CN109342350A - 一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，主要包括红外辐射接收望远镜、傅里叶变换红外光谱仪、彩色变焦相机、重型变速云台和便携式计算机等。本发明基于傅里叶变换红外光谱被动测量技术，通过云台的二维扫描，利用背景与目标气体的等效辐射温差，测量目标气体的红外吸收信号，结合定量分析方法，最终得到目标区域内污染气体柱浓度二维分布。本发明***能够实现污染气体二维浓度分布在线测量，可用于突发大气污染事故如泄漏、燃烧、***等情况下的应急监测，为突发大气污染事故监测提供了一种现场遥测设备。
Description
技术领域
本发明属于大气环境监测技术及光谱测量技术领域，具体涉及一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***。
背景技术
近年来，我国经济快速发展，各类生产、生活活动引起的突发大气污染事故也急剧上升。突发大气污染事故具有发生突然、短时间内排放大量有毒有害污染物、排放量与规律动态变化等特点，污染种类和程度难以控制，对人类健康、生态环境和经济发展构成巨大威胁。研发高效、准确的应急监测技术与设备，对于防范突发大气污染事故，在事前预防、事中监测到事后恢复的各个过程中均起着重要的作用，对于提高突发大气污染事故应急的科学性与实效性，降低人体健康的危害具有重要意义。
目前，对于突发大气污染事故现场气体监测一般采用应急监测车现场监测的方式，应急车配置快速检测管、检测箱、质谱、色谱/质谱、气体传感器等多种大气痕量气体检测技术，具备实时采集户外大气或排放物的能力，提供应急救援时所需的空气质量监测。常规气体传感器使用寿命短，测量成分有限，精度较低；气相色谱方法具有选择性好、精度高等特点，但是需要对样品进行低温浓缩富集、加热解析，再配以适当检测器进行检测，测量周期较长，不适合现场在线测量。因此，开发具有测量速度快、测量精度高、操作使用简单的多组分气体在线测量设备，对于提高我国突发大气污染事故应急监测技术具有重要意义。
伴随着计算机技术的迅速发展，傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术是近年来飞速发展起来的一种综合性探测技术。FTIR光谱技术具有分辨率高、灵敏度高、响应速度快、测量波段宽、无需样品采集、可远距离遥测等优点，被广泛应用于环境、农业、石油、食品、生物化工、制药及医学等领域。FTIR光谱技术包括主动和被动两种测量方式，其中，被动测量无需人工红外光源，因而具有机动、快速和易操作等特点，并且测量范围更大，特别适用于突发性大气污染事故被动遥测。
发明内容
本发明的目的是针对现有突发性大气污染事故现场监测技术的不足，提供了一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，可以实现检测人员方便快捷的携带设备进入到突发大气事故现场或者附近，对被测目标区域的气体进行远距离快速准确的定性和定量检测，获得目标气体柱浓度二维分布情况，为突发性大气污染事故的现场大气环境监测提供可靠监测设备，为突发大气污染事故应急决策与处置提供有效数据支撑。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：包括红外辐射接收望远镜（1）、傅里叶变换红外光谱仪（2）、彩色变焦相机（3）、重型变速云台（4）、便携式计算机（5）和抛物镜（9）；所述红外辐射接收望远镜（1）、傅里叶变换红外光谱仪（2）分别位于抛物镜（9）的入射和反射光路上，所述傅里叶变换红外光谱仪（2）、彩色变焦相机（3）的信号输出端与便携式计算机（5）连接，便携式计算机（5）与重型变速云台（4）控制连接；所述傅里叶变换红外光谱仪（2）包括分束片（10）、补偿片（11）、定镜（12）、动镜（13）、反射镜（14）和红外探测器（15），所述补偿片（11）安装在分束片（10）的背面，定镜（12）、动镜（13）分别设置在分束片（10）的反射和透射光路上，反射镜（14）设置在定镜（12）的反射光路上，红外探测器（15）设置在反射镜（14）的反射光路上，通过动镜（13）的往返运动产生光程差，实现红外辐射的干涉信号调制，红外探测器（15）用于接收红外干涉信号；所述红外辐射接收望远镜（1）用于***接收红外辐射信号，汇聚后经抛物镜（9）反射导入傅里叶变换红外光谱仪（2），完成红外光谱测量，彩色变焦相机（3）用于拍摄目标测量区域可见图像，重型变速云台（4）实现整个***的二维旋转扫描，便携式计算机（5）完成红外光谱数据处理、可见图像的采集保存以及云台的扫描控制。
