一种卫星和地面结合测量碳值的地面装置的制作方法

1.本发明涉及卫星遥感技术领域，具体涉及一种卫星和地面结合测量碳值的地面装置。


背景技术：

2.全球变暖会带来显著的气候变化，在造成干旱和洪涝的同时也会引发粮食安全危机，科学界的研究表明，地表温度每上升1℃，粮食产量会下降17％。全球变暖还会导致冰川融化和海平面上升，地表温度每上升1.7℃，海平面将上升 30厘米，而全球超过一半的人口居住在海岸线200公里以内，这意味着他们都是潜在的受害者。
3.过去100年，人类活动导致地表温度增加了1.1℃，现在的地球比过去几万年的任何时期都要热，大气中的二氧化碳含量达到了有史以来的最高值。在全球变暖的背景下，碳中和已成为全球科学家和政治家的共识，它是保护人类生存环境的必备政策。
4.碳值是碳中和及碳达峰工程中的最关键的度量指标。这里的“碳值”可以是指大气中二氧化碳(co2)的浓度，也可以指大气中以二氧化碳为代表的若干种主要温室气体的综合浓度。除二氧化碳(co2)之外，所述主要温室气体例如有甲烷(ch4)，氧化亚氮(n2o)、氢氟碳化物(hfcs)、全氟化碳(pfcs) 和六氟化硫(sf6)。这些温室气体的排放将会导致温室效应，对地球的生存环境造成严重影响。其他温室气体，根据官方的当量表，均可以转化为二氧化碳的当量值，比如甲烷相对于二氧化碳(25:1)。因此下文中提到的碳值，可以是指将上述温室气体按当量表转化为二氧化碳后得出的浓度值。
5.由于碳中和的目标是全球性的，而非局部和单点的，因此需要相对实时地测量碳值在某个国家、某个区域乃至全球的分布情况。因此，利用卫星从地球外部测量碳值是一种非常科学和全局性的手段和方法。
6.目前主要有两类碳值测量方案。
7.1.地面测量方案，除传统的气体传感器(如电化学气体传感器、pid气体传感器等)外，主要包括利用激光光谱技术的方案。在这种方案中，激光发射和接收装置都在地面上且相距一段距离，这种技术方案局部测量精度高，但是覆盖度不够，不适合大区域部署和监测，并且部分场地凸凹不平，不适合展开地对地监测。
8.2.卫星测量方案。通过卫星的多光谱相机实时拍摄，监测云层下二氧化碳等气体浓度，来测算当前的碳值分布。这种方法覆盖广，实时性高，随着卫星分布越来越广，覆盖度会进一步提升。但这类方案由于无发射源，而是利用较低的自然反射光功率，信号量不足，因此其弊端在于准确性较低，且容易受到天气、其他协同气体等影响。此外，为确保适当的光谱覆盖度和分辨率，涉及相机成本的增加，使得多光谱相机十分昂贵。
9.因此，本领域中需要改进的碳值测量技术方案。


技术实现要素：

10.根据本发明的实施例，提供了一种卫星和地面结合测量碳值的地面装置，包括：
11.至少一个云台，其能够调整其上安装的设备的对空方向；
12.至少一个激光发射器，其安装在云台上；以及
13.控制单元，其被配置为：响应于一个卫星即将过顶，指令所述至少一个云台调整所述至少一个激光发射器的对空方向，使所述至少一个激光发射器指向该卫星，并指令所述至少一个激光发射器发射激光。
14.根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置能够方便地用于实现卫星和地面结合测量碳值的技术方案，与现有的无发射源的卫星测量方案相比，该技术方案大幅提高了光功率和信号量，而且可以使激光的光谱范围更为集中，因此大幅提高了碳值测量的准确性和精度，测量精度通常可以提高一个数量级。同时，可以在卫星上使用能够感知激光的低成本的多光谱相机，与现有的使用昂贵的多光谱相比或其他复杂的测碳装置的卫星测量方案相比，大幅降低了相机和卫星的成本。此外，与现有的地面测量方案相比，该技术方案可以大幅提高碳测量的覆盖度，且不受具体地形等的限制，因此适合于在诸如一个国家、一个区域或全球的大区域部署和监测，从而能够为全球碳中和及碳达峰工程提供更有力的技术保障和支持。
附图说明
15.图1示出了示出了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的技术方案的整体结构示意图。
16.图2示出了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置。
具体实施方式
17.下面参照附图详细描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。
18.现参照图1，其示出了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的技术方案的整体结构示意图。
