通过遥感卫星检测挥发性有机化合物浓度的系统的制作方法
本申请涉及遥感监测技术领域，具体涉及一种通过遥感卫星检测挥发性有机化合物浓度的系统。
背景技术：
随着经济的发展，天气污染指数在全国范围内有显著提升。因此发展出了一系列环境监测手段，通过不同的环境监测手段，实时监测各地的环境质量变化。现行的环境监测主要通过地基、机载、星载等方式测量大气不同组分的气体浓度。由于地基测量需要分布大量的测量站点，测量范围较小，成本较高以及管理复杂；机载测试平台测量条件要求较高，尤其是天气状况，而且测量的范围不大。
挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds，voc)是空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物的统称，主要包括甲醛、苯、二甲苯、氨气、乙二醇、酯类等物质。作为形成pm2.5及o3的重要组分，voc对人民群众的身体健康具有严重威胁，voc污染已然成为困扰我国环境治理的新问题。我国也逐渐开始重视对voc的管控，环保部已将voc排放列入打赢蓝天保卫战新三年作战计划，voc的监测、治理已经晋级成为当下“保卫蓝天”的重点任务。
相关技术中，我国采用便携式fid/fpd和红外相机的监测方法进行voc监测监控，工作量繁重、费时费力；以一般规模的炼油厂为例，监测点数达到几十万，监测费用接近千万级别。此外，累加方式存在较大的系统误差，不能准确反映某个工厂或区域的voc的排放总量；且卫星上光谱仪的数量和光谱仪工作与否没有想要调整机制，现有卫星上光谱仪全部24小时工作，没有根据具体需要而进行调整；获取的光谱数据没有响应准确评价机制，导致后续工作不准确。由于存在上述问题，现有监测方法难以有效实施。
技术实现要素：
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种通过遥感卫星检测挥发性有机化合物浓度的系统。
根据本申请的实施例，提供一种通过遥感卫星检测挥发性有机化合物浓度的系统，包括：光谱仪、卫星平台和地面站；
所述光谱仪包括：光学系统、电子成像系统和定标系统；所述光学系统用于收集地球大气的散射光辐射；所述电子成像系统用于将光辐射转换为光谱信息；所述定标系统用于对所述光学系统进行辐射定标，以监测所述光学系统的各光学部件的工作情况；
所述卫星平台用于搭载所述光谱仪，并将所述光谱仪收集的光谱信息传输到所述地面站；所述地面站用于接收并处理光谱信息，根据光谱信息获得挥发性有机化合物浓度的分布数据。
进一步地，所述光学系统包括前置望远系统、准直镜组、成像镜组；
所述前置望远系统设置与所述准直镜组的一端连接，所述前置望远系统设置与所述准直镜组之间设置有反射镜；
所述准直镜组的另一端与所述成像镜组连接，所述所述准直镜组与所述成像镜组之间设置有折叠镜和可调滤光器。
进一步地，所述前置望远系统包括遮光罩、主框架、望远镜；
所述望远镜和所述遮光罩均设置在所述主框架的一侧；所述望远镜固定在所述主框架上，所述遮光罩设置在所述望远镜周围；所述反射镜设置在所述主框架的另一侧；
所述准直镜的一端与所述反射镜连接，所述准直镜的另一端与所述折叠镜的一端连接；所述折叠镜的另一端依次连接所述可调滤光器、所述成像镜组。
进一步地，还包括光谱仪开启数量调节系统，根据企业地理分布确定光谱仪的数量；包括获取企业地理分布数据，所述企业地理分布数据包括分布区域最小包围盒的圆形面积s，最小包围盒圆形半径r，卫星所在轨道的高度h，光谱仪的参数向量矩阵；一个光谱仪最大捕捉面积smax为：
其中，n1为光谱仪第一参数向量矩阵，n2为光谱仪第二参数向量矩阵，β为最小包围盒圆心处水平面相对卫星的仰角；
