一种对污染气体二维分布快速扫描成像的装置及方法与流程

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种对污染气体二维分布快速扫描成像的装置及方法。

背景技术：

近年来，中国的经济发展迅猛，并且未来还将继续保持快速发展过程，由此带来的大气污染对人们日常生活的影响日益严重，而同时，各种大气污染气体监测技术也取得了长足的进步，其中的光学遥测方法相比于定点采样的化学分析方法的优势在于，具有长距离、多组分、高分辨同时连续实时观测的特点。

基于差分吸收光谱的成像遥测技术是一种利用太阳散射光的被动测量技术，主要用于获取污染气体斜柱浓度的二维分布，可对大区域范围内的污染散乱源进行快速、精确的定位；但是无法实现快速对区域内常规污染气体二维分布信息的无间隔成像，同时污染气体二维分布不能直观可视。

技术实现要素：

本发明针对现有技术问题，提供一种对污染气体二维分布快速扫描成像的装置及方法，该方法具有快速成像和无间隔二维分布的特点，同时该方法采用扫描与采集同步进行，可以实现污染气体二维分布的可视化。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种对污染气体二维分布快速扫描成像的装置，包括前置光学系统、导入光学系统、成像光谱仪、面阵ccd探测器和计算机，其特征在于，

所述前置光学系统包括用于接收穿过污染气体的太阳散射光的物镜以及与物镜同轴设置的摄像机，所述摄像机用于同步拍摄前置光学系统扫描的区域；所述物镜及摄像机固定在一二维旋转平台上；

所述导入光学系统用于将前置光学系统接收的太阳散射光耦合并传输至所述成像光谱仪；

所述成像光谱仪用于将太阳散射光色散后传至面阵ccd探测器；

所述面阵ccd探测器用于完成光谱维与空间维的光谱采集并经数字化后传输至计算机；

所述计算机利用差分吸收光谱分析方法获取对污染气体的浓度信息，根据观测角度的几何模型，将浓度信息与空间维上的像元相匹配，按照扫描方向进行依次重构，对污染气体二维浓度场分布进行无间隔成像。进一步，所述导入光学系统为多芯光纤束。

进一步，所述成像光谱仪内的光学系统包括入射狭缝、准直镜、反射光栅、聚焦镜；所述导入光学系统传输的光经所述入射狭缝入射，入射光经所述准直镜反射到所述反射光栅，经反射光栅使从它衍射的光束返回聚焦镜，狭缝的光谱像被成像到出射狭缝的面阵ccd探测器上。

进一步，所述物镜由像方远心的紫外物镜和可见光物镜构成。

一种对污染气体二维分布快速扫描成像的方法，包括所述装置，其特征在于，方法如下：

s1、二维旋转平台以一定的角速度水平旋转，前置光学系统通过紫外物镜或可见光物镜对检测区域污染气体的太阳散射光进行快速扫描；每旋转一个角度，采集一次太阳散射光；同时同轴摄像机进行同步摄像，直到扫描结束；

s2、导入光学系统将前置光学系统每次采集的太阳散射光耦合并传输至成像光谱仪；

s3、成像光谱仪将太阳散射光色散后传至面阵ccd探测器；

s4、面阵ccd探测器完成光谱维与空间维的光谱采集并经数字化后传输至计算机；

s5、前置光学系统每采集一次，计算机得到一组吸收光谱数据；然后对每一组光谱数据在空间维上进行多次多像元binning，去除未被光照亮的噪声部分，提取出多条吸收光谱，基于朗伯比尔定律，利用差分吸收光谱分析方法对每一条吸收光谱进行反演，得到一个空间维上从上到下污染气体不同的浓度值；

s6、根据观测角度的几何模型，计算出观测所得每个像元所占空间大小，将浓度信息与空间维上的像元相匹配，按照扫描方向进行依次重构，并与同轴摄像机所拍摄画面相匹配，对污染气体二维浓度场分布进行无间隔成像。

进一步，所述步骤s1中，二维旋转平台每旋转1°，前置光学系统的紫外物镜或可见光物镜曝光一次，进行一次对检测区域污染气体的太阳散射光采集；同时同轴摄像机进行无间隔摄像。

进一步，所述物镜由像方远心的紫外物镜和可见光物镜构成。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.本发明实现了快速对区域内常规污染气体二维分布信息的无间隔成像，有利于确定区域内各散乱源的位置信息以及输送情况，为环境保护部门掌握区域内各散乱源位置情况提供了技术支持；

2.本发明使用同轴摄像机拍摄记录扫描区域，可灵活快速地获取所拍摄区域范围内污染气体二维分布，进而确定区域内各散乱源的位置信息；

3.本发明光线经光纤耦合后从光谱仪狭缝位置入射进入光谱仪光学系统，具有一定发散角的多色入射光经准直镜反射到光栅，本发明条纹密度为1200g/mm，由于反射光栅的光栅条纹密度足够高，对光线进行分光，使从它衍射的光束返回聚焦镜，最后，狭缝的光谱像被成像到出射狭缝的面阵ccd上，经光栅分光后，紫外波段的光谱分辨率小于0.5nm，具有很高的分辨率；

4.本发明在紫外可见通道采用512×2048pixel紫外增强的二维面阵ccd，该ccd具有高读出速率、低噪声、成像面积大和高光谱等诸多特点，可以有效避免带间间隙，实现无间隔二维分布；