19.如图1中所示，该技术方案包括：地面控制和计算系统110，一个或多个卫星120，以及一个或多个根据本发明的实施例的地面装置130。
20.所述地面控制和计算系统110例如可以为计算机系统，其与一个或多个卫星120通信连接。每个卫星120上可安装有多光谱相机。
21.所述地面控制和计算系统110还与一个或多个根据本发明的实施例的地面装置130通信连接。
22.所述地面控制和计算系统110可被配置为：
23.接收所述一个或多个地面装置130的位置信息；
24.将所述一个或多个地面装置130的位置信息分别发送给所述一个或多个卫星120，使得所述一个或多个卫星120在过顶所述一个或多个地面装置130 时能够将多光谱相机对
准所述一个或多个地面装置130，并收集由所述一个或多个地面装置130的至少一个激光发射器发射的激光的光谱数据，以及接收来自所述一个或多个卫星120的光谱数据；以及
25.根据所述光谱数据，计算对应于所述一个或多个卫星120的轨道高度和所述一个或多个地面装置130的位置的实时碳值。
26.在一些实施例中，所述地面控制和计算系统110还被配置为：
27.获得所述一个或多个卫星10的轨道信息；以及
28.将所述一个或多个卫星的轨道信息分别发送给所述一个或多个地面装置 130，使得所述一个或多个地面装置130能够分别在所述一个或多个卫星120过顶时将所述至少一个激光发射器指向所述一个或多个卫星120并发射激光。
29.在一些实施例中，所述地面控制和计算系统110通过卫星地面站与一个或多个卫星120通信连接，例如，从卫星地面站接收来自所述一个或多个卫星的数据，并通过卫星地面站向所述一个或多个卫星发送指令。
30.在另一些实施例中，所述地面控制和计算系统110直接与所述一个或多个卫星120通信，例如，直接接收来自所述一个或多个卫星120的数据，并直接向所述一个或多个卫星120发送信息。在这些实施例中，所述地面控制和计算系统110还包括卫星通信装置，例如卫星信号接收、处理和发送装置。
31.在一些实施例中，所述地面控制和计算系统110与一个卫星120通信连接，并与该一个卫星120的轨道所覆盖的一个或多个地面装置130通信连接，从而能够测量该一个卫星120的轨道所覆盖的一个或多个地面装置130上空的碳值。
32.在另一些实施例中，所述地面控制和计算系统110与多个卫星120通信连接，并与所述多个卫星120的轨道所覆盖的多个地面装置130通信连接，从而能够测量该多个卫星120的轨道所覆盖的多个地面装置上空的碳值。
33.所述多个卫星120可以不同轨道绕地球飞行，其可具有相同或不同的轨道高度，例如100公里、300公里等。每个卫星120上可搭载有多光谱相机，该多光谱相机用于接收例如地面装置发射的激光，并生成相应的光谱数据，所述光谱数据例如可以是包含了激光光谱信息的激光图像，也可以是经过对激光图像进行处理后生成的光谱数据。
34.所述多个根据本发明的实施例的地面装置130可分布在地球表面的一个或多个区域(例如一个或多个国家)，或整个地球表面，以便测量所述区域上空或全球大气中的碳值。每个地面装置130可以是固定的，也可以是移动的，例如安装在船上，从而可以用于测量水面(如海面)上的碳值。
35.现参照图2，其示出了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置130。
36.如图2中所示，根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置130包括：
37.至少一个云台131，其能够调整其上安装的设备的对空方向；
38.至少一个激光发射器132，其安装在云台上；
39.控制单元133，其被配置为：响应于一个卫星120即将过顶，指令所述至少一个云台131调整所述至少一个激光发射器132的对空方向，使所述至少一个激光发射器132指向该卫星120，并指令所述至少一个激光发射器发射激光。
40.所述至少一个云台131例如可以是包括工作平台、转向机构、电机(及其驱动器)和传动机构、支架等的装置。所述工作平台上用于放置诸如激光发射器等设备，并具有用于夹持或固定设备的固定机构。所述转向机构例如可以是二轴或三轴转向机构，从而可以调整工作平台及其上的设备的对空方向，使其可以面向空中的任何角度或方向。所述转向机构与所述传动机构机械连接，所述传动机构与所述电机的轴机械连接，从而使得所述转向机构可以在电机及传动机构的带动下转动，而面向任何方向。
