是本实施例提供的强C02波段的光学系统光路的结构示意图。由 前置物镜1、分光系统2和探测16器组成，前置物镜为透射式反远距物镜，分光系统为 Littrow-浸没光栅结构，光栅方向垂直于纸面。
[0020] 参见附图3,它是本实施例提供的强C02波段前置物镜的光路示意图，前置物镜实 现对目标成像，采用透射式反远距物镜，像方远心，光轴10上设置前置物镜前组4和后组； 前组4为单透镜，后组为三片分离镜结构，分别为前置物镜后组第一块透镜6、第二块透镜 7和第三块透镜8,光阑5置于前组和后组之间，前置物镜的焦距f=6. 9mm，视场约40°， F/#=l. 8。地面反射的光线3经前组4和后组透镜6、7和8的透射后聚焦成像在狭缝9上， 狭缝长约2. 5mm,宽约20 μ m，狭缝方向平行于纸面。透镜材料为石英，前置物镜光学系统 中各透镜参数参见表1，其中前组单透镜的第一面和后组第二块透镜 7的第二面为非球面， conic 系数分别为-0. 3694 和-2. 6932。
[0021] 表1 :强C02波段前置物镜光学系统各透镜参数
【权利要求】
1. 一种温室气体遥感探测装置，其特征在于：所述探测装置的光学系统包括多路相互 独立的成像光谱仪，每路成像光谱仪分别对应不同目标气体波段；所述的成像光谱仪包括 前置物镜、分光系统和探测器；所述的前置物镜为透射式反远距物镜结构，像方远心，前置 物镜相对孔径的倒数F/#的取值范围为1. 8?2,所述的分光系统为Littrow结构，光栅为 浸没光栅。
2. 根据权利要求1所述的一种温室气体遥感探测装置，其特征在于：所述的前置物镜 包括前组透镜和后组透镜，光阑置于前组透镜和后组透镜之间，前置物镜将进入系统的光 聚焦在狭缝处，狭缝置于前置物镜像面处；所述的前组透镜为单透镜，后组透镜为分离的三 片镜结构，前组透镜的单透镜的第一面和后组透镜的第二块透镜的第二面为非球面。
3. 根据权利要求1所述的一种温室气体遥感探测装置，其特征在于：所述的分光系统 包括准直透镜组和浸没光栅，分光系统的准直和聚焦为同一透镜组，进入狭缝的光经准直 透镜组后入射到浸没光栅上，衍射光沿原路返回，经聚焦透镜组后成像于探测器的上。
4. 根据权利要求1所述的一种温室气体遥感探测装置，其特征在于：它的光学系统包 括四路相互独立的成像光谱仪，每路光学系统的工作范围分别为氧气-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， 强二氧化碳吸收波段043?2. 085 μ m。
5. -种温室气体遥感探测方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 依据待探测温室气体的吸收波段，采用多路相互独立的成像光谱仪，每路成像光谱 仪分别对应不同的目标气体波段，所述的成像光谱仪包括前置物镜、分光系统和探测器； (2) 前置物镜将地面反射太阳光聚焦在分光系统的狭缝上，经狭缝限制一维空间信息 后，分光系统再把一维空间信息沿垂直于狭缝方向色散，成像于探测器的上，获得目标气体 的一维空间信息和一维光谱信息； (3) 将探测装置与目标气体沿垂直狭缝方向作相对运动，获取目标气体的另一维空间 信息和光谱信息；重复本步骤，得到目标气体各个波段的空间信息和光谱信息，分析处理得 到的光谱数据，完成目标气体的探测鉴别。
【文档编号】G01J3/02GK104215332SQ201410527186
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】靳阳明, 沈为民 申请人:苏州大学