检测所需光谱仪的最低数量为kc为：
其中，sc为光谱仪重复照射区域，θ为光谱仪前置望远系统广角最大值。
进一步地，还包括光谱仪光谱数据质量评测系统，选择最佳光谱数据时，采用下述光谱数据计算公式计算第k组光谱数据的质量度φk：
式中，θ为光谱仪前置望远系统广角最大值；μk为第k组光谱数据的均值；μ为根据天气、时间因素设置的均值阈值；τk为第k组光谱数据的方差；τ为根据天气、时间因素设置的方差阈值；pk为第k组光谱数据的直方图；p为根据天气、时间因素设置的直方图阈值；ik为第k组光谱数据的峰度，i为根据天气、时间因素设置的峰度阈值；δk为第k组光谱数据中云数据的占比，δ为根据天气、时间因素设置的占比阈值；n为光谱数据组数，
进一步地，所述光学系统包括中继系统；所述中继系统设置在所述前置望远系统的前端；
所述中继系统包括：视场光阑、中继反射镜、中继镜头、分色片；光辐射从所述视场光阑处入射，经所述中继反射镜反射后发生光路转折并形成聚焦光束，经过所述分色片后进入所述前置望远系统。
进一步地，所述电子成像系统包括光电转换模块、a/d转换模块、处理器；
所述光电转换模块用于将所述光学系统收集的光辐射转换为电信号；所述a/d转换模块用于将电信号转换为数字信号；处理器用于将数字信号处理为光谱信息。
进一步地，所述处理器中集成有时序模块、象元模块、主控模块；
所述时序模块用于产生光谱读写时序，所述象元模块用于接收所述a/d转换模块产生的数字信号，同时根据所述主控模块设置的参数，将读取的数据逐点累加形成数字像元；所有象元的集合形成光谱信息。
进一步地，所述主控模块设置的参数为可变参数，该参数根据光谱信号的强弱自动调整，或者根据接收到的所述地面站发来的指令进行调整设置。
进一步地，所述定标系统包括步进电机、漫反射板和光耦定位板；
所述步进电机用于驱动所述漫反射板旋转，改变所述漫反射板的角度，从而使调整所述光谱仪的工作模式；所述光耦定位板用于配合所述步进电机，精确定位所述漫反射板的位置。
进一步地，所述定标系统还包括转台和轴承；所述漫反射板固定在所述转台的底部；所述步进电机驱动所述轴承旋转，从而带动所述转台转动；
所述转台的旋转轴上还设置有涡卷弹簧，用于在所述步进电机失效时将所述转台复位。
进一步地，所述地面站包括接收天线、上位机和下位机；
所述接收天线采用卫星接收天线；
所述上位机用于接收光谱信息，并将光谱信息分发到下位机，还提供参数设置的人机交互界面，并向所述卫星平台发送参数；
所述下位机用于接收上位机分发的光谱信息，并对光谱信息进行处理。
本申请的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
本方案采用小型遥感监测卫星监测voc的浓度分布情况，具有准确、高效和及时性强的特点，可大幅度降低监测费用和工作量，提高及时性，一颗卫星可完成上百家企业的voc排放的监测，同时根据企业区域的大小或分布，动态调整光谱仪的数量以及工作时间区间；通过本申请的方法对光谱数据的质量检测，能够自动选择质量较好的数据，为后续分析节省大量监测费用，同时满足国家对voc排放总量控制的要求。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种通过遥感卫星检测挥发性有机化合物浓度的系统框图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种卫星平台的总体设计方案。
图3是根据一示例性实施例示出的一种光谱仪的光学系统光路图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种光谱仪的光学系统结构图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和装置的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种通过遥感卫星检测挥发性有机化合物浓度的系统，包括：光谱仪、卫星平台和地面站；
