[发明专利]一种温室气体遥感探测方法及其装置

说明书

技术领域

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

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(CO₂)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CO₂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CO₂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CO₂和CH₄监测卫星的研制。

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GOSAT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OCO卫星整体长2.12m，宽0.94m，重441kg，空间采样/幅宽为1.29km×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

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。

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）。

 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。

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0.758～0.772μm，弱二氧化碳吸收波段1.5742～1.6178μm，甲烷吸收波段1.6369～1.6821μm，强二氧化碳吸收波段2.043～2.085μm。

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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：