一种基于成像光谱仪的船舶烟羽排放快速遥测系统

摘要

本发明公开了一种基于成像光谱仪的船舶烟羽排放快速遥测系统，包括紫外镜头，光纤束，成像光谱仪和计算机，紫外镜头用于汇集船舶烟羽散射光谱；光纤束用于将所述的紫外镜头汇集的散射光导入成像光谱仪中，并利用出射端替代狭缝；光纤束包括入射端和出射端，光纤束由50根光纤构成，在入射端呈长方形排列，出射端垂直排列；成像光谱仪用于将入射光色散，采集、获取光纤束不同入射光纤的光谱信息；计算机将光谱信息进行处理，反演污染气体浓度。本发明利用成像光谱仪技术且不需要转台，不需要扫描，即可完成对航行中船舶烟羽测量的系统。

说明书

技术领域

本发明涉及环境监测的技术领域，具体涉及一种基于成像光谱仪的船舶烟羽排放快速遥测系统。

背景技术

超光谱成像光谱仪通过测量紫外、可见散射光谱、并利用痕量气体在紫外、可见波段的“指纹”吸收、采用差分吸收光谱算法获取大气污染气体浓度。一般物体成像包含二维空间信息，而超光谱成像在包含空间信息的基础上同时记录了像元随波长变化而变化的辐射强度信息，像元具有三维的信息，即空间维，x，y与光谱维λ。

目前通常采用二种技术获取超光谱成像，因获取三维信息的时间序列不同而有所区别。基于线阵探测器的“摆扫”方式一次只能获取单个空间像元的信息，剩下的二维信息均需要扫描来获取，这种工作方式的时间分辨率较低；利用面阵探测器的“推扫”方式，一次可将一个空间方向成像，如图1所示的垂直方向，只需要对剩下的一维方向进行扫描(图中的水平方向)就可以完成超光谱成像测量，大大减少了总的测量时间。

如图1所示，超光谱成像测量原理：一次测量将垂直方向成像在面阵CCD探测器上进行色散，然后通过扫描完成水平方向信息的采集工作，最终实现物体的超光谱测量。该系统成功的应用于电厂烟羽等污染源测量中，如图2所示，图2为现成像光谱仪污染源测量示意图，测量中需要结合一维转台，完成对烟羽的扫描成像。因此如果把这套系统应用于船舶监测中，仅适用于码头停泊的船舶，无法适用与航行中的船舶。

发明内容

现有技术存在的主要问题为：需要一维转台，进行扫描测量，而且单次测量大约需要1s中，不好捕捉运动的中的船舶。本发明的目的是研发一种利用成像光谱仪技术且不需要转台，不需要扫描，即可完成对航行中船舶烟羽测量的系统。

本发明采用的技术方案为：一种基于成像光谱仪的船舶烟羽排放快速遥测系统，包括紫外镜头1，光纤束3，成像光谱仪5和计算机6，其中：

所述的紫外镜头1，用于汇集船舶烟羽散射光谱；

所述的光纤束3，用于将所述的紫外镜头1汇集的散射光导入成像光谱仪5中，并利用光纤束出射端4替代狭缝；所述的光纤束3包括光纤束入射端2和光纤束出射端4，光纤束3由50根100μm的光纤构成，在光纤束入射端2长方形排列，5行，10列，光纤间垂直及水平间距均为200μm；光纤束出射端4垂直排列，光纤间间距200μm；

所述的成像光谱仪5，用于将入射光色散，采集、获取所述的光纤束3不同入射光纤的光谱信息；

所述的计算机6，将光谱信息进行处理，反演污染气体浓度。

进一步地，成像光谱仪使用1k*1k像元的面阵探测器，像面尺寸13μm*13μm；出射端光纤束所占长度为10100μm，均匀照亮面阵探测器空间维的777个像元；成像光谱仪利用光纤束作为狭缝，宽度即为光纤直径100μm。

进一步地，入射端垂直光纤束尺寸为900um，对应300m处垂直距离定位50m；入射端水平光纤束尺寸为1900μm，根据与垂直的对应关系，对应300m距离水平距离为105m；设定系统应用于长江船舶监测，一般上行船舶速度为6m/s，离岸距离300m，根据南京长江大桥净空24m估算，系统垂直观测高度设为50m，完全满足应用需求；系统观测一次积分时间为1s，根据船航行速度，至少可获取17次观测数据，同时结合可见图像，鉴别多船出现在视场的情况，取单船在视场中最大测量值作为此船的观测数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明扩展了水平测试范围。充分利用成像光谱仪空间维，使不同的空间维测量不同水平位置的目标，改变了传统测量单个水平位置信息的情况，扩展了水平测量范围(如上面的系统，如果入射端与出射端光纤排列方式一样，那系统垂直观测范围为560m，水平观测范围仅为5.6m，无法保证一次测量覆盖航行中的船舶。

(2)本发明无需使用转台。传统测量方式需要使用转台测量。

(3)本发明可以保证移动目标在一定时间内都可以落在水平测量区间内，改变了传统需要移动平台转台设备完成一定区域水平测量的难题，适用移动目标的快速遥测。

附图说明

图1为超光谱成像测量原理示意图；

图2为现成像光谱仪污染源测量示意图；

图3为基于成像光谱仪的船舶烟羽排放快速遥测系统原理框图。

图中：1为紫外镜头；2为光纤束入射端；3为光纤束；4为光纤束出射端；5为成像光谱仪；6为计算机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明是一种利用成像光谱仪技术且不需要转台，不需要扫描，即可完成对航行中船舶烟羽测量的系统。如图3所示，本发明一种基于成像光谱仪的船舶烟羽排放快速遥测系统包括4个部分，紫外镜头1，作用为汇集散射光谱；光纤束3，作用为将汇集的散射光导入光谱仪中，并利用光纤束出射端4替代狭缝；成像光谱仪5，作用上将入射光色散，采集，获取不同入射光纤的光谱信息；计算机6，将光谱信息进行处理，反演污染气体浓度。

其主要发明为光纤束部分，包括光纤束入射端2和光纤束出射端4，光纤束由50根100μm的光纤构成，在光纤束入射端2长方形排列，5行，10列，光纤间垂直及水平间距均为200μm；光纤束出射端4垂直排列，光纤间间距200μm。

成像光谱仪使用1k*1k像元的面阵探测器，像面尺寸13μm*13μm；出射端光纤束所占长度为10100μm，均匀照亮面阵探测器空间维的777个像元；成像光谱仪利用光纤束作为狭缝，宽度即为光纤直径100um。

入射端垂直光纤束尺寸为900μm，对应300m处垂直距离定位50m；入射端水平光纤束尺寸为1900μm，根据与垂直的对应关系，对应300m距离水平距离为105m。设定系统应用于长江船舶监测，一般上行船舶速度为6m/s，离岸距离300m，根据南京长江大桥净空24m估算，系统垂直观测高度设为50m，完全满足应用需求。系统观测一次积分时间为1s，根据船航行速度，至少可获取17次观测数据，同时结合可见图像，鉴别多船出现在视场的情况，取单船在视场中最大测量值作为此船的观测数据。

本发明适用于岸基移动船舶排放污染气体(SO