本发明进一步的改进在于：红外辐射接收望远镜（1）采用卡塞格林式结构设计，包括一块次球面反射镜（6）、两块主球面反射镜（7）和（8），目标测量区域的红外辐射经主球面反射镜（7）和（8）反射到次球面反射镜（6）汇聚到望远镜后端。
本发明进一步的改进在于：红外探测器（15）采用液氮制冷的MCT（碲镉汞）光电导检测器，傅里叶变换红外光谱仪（2）分辨率至少为4cm-1。
本发明进一步的改进在于：傅里叶变换红外光谱仪（2）、抛物镜（9）置于接收端外壳（16）中，接收端外壳（16）与红外辐射接收望远镜（1）固定连接，接收端外壳（16）置于重型变速云台（4）上。
本发明进一步的改进在于：彩色变焦相机（3）安装于接收端外壳（16）上，其安装位置中心点的水平高度与红外辐射接收望远镜（1）中心点的水平高度相同；彩色变焦相机（3）拍摄的目标测量区域可见图像作为气体浓度二维分布的背景。
本发明进一步的改进在于：重型变速云台（4）可实现水平和垂直两个方向旋转扫描，水平运动范围0～360°，垂直运动范围-45°～+45°，整个***除便携式计算机（5）外均置于云台之上，通过云台的旋转扫描，实现目标区域内红外辐射信号二维测量。
本发明进一步的改进在于：所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述便携式计算机（5）与傅里叶变换红外光谱仪（2）、彩色变焦相机（3）均通过网线连接，与重型变速云台（4）通过串口通讯，便携式计算机（5）包含***的测控软件，实现***的旋转扫描、可见图像采集、光谱采集、气体浓度反演，浓度分布与可见图像融合。
本发明的优点是：
本发明提供了一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，可实现突发性大气污染事故污染气体柱浓度二维分布实时测量，可用于突发大气事故现场应急监测，为突发大气污染事故应急监测提供了一种可靠设备。
附图说明
图1为一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***的结构示意图。
图中标号：1.红外辐射接收望远镜，2.傅里叶变换红外光谱仪，3.彩色变焦相机，4.重型变速云台，5.便携式计算机，6.次球面反射镜，7.主球面反射镜，8.主球面反射镜，9.抛物镜，10.分束片，11.补偿片，12.定镜，13.动镜，14.反射镜，15.红外探测器，16.接收端外壳。
具体实施方式
下面结合附图对发明的实施方式进行详细描述。
如图1所示，一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，主要由红外辐射接收望远镜1、傅里叶变换红外光谱仪2、彩色变焦相机3、重型变速云台4和便携式计算机5组成；其中，红外辐射接收望远镜1用于***接收红外辐射信号，汇聚后经抛物镜9反射导入傅里叶变换红外光谱仪2，完成红外光谱测量，彩色变焦相机3用于拍摄目标测量区域可见图像，重型变速云台4实现整个***的二维旋转扫描，便携式计算机5完成红外光谱数据处理、可见图像的采集保存以及云台的扫描控制。
***除便携式计算机5外均安装于重型变速云台4上，云台可实现水平范围0～360°和垂直范围-45°～+45°的二维旋转扫描。
选取一定距离的目标区域作为测量对象，通过彩色变焦相机3拍摄可见图像，在可见图像中设定红外扫描区域，***测控软件根据可见视场与红外视场的大小关系设定二维扫描阵列，设定完成后，进行设定区域内的二维扫描，单个点的测量过程包括了云台定位、干涉信号调制及探测、数据处理、气体柱浓度反演等过程，具体如下文。
红外辐射信号接收并汇聚。目标测量区域的红外辐射进入接收望远镜1，经两块主球面反射镜7和8反射后到达次球面反射镜6，经次球面反射镜6反射后汇聚到望远镜后端，然后经抛物镜9反射后，导入傅里叶变换红外光谱仪2。
红外干涉信号调制及探测。傅里叶变换红外光谱仪2包括了分束片10、补偿片11、定镜12、动镜13、反射镜14和红外探测器15；所述补偿片11安装在分束片10的背面，定镜12、动镜13分别设置在分束片10的反射和透射光路上，反射镜14设置在定镜12的反射光路上，红外探测器15设置在反射镜14的反射光路上；通过动镜13的往返运动产生光程差，实现红外辐射的干涉信号调制，红外探测器15用于接收红外干涉信号，红外探测器15采用液氮制冷的MCT（碲镉汞）光电导检测器。