41.所述至少一个激光发射器132可以具有适当的发射功率，以使得所述卫星能够接收该激光并能刚好对其清晰成像，从而能够从中获得足够的相关光谱信息。该发射功率可以根据本领域中的相关知识、经验以及通过试探法来确定和调整。所述至少一个激光发射器的发射光谱范围可以包括待测的二氧化碳等温室气体的吸收光谱范围。
42.所述控制单元133可以是任何具有数据处理和控制功能的设备，例如cpu、 mcu、单片机等，其具有相关联的存储器，存储器中存储有程序指令，所述控制单元133通过加载和执行存储器中的程序指令而执行其操作，完成其功能。所述控制单元133可通过总线等内部通信结构与所述至少一个激光发射器132、通信单元134、电机驱动器部件等通信。
43.在一些实施例中，所述地面装置130还包括：
44.通信单元134，其与地面控制和计算系统通信110连接，该地面控制和计算系统110与一个或多个卫星120通信连接；
45.该通信单元134被配置为：将该地面装置的位置信息通过所述地面控制和计算机系统110传送给所述一个或多个卫星120，以便所述一个或多个卫星120 在过顶该地面装置130时收集所述至少一个激光发射器132发射的激光的光谱数据。
46.在一些实施例中，所述通信单元134还被配置为：
47.接收来自所述地面控制和计算系统110的所述一个或多个卫星120的轨道信息，从而所述控制单元133能够根据所述一个或多个卫星的轨道信息判断是否有卫星即将过顶。
48.在其他一些实施例中，所述地面装置130可以从其他途径获得所述一个或多个卫星120的轨道信息，例如可以出厂预置有所述一个或多个卫星120的轨道信息，或者从用户输入或其他设备获得所述一个或多个卫星的轨道信息，这样，就不再需要从所述地面控制和计算系统110获得该信息。
49.在又一些实施例中，所述通信单元130还可以直接接收来自所述地面控制和计算系统关于一个卫星即将过顶的通知，从而可判断一个卫星即将过顶。
50.所述通信单元134可以包括有线通信单元和无线通信单元中的任何一个或两者，且可采用诸如以太网、tcp/ip、wifi、4g、5g等任何通信协议与地面控制和计算系统110。
51.根据所述一个或多个卫星的轨道信息，所述地面装置130可以实时监视是否有任何卫星120即将过顶，即是否有任何卫星120即将飞行到该地面装置130 上空附近，例如，是否有某个卫星将在1分钟之内飞行到某个地面装置130上空10度角以内的区域(即以地面装置为顶点、指向天空、角度为10度的圆锥区域)中。当判断有任何卫星120中即将过顶时，所述地面装置130可以指令所述至少一个云台131将所述至少一个激光发射器指向该卫星120并发射激光。这样，该卫星120可以接收该激光并对其成像，从而获得包含光谱信息的激光图像，然后，该卫星可以将诸如激光图像的光谱数据发送给所述地面控制和计算系统110。当所述地面控制和计算系统110接收到来自该卫星120的光谱数据后，就可以根据所述光谱
数据，计算对应于该卫星120的轨道高度和该地面装置130的位置的实时碳值，即该地面装置130的位置和该卫星的轨道高度之间的大气所含的实时碳浓度。如本领域技术人员所知的，当激光穿过大气时，大气中含有的不同气体分子会吸收不同波长的光子，完成能级跃迁，从而在激光图像中产生不同的吸收光谱。这样，通过生成和分析激光图像中的光谱及其强度，就可以判断大气中含有的不同气体成份及其浓度。
52.在一些实施例中，所述至少一个激光发射器132包括一个主激光发射器和一个从激光发射器，两者之间的距离大于卫星在地面的分辨率，主激光发射器的发射功率大于从激光发射器的发射功率，其发射光谱范围包括待测气体的光谱范围，从激光发射器的发射功率大于周边环境光的功率，其发射光谱范围包括周边可能含有的气体的光谱范围。
53.在一些进一步的实施例中，所述至少一个云台131包括第一云台和第二云台，其中，所述主激光发射器安装在第一云台上，从激光发射器安装在第二云台上。
54.在这些实施例中，所述主激光发射器和从激光发射器之间的距离可以大于卫星120在地面的分辨率，例如，如果卫星在地面上的分辨率为1米，则主激光发射器和从激光发射器的距离要大于1米，以便所述主激光发射器和从激光发射器发射的激光能够在卫星的多光谱相机上成像为两个分离的激光图像(例如光点)。在这些实施例中，如果所述主激光发射器和从激光发射器相距较远，例如大于1米，则可以分别安装在各自的云台上；如果所述主激光发射器和从激光发射器相距较近，例如1米以内，也可以安装在同一个云台上。