所述光谱仪包括：光学系统、电子成像系统和定标系统；所述光学系统用于收集地球大气的散射光辐射；所述电子成像系统用于将光辐射转换为光谱信息；所述定标系统用于对所述光学系统进行辐射定标，以监测所述光学系统的各光学部件的工作情况；
所述卫星平台用于搭载所述光谱仪，并将所述光谱仪收集的光谱信息传输到所述地面站；所述地面站用于接收并处理光谱信息，根据光谱信息获得挥发性有机化合物浓度的分布数据。
本方案采用小型遥感监测卫星监测voc的浓度分布情况，具有准确、高效和及时性强的特点，可大幅度降低监测费用和工作量，提高及时性，一颗卫星可完成上百家企业的voc排放的监测，节省监测费用亿元以上，同时满足国家对voc排放总量控制的要求。
下面结合具体的应用场景，对本申请的方案进行拓展说明。
如图2所示，图中示出了一种卫星平台的总体设计方案。卫星系统根据有机排放物(voc)遥感监测的技术需求，卫星在正常的测量过程中处于三轴稳定状态；卫星平台使用成熟的tpx102平台；在卫星本体的+z面安装可见光探测载荷。
卫星平台的供配电在tpx102平台的基础上进行优化；载荷的平均功耗为20w，平台为载荷提供5v和12v可控电源，满足载荷用电需求；目前ty-26u平台太阳能电池阵的最大输出功率是28w，锂电池组容量为150wh，平台平均功耗9w，最大瞬时功耗满足载荷25w(10min)，满足可见光载荷时间。在观测阶段，采用对地稳定模式；在非观测阶段，采用对日定向模式。经过计算能源满足卫星单轨平衡的问题。
卫星平台的电气接口设计方案如下：
1、卫星平台具有can总线接口，can总线稳定性较好，所以，载荷与卫星平台之间的通信接口选用can总线进行通信；2、根据任务需求，有机排放物遥感监测卫星产生的数据主要为ais数据和图像数据，所以，探测仪与卫星平台之间的数据接口选择lvds高速通信接口；3、根据任务需求，卫星平台提供所需的5v，12v电源供电；4、载荷进行设计时具有独立的调试接口，可满足载荷与卫星平台并行测试需求。
有机排放物(voc)遥感监测卫星每天产生的数据量为10gbit；卫星上使用的s波段发射机数据传输速率为16mbps，目前可以使用的s波段地面接收站包括三亚地面站，北京地面站、酒泉地面站等，每天过站时间最少20分钟，可以下行的数据量为32gbit数据，单站数据接受尚能满足数据传输的要求。s波段发射机的发射功率为2w；卫星运行在500km轨道时信道余量是5db(误码率10-6)。
星载光谱仪采用doas(differentialopticalabsorptionspectroscope，差分吸收光谱仪)差分红外光谱技术探测，依据化合物化学结构，当红外光穿过voc气体时，一部分波长的光将被吸收。覆盖波长7.5～14.0μm的热红外光谱仪器可根据气体的吸收或发射峰准确检测出几乎所有的化学气体物质(物质自身分子谱)，和气体分子振动特征相关，稳定准确。可以实现探测灵敏度0.1ppm，探测精度0.5ppm。目标驻留工作方式对热点地区观测，目标观测范围20km×20km，100m空间分辨率，探测小区域范围(厂区规模)voc气体空间分布。
星载doas差分光谱仪技术指标如下：
1、工作波段范围3.0μm-4.5μm；2、可编程扫描光谱波段；3、选择3.0μm-3.5μm波段作为总量监测波段，其他波段作为辅助探测和种类识别；4、采用二级光学系统+可调谐滤光器探测方案。
星载doas红外光谱仪光学系统由前置望远镜和光谱仪两大部分组成，光谱采用光栅分光，根据监测目标组成成分的不同采用多波段扫描方式。