红外光谱复原及数据处理。探测到的红外干涉信号经放大滤波后送入便携式计算机5采集及数据处理，数据处理通过***的测控软件完成，首先进行光谱复原，具体包括干涉图切趾、相位修正和傅里叶变换（FFT），完成光谱复原后，再进行气体柱浓度反演，通过包含了目标气体吸收或者辐射特性的特征光谱信息，结合红外标准光谱数据库和非线性最小二乘拟合算法，反演得到目标气体柱浓度信息。
得到单个测量点的污染气体柱浓度信息后，通过重型变速云台4的二维扫描，获取目标区域污染气体柱浓度二维分布，最后将气体柱浓度二维分布图叠加到彩色变焦相机3拍摄的可见图像之上，得到柱浓度分布伪彩色图与可见光背景融合图，进行可视化呈现。
以上内容是对本发明实施方式所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：包括红外辐射接收望远镜（1）、傅里叶变换红外光谱仪（2）、彩色变焦相机（3）、重型变速云台（4）、便携式计算机（5）和抛物镜（9）；所述红外辐射接收望远镜（1）、傅里叶变换红外光谱仪（2）分别位于抛物镜（9）的入射和反射光路上，所述傅里叶变换红外光谱仪（2）、彩色变焦相机（3）的信号输出端与便携式计算机（5）连接，便携式计算机（5）与重型变速云台（4）控制连接；所述傅里叶变换红外光谱仪（2）包括分束片（10）、补偿片（11）、定镜（12）、动镜（13）、反射镜（14）和红外探测器（15），所述补偿片（11）安装在分束片（10）的背面，定镜（12）、动镜（13）分别设置在分束片（10）的反射和透射光路上，反射镜（14）设置在定镜（12）的反射光路上，红外探测器（15）设置在反射镜（14）的反射光路上，通过动镜（13）的往返运动产生光程差，实现红外辐射的干涉信号调制，红外探测器（15）用于接收红外干涉信号；所述红外辐射接收望远镜（1）用于***接收红外辐射信号，汇聚后经抛物镜（9）反射导入傅里叶变换红外光谱仪（2），完成红外光谱测量，彩色变焦相机（3）用于拍摄目标测量区域可见图像，重型变速云台（4）实现整个***的二维旋转扫描，便携式计算机（5）完成红外光谱数据处理、可见图像的采集保存以及云台的扫描控制。
2.根据权利要求1所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述红外辐射接收望远镜（1）采用卡塞格林式结构设计，包括一块次球面反射镜（6）、两块主球面反射镜（7）和（8），目标测量区域的红外辐射经主球面反射镜（7）和（8）反射到次球面反射镜（6）汇聚到望远镜后端。
3.根据权利要求1所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述红外探测器（15）采用液氮制冷的MCT光电导检测器，傅里叶变换红外光谱仪（2）分辨率至少为4cm-1。
4.根据权利要求1所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述傅里叶变换红外光谱仪（2）、抛物镜（9）置于接收端外壳（16）中，接收端外壳（16）与红外辐射接收望远镜（1）固定连接，接收端外壳（16）置于重型变速云台（4）上。
5.根据权利要求4所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述彩色变焦相机（3）安装于接收端外壳（16）上，其安装位置中心点的水平高度与红外辐射接收望远镜（1）中心点的水平高度相同；彩色变焦相机（3）拍摄的目标测量区域可见图像作为气体浓度二维分布的背景。
6.根据权利要求1所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述重型变速云台（4）可实现水平和垂直两个方向旋转扫描，水平运动范围0～360°，垂直运动范围-45°～+45°，整个***除便携式计算机（5）外均置于云台之上，通过云台的旋转扫描，实现目标区域内红外辐射信号二维测量。
7.根据权利要求1所述的一种污染物分布红外光谱扫描成像遥测***，其特征在于：所述便携式计算机（5）与傅里叶变换红外光谱仪（2）、彩色变焦相机（3）均通过网线连接，与重型变速云台（4）通过串口通讯，便携式计算机（5）包含***的测控软件，实现***的旋转扫描、可见图像采集、光谱采集、气体浓度反演，浓度分布与可见图像融合。
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