5.本发明导入光学系统采用一种结合多芯光纤束的导入光学系统，实现较高的散射光信号收集，具有较好的成像质量、大视场并且与光谱仪孔径匹配等优点，同时光纤束传输的方式极大地便利了仪器的安装和调试。光纤芯两端水平顺序排布。前置光学系统具有像方远心的结构，与成像光谱系统的光瞳相匹配，宽波段范围内系统的分辨力较高，系统还有较大的相对孔径以满足信噪比的要求；

6.本发明前置光学系统主要由像方远心的紫外物镜构成，根据实际光谱仪的色散要求及接收光纤芯径大小，设计了视场角为15°的紫外镜头，像方远心紫外物镜将散射光聚焦到光纤束上，光纤束再与光谱仪串联配合。前置紫外镜头的视场角决定其在接收器上成清晰像的空间范围，镜头以光谱仪狭缝作为视场光阑。前端导入光学系统采用透射且保证像方远心，后端光谱仪的入射光狭缝依据所选探测器像元的大小而确定大小(本发明实施时狭缝为13.5mm)，狭缝长度方向为空间维方向，狭缝宽度方向为光谱维方向；

7.本发明以地基二维转台定点扫描的形式，获取区域范围内的常规污染气体的二维分布特征。

附图说明

图1为本发明对污染气体二维分布快速扫描成像的装置结构示意图；

图2为本发明对污染气体二维分布快速扫描成像的方法示意图。

图3是本发明水平扫描过程示意图。

图4是本发明可视化无间隔污染气体二维分布图。

具体实施方式

下面结合图1-图4，对本发明做进一步详细叙述。

如图所示，快速扫描成像的装置，包括有前置光学系统、导入光学系统、成像光谱仪5、面阵ccd探测器6和计算机8。

其中：

前置光学系统包括具有一定视场角的物镜1以及与物镜1同轴设置的摄像机11，所述物镜及摄像机固定在一二维旋转平台上。

导入光学系统是一种结合多芯光纤束3的导入光学系统。

成像光谱仪5是一种消像差的czerny-turner结构成像光谱仪，成像光谱仪5内的光学系统包括入射狭缝4、准直镜、反射光栅9、聚焦镜10，其中反射光栅9是一种三光栅塔轮式结构(如普林斯顿仪器的isoplane350光谱仪中的三光栅塔轮结构)。

成像方法中，前置光学系统接收穿过污染气体的太阳散射光，经过导入光学系统耦合，从入射狭缝4入射，具有一定发散角的多色入射光经准直镜反射到反射光栅9，反射光栅9使从它衍射的光束返回聚焦镜10，最后，狭缝的光谱像被成像到出射狭缝的面阵ccd探测器6上。光线经光纤耦合后从光谱仪狭缝位置入射进入光谱仪光学系统，经光栅分光后，紫外波段的光谱分辨率小于0.5nm。

经成像光谱仪5色散后被面阵ccd探测器6接收，由面阵ccd探测器6完成光谱维与空间维的光谱采集工作，数字化后通过usb传导到计算机8中，计算机8利用差分吸收光谱分析方法进行反演，得到所测不同空间维上污染气体的斜柱浓度，根据观测角度的几何模型，计算出观测所得每个像元所占空间大小，将浓度信息与空间维上的像元相匹配，按照扫描方向进行依次重构，并与同轴摄像机所拍摄画面相匹配，对污染气体二维浓度场分布进行无间隔成像。观测角度的几何模型如下：

r1＝2ltan(α/2)

其中，r1为系统水平分辨率，r2为系统垂直分辨率，l为系统到观测目标的垂直距离，α为转台每次测量水平扫描的角度，β为垂直视场角，即紫外镜头的视场角。系统的水平分辨率r1与α和l有关，α通常大于系统旋转测量时的瞬时水平视场角。系统的垂直分辨率r2与β和l有关，且需要考虑到垂直方向上有512个像元。

以下提供一种对污染气体二维分布快速扫描成像的方法：

s1、二维旋转平台以一定的角速度水平旋转，前置光学系统通过紫外物镜或可见光物镜对检测区域污染气体的太阳散射光进行快速扫描；每旋转一个角度，采集一次太阳散射光；同时同轴摄像机进行同步摄像，直到扫描结束；

s2、导入光学系统将前置光学系统每次采集的太阳散射光耦合并传输至成像光谱仪；

s3、成像光谱仪将太阳散射光色散后传至面阵ccd探测器；

s4、面阵ccd探测器完成光谱维与空间维的光谱采集并经数字化后传输至计算机；

s5、每采集一次，计算机得到一组吸收光谱数据；然后对每一组光谱数据在空间维上进行多次多像元binning，去除未被光照亮的噪声部分，提取出多条吸收光谱，基于朗伯比尔定律，利用差分吸收光谱分析方法对每一条吸收光谱进行数据反演，得到一个空间维上从上到下污染气体不同的浓度值；

s6、根据观测角度的几何模型，计算出观测所得每个像元所占空间大小，将浓度信息与空间维上的像元相匹配，按照扫描方向进行依次重构，并与同轴摄像机所拍摄画面相匹配，对污染气体二维浓度场分布进行无间隔成像。

进一步，所述步骤s1中，二维旋转平台每旋转1°，前置光学系统的紫外物镜或可见光物镜曝光一次，进行一次对检测区域污染气体的太阳散射光采集；同时同轴摄像机进行无间隔摄像。

本发明方法实施时，先使用hg元素灯进行定标，再采集当次实验中天顶光谱作为参考谱。

本发明实现了快速对区域内常规污染气体二维分布信息的无间隔成像，有利于确定区域内各散乱源的位置信息以及输送情况，为环境保护部门掌握区域内各散乱源位置情况提供了技术支持。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。