红外成像光谱仪的校准采用面源黑体与voc气体吸收池来完成；voc气体池中分别充入不同种类烃类挥发气体，标定气体光学厚度与光谱灵敏度之间的关系；气体含量低是采用3.0μm-3.5μm吸收波段，气体含量高时采用辅助弱吸收探测波段；同时开发基于卫星遥感doas的voc探测反演软件。
如图3和图4所示，一些实施例中，所述光学系统包括前置望远系统、准直镜组、成像镜组；
所述前置望远系统设置与所述准直镜组的一端连接，所述前置望远系统设置与所述准直镜组之间设置有反射镜；
所述准直镜组的另一端与所述成像镜组连接，所述所述准直镜组与所述成像镜组之间设置有折叠镜和可调滤光器。
一些实施例中，所述前置望远系统包括遮光罩、主框架、望远镜；
所述望远镜和所述遮光罩均设置在所述主框架的一侧；所述望远镜固定在所述主框架上，所述遮光罩设置在所述望远镜周围；所述反射镜设置在所述主框架的另一侧；
所述准直镜的一端与所述反射镜连接，所述准直镜的另一端与所述折叠镜的一端连接；所述折叠镜的另一端依次连接所述可调滤光器、所述成像镜组。
进一步地，还包括光谱仪开启数量调节系统，根据企业地理分布确定光谱仪的数量；包括获取企业地理分布数据，所述企业地理分布数据包括分布区域最小包围盒的圆形面积s，最小包围盒圆形半径r，卫星所在轨道的高度h，高度h的单位为万千米，光谱仪的参数向量矩阵；一个光谱仪最大捕捉面积smax为：
其中，n1为光谱仪第一参数向量矩阵，第一参数向量矩阵为光谱仪的光学分辨率、光栅线数，谱仪焦距等数据构成，n2为光谱仪第二参数向量矩阵，第二参数向量矩阵由闪耀波长，光栅刻线、光栅效率等组成，β为最小包围盒圆心处水平面相对卫星的仰角；为了方便计算，一般将相关参数映射到三维模型中进行计算；
检测所需光谱仪的最低数量为kc为：
其中，sc为光谱仪重复照射区域，θ为光谱仪前置望远系统广角最大值；进一步的光谱仪的照射角度可以根据实际需要进行调节。
进一步地，还包括光谱仪光谱数据质量评测系统，选择最佳光谱数据时，采用下述光谱数据计算公式计算第k组光谱数据的质量度φk：
式中，θ为光谱仪前置望远系统广角最大值；μk为第k组光谱数据的均值；μk为根据天气、时间因素设置的均值阈值；τk为第k组光谱数据的方差；τ为根据天气、时间因素设置的方差阈值；pk为第k组光谱数据的直方图；p为根据天气、时间因素设置的直方图阈值；ik为第k组光谱数据的峰度，i为根据天气、时间因素设置的峰度阈值；δk为第k组光谱数据中云数据的占比，δ为根据天气、时间因素设置的占比阈值；n为光谱数据组数，
一些实施例中，所述光学系统包括中继系统；所述中继系统设置在所述前置望远系统的前端；
所述中继系统包括：视场光阑、中继反射镜、中继镜头、分色片；光辐射从所述视场光阑处入射，经所述中继反射镜反射后发生光路转折并形成聚焦光束，经过所述分色片后进入所述前置望远系统。
本实施例中，将光学中继系统与光谱仪有机结合起来，利用中继反射镜将光路转折，将发散光束变成汇聚光束，从而提高系统的探测分辨率，保证测量的准确性，使光谱仪在一定的空间频率范围内具有良好的分辨率和对比度，满足光谱仪的使用需求。
一些实施例中，所述电子成像系统包括光电转换模块、a/d转换模块、处理器；
所述光电转换模块用于将所述光学系统收集的光辐射转换为电信号；所述a/d转换模块用于将电信号转换为数字信号；处理器用于将数字信号处理为光谱信息。
一些实施例中，所述处理器中集成有时序模块、象元模块、主控模块；
所述时序模块用于产生光谱读写时序，所述象元模块用于接收所述a/d转换模块产生的数字信号，同时根据所述主控模块设置的参数，将读取的数据逐点累加形成数字像元；所有象元的集合形成光谱信息。