55.在这些实施例中，所述主激光发射器的发射功率通常远大于从激光发射器的发射功率，例如可以大1-2个数量级。所述主激光发射器发射的激光用于碳值测量，其发射功率例如可以为确保激光穿透大气、并刚好能在卫星上的多光谱相机中清晰成像，从而能够从中获得足够的相关光谱信息的功率；所述从激光发射器的发射功率可以大于周边环境光的功率，例如可以为刚好能够在卫星上的多光谱相机中成像的发射功率。所述主激光发射器的发射光谱范围可包括待测气体的光谱范围，例如可大于待测的二氧化碳等温室气体的光谱范围；所述从激光发射器的发射光谱范围可包括周边可能含有的气体的光谱范围，该光谱范围通常大于所述待测气体的光谱范围。这样，在卫星的多光谱相机的图像上会得到两个相邻的像素点，形成有效的信号和噪声对比，从而排除周边其他气体的影响。此外，还可以滤除环境光的影响。例如，在地面装置130处，假设周围环境光强度为0db，卫星图像接收主激光发射器发射的激光的强度是 100db，卫星图像接收从激光发射器发射的激光的强度是10db。当周围环境光强度为5db时，卫星图像接收主激光发射器发射的激光的强度是105db，卫星图像接收从激光发射器发射的激光的强度是15db。这样，通过将两个图像相减，尽管周围环境光是时变的，卫星图像接收每个激光发射器发射的激光的强度也是时变和不精准的，仍可以得到不变和精确的卫星图像。
56.在这些实施例中，当所述地面装置130判断一个卫星120即将过顶时，可以通过转动所述至少一个云台131将所述主激光发射器和从激光发射器分别指向该卫星120并分别发射激光，并使得该卫星120收集来自所述主激光发射器和从激光发射器的激光的光谱数据。
57.在这些实施例中，当所述地面控制和计算系统110接收到来自于该卫星120 的分别来自于所述主激光发射器和从激光发射器的光谱数据(例如多光谱图像) 后，所述碳值计算模块114可以从来自于所述主激光发射器的光谱数据减去来自于所述从激光发射器的
光谱数据，获得最终的光谱数据，并根据所述最终的光谱数据，计算对应于该卫星120的位置和所述地面装置130的位置的实时碳值。由于来自从激光发射器的光谱数据代表了地面装置130的周边其他气体的信号噪声，因此，从来自主激光发射器的光谱数据中减去该信号噪声所获得最终的光谱数据，是反映了待测温室气体的浓度的更精确的光谱数据。因此，据此计算出的碳值是更精确的碳值。例如，当所述地面装置130的位置附近突然发生某种气候的大面积泄露时，来自主激光发射器的光谱数据会受到影响，但来自从激光发射器的光谱数据同样会受到影响，这样，将两个光谱数据相减就可以消除这种影响，并且可以同时消除变化的环境光的影响，从而获得更精确的碳值数据。
58.在一些实施例中，所述地面装置130还包括一可选的碳值传感器135，其被配置为探测周边的碳值；
59.所述控制单元133还被配置为：响应于一个卫星即将过顶，指令所述碳值传感器135探测周边的碳值，并根据该碳值调整所述至少一个激光发射器132 的发射功率。
60.在这些实施例中，所述碳值传感器例如可以是任何一种类型的二氧化碳传感器。所述地面装置130可以根据所探测的周边碳值调整激光发射功率，以便在任何大气条件或气体泄露等突发事件下，激光发射器发射的激光都能被卫星 120上的多光谱相机适当地接收和成像。例如，当碳值传感器探测到周边碳值异常大时，地面装置130可以增大激光发射功率，以提高激光在大气中的穿透力。例如，在正常天气条件下，碳值传感器探测到周边碳值例如在10到100μg/m3之间，此时激光发射功率可以采用默认值,例如100db；而当碳值传感器探测到周边碳值大于例如100μg/m3时，可以将激光发射功率增大到例如110db。
61.在一些进一步的实施例中，所述地面装置130还通过通信单元134将所探测的碳值传送给所述地面控制和计算系统110，以便由所述地面控制和计算系统 110获得所述地面装置130到卫星轨道位置之间的三维空间的碳值分布。
62.在一些实施例中，所述控制单元133还被配置为：响应于判断所述卫星120 已经过顶，关闭所述至少一个激光发射器132。
63.在一些实施例中，所述地面装置130还包括：
64.至少一个天气因子传感器(未示出)，其被配置为探测至少一个天气因子；
65.所述控制单元133还被配置为：响应于一个卫星即将过顶，指令至少一个天气因子传感器探测至少一个天气因子，并将探测到的至少一个天气因子的值传送给所述地面控制和计算系统110。
66.所述至少一个天气因子例如可包括当地的温度、温度、风速、风向、海拔高度、地形(盆地、平原或高山等)、植被多少中的一个或多个。这些天气因子会影响到激光在大气中的传输，从而影响到所形成的光谱数据以及所计算的碳值。所述地面控制和计算系统110通过分析这些天气因子的测量值和所计算的碳值之间的关系，有可能确立这些天气因子和碳值之间的普适关系，从而有可能获得全球或一个区域的更细粒度的碳值分布。