具体地，象元模块包括：移位寄存器、取整寄存器、回读寄存器、数值累加器、数据选择器、存储器地址发生器和数据管理器。
一些实施例中，所述主控模块设置的参数为可变参数，该参数根据光谱信号的强弱自动调整，或者根据接收到的所述地面站发来的指令进行调整设置。
由于光谱仪对ccd输出信号的信噪比要求很高，工程上这类光谱仪均采用科学级面阵ccd作为探测器，并使用象元合并的方式，通过牺牲分辨率来提高测量精度。
本实施例中，处理器通过相应的读写时序，按需求将ccd每n行数据(n为可变参数)逐点累加为一行输出，实现数字式象元合并，从而显著提高光谱仪的输出信噪比。此外，由于是在卫星上进行数字像元合并，还减少了对卫星数传通道的占用。
一些实施例中，所述定标系统包括步进电机、漫反射板和光耦定位板；
所述步进电机用于驱动所述漫反射板旋转，改变所述漫反射板的角度，从而使调整所述光谱仪的工作模式；所述光耦定位板用于配合所述步进电机，精确定位所述漫反射板的位置。
在发射过程中以及在轨运行期间，星载光谱仪的光学结构和电子学部件会发生性能改变，导致实验室辐射定标建立的数字化模型发生改变；为了得到更精确地光谱图像数据，更好的监测在轨运行期间仪器内部性能的变化，必须进行星上定标对这些变化进行校正。
一些实施例中，所述定标系统还包括转台和轴承；所述漫反射板固定在所述转台的底部；所述步进电机驱动所述轴承旋转，从而带动所述转台转动；
所述转台的旋转轴上还设置有涡卷弹簧，用于在所述步进电机失效时将所述转台复位。
光谱仪的工作模式有两种：对地观测(主光路观测)、定标光路观测，在两种光路之间进行切换就需要步进电机、转台和轴承的配合。一旦步进电机无法驱动转动转台来切换光路，仪器就无法实现其对地观测的核心功能。比如，在定标完成后，若步进电机故障，将无法切换到主光路，导致光谱仪无法实现对地观测，造成光谱仪在轨观测失效。
因此本实施例中，在转台的旋转轴上增加涡卷弹簧，在步进电机无法正常工作时，依靠涡卷弹簧施加的力矩将转台切换到主光路，保证光谱仪可以正常对地观测。而步进电机正常工作时，自然能够克服涡卷弹簧扭矩来驱动转台旋转。
一些实施例中，所述地面站包括接收天线、上位机和下位机；
所述接收天线采用卫星接收天线；
所述上位机用于接收光谱信息，并将光谱信息分发到下位机，还提供参数设置的人机交互界面，并向所述卫星平台发送参数；
所述下位机用于接收上位机分发的光谱信息，并对光谱信息进行处理。
地面站是基于多光谱红外voc监测卫星的地面配套系统，主要实现对voc监测卫星的数据回传和在轨卫星的控制。建立x频段地面站负责voc监测卫星数据接收和处理，主要实现对voc监测卫星的数据回传、数据处理和数据发布。
地面站卫星测控系统负责voc监测卫星的测控，使用uhf测控收发机，下行速率传输速率为9.6kbps，上行数据传输速率为4.8kbps；uhf测控地面站可以同时跟踪10颗低轨卫星；uhf测控软件包括：遥测数据的显示、存储，需要上行的卫星指令，软件在轨注入，卫星全任务剖面测试，故障注入测试等内容。
采用遥感监测卫星监测有机排放物(voc)具有准确，高效和及时性强的特点，可大幅度降低监测费用和工作量，提高及时性，voc遥感监测系统主要由：监测卫星、地面站及数据处理系统、遥感监测标准体系组成。
利用遥感卫星监测voc具有重要意义，通过收集相关遥感卫星红外成像光谱信息，对获取的数据进行几何校正、遥感提取信息处理，提取voc浓度分布信息，以获取更为详细的宏观分布规律数据，进而为当地的相关决策与环境治理提供科学依据。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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