67.在一些实施例中，所述控制单元133还被配置为：在所述至少一个激光发射器133发射激光后，将发射数据通过所述通信单元134传送给所述地面控制和计算系统110，所述发射数据包括激光发射时间、发射角度、对应卫星轨道、周边碳值、发射功率和发射激光光谱中的至少一个。这样，所述地面控制和计算系统110可以将这些信息项与所计算的相应碳值相关联，从而获得更完整的碳值分布数据集。
68.在一些实施例中，所述控制单元133还被配置为：响应于通过所述通信单元134从所述地面控制和计算系统110接收到来自所述卫星120的光谱数据，根据该光谱数据计算对应于所述地面装置的位置和卫星轨道高度的碳值。所述控制单元133可以根据所计算的碳值以及碳值传感器所探测的碳值，使用线性插值等方法，估算该地面装置130和卫星120的轨道位置之间的各位置的碳值分布数据，并可以将该碳值分布数据传送给所述地面控制和计算系统110或其他远程设备。
69.根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置130适合于在全球大规模地、全天候地部署，并且可以移动部署，适合于各种地形、地理条件、天气条件和应急场景(比如，局部地点某种气体大面积泄露影响测量值等)。
70.根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置130能够方便地用于实现卫星和地面结合测量碳值的技术方案。与现有的无发射源的卫星测量方案相比，该技术方案大幅提高了光功率和信号量，而且可以使激光的光谱范围更为集中，因此大幅提高了碳值测量的准确性和精度，测量精度通常可以提高至少一个数量级。在有些实施例中，通过使用主从激光器消除信号噪声，进一步提高了测量精度。同时，可以在卫星上使用能够感知激光的低成本的多光谱相机，与现有的使用昂贵的多光谱相比或其他复杂的测碳装置的卫星测量方案相比，大幅降低了相机和卫星的成本。此外，与现有的地面测量方案相比，该技术方案可以大幅提高碳测量的覆盖度，且不受具体地形等的限制，因此适合于在诸如一个国家、一个区域或全球的大区域部署和监测，从而能够为全球碳中和及碳达峰工程提供更有力的技术保障和支持。
71.以上参照附图描述了根据本发明的实施例的卫星和地面结合测量碳值的地面装置130，应指出的是，以上描述和图示仅为示例，而不是对本发明的限制。在本发明的其他实施例中，该卫星和地面结合测量碳值的地面装置130可具有更多、更少或不同的部件，且各部件之间的连接、包含和功能等关系可以与所描述和图示的不同。例如，该地面装置130还可包括供电单元、存储单元、定位单元、卫星通信单元等部件等。所有这些变化都处于本发明的精神和范围之内。
72.本说明书中涉及的各术语的含义一般为本领域中的通常含义，或者为本领域技术人员在阅读本说明书之后所正常理解的含义。在此使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并非对本发明进行限制。正如在此使用的那样，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在同时包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特性、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除其中存在或添加一个或多个其他特性、整数、步骤、操作、元件、组件和/或由此构成的组。本说明书中的用语“连接”、“相连”等类似术语通常包括机械连接、电连接、通信连接或其组合，且通常既可以包括直接连接，也包括经由其他部件的间接连通或连接。
73.出于说明和描述目的给出了对本发明的描述，但是所述描述并非旨在是穷举的或是将本发明限于所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的技术人员来说都将是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够针对具有各种修改的适合于所构想的特定使用的各种实施例理解本发明。因此，尽管根据实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将理解，本发明的实现可以具有修改并且处于所附权利要求的精神
和范围中。