專利名稱：一種大氣二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣二氧化碳濃度的探測技術(shù)，具體指一種基于可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率干涉儀的大氣二氧化碳濃度探測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可搭載于衛(wèi)星上進行大范圍的大氣二氧化碳濃度探測，包括全球大氣二氧化碳濃度分布情況，也可搭載于航空飛行器上進行局部大氣二氧化碳分布情況，包括森林火災(zāi)引起的二氧化碳釋放量、石化燃料消耗量大的工廠二氧化碳排放情況，還可以用于固定監(jiān)測某一地區(qū)大氣二氧化碳濃度變化情況。
背景技術(shù)：
二氧化碳是大氣中最主要的人造溫室氣體，被普遍認為是引起全球變暖的主要因、素。目前，人類對二氧化碳源與匯在地球上的分布情況還不清楚，隨著大氣中二氧化碳濃度逐年增加，為了能夠準確地預(yù)測未來大氣中二氧化碳濃度對全球氣候變暖的影響程度，研究大氣二氧化碳濃度探測技術(shù)是十分必要的。探測大氣二氧化碳的方法有主動式與被動式兩種。主動式探測采用的是差分吸收雷達探測技術(shù)、差分激光吸收光譜技術(shù)，例如美國和歐洲提出的科學項目ASCEND和A-SCOPE 二氧化碳探測衛(wèi)星采用的就是主動式探測技術(shù)。被動式探測主要通過探測物體反射的二氧化碳吸收光譜，例如美國的衛(wèi)星OCO利用光柵技術(shù)探測大氣二氧化碳，日本的衛(wèi)星GOSAT使用帶動鏡的干涉儀探測大氣二氧化碳。主動式探測需要儀器本身能夠為雷達或者激光器提供足夠強大的能量，增加了衛(wèi)星或者航空飛行器的負擔，同時必須保證激光器頻率的穩(wěn)定性。光柵技術(shù)和帶動鏡的干涉技術(shù)都能夠獲得較高的光譜分辨率和信噪比，但光柵技術(shù)的探測光譜范圍容易受到限制，帶動鏡的干涉儀由于有運動部件，其穩(wěn)定性較難控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大氣二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，為分析大氣二氧化碳濃度分布情況提供精確數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于研究大氣二氧化碳濃度對氣候變化的影響。解決了帶動鏡的干涉儀在探測器大氣二氧化碳濃度時，穩(wěn)定性難以控制的技術(shù)問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明采用可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀同時探測I. 58微米二氧化碳吸收光譜與I. 27微米氧氣吸收光譜和光譜反演的方案實現(xiàn)大氣二氧化碳濃度探測，構(gòu)建系統(tǒng)如圖I所示。整個系統(tǒng)包括望遠鏡I、光闌2、準直光學系統(tǒng)3、平面反射鏡4、可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5、信號處理電路6和系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7。外界光線透過望遠鏡I，經(jīng)過光闌2和準直光學系統(tǒng)3，平面反射鏡4平行入射至可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5。本系統(tǒng)中的各部件的技術(shù)要求以及實現(xiàn)的功能望遠鏡I的F數(shù)為I. 8，焦距為200毫米。光闌2固定在望遠鏡I的焦點位置，孔徑為2毫米。準直光學系統(tǒng)3將入射光平行化后照射至平面反射鏡4，平行進入可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5。所述的可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5包含偏振濾光片5-1、可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2、分光器5-3、二氧化碳窄帶濾波片5-4、二氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)5-5、二氧化碳吸收光譜傳感器5-6、平面反射鏡5-10、氧氣窄帶濾波片5-9、氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)5-8、氧氣吸收光譜傳感器5-7?？呻妷赫{(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5中的偏振濾光片5-1允許P偏振方向的光透過；可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2厚度為
0.37毫米，口徑為50毫米，光線在可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2中來回反射產(chǎn)生干 涉現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)加載在標準具上的電壓值，改變標準具襯底的折射率來改變光線在標準具中的光程差；分光器5-3以45°傾角放置，允許I. 58微米二氧化碳吸收譜線相干光透過進入二氧化碳吸收光譜通道，反射I. 27微米氧氣吸收譜線相干光至氧氣吸收光譜通道；二氧化碳窄帶濾波片5-4的通帶范圍為I. 568微米 I. 584微米，氧氣窄帶濾波片5_9的光譜通帶范圍為I. 264微米 I. 28微米；二氧化碳吸收光譜傳感器5-6為單元的銦鎵砷探測器(InGaAs)，像元大小為100微米X 100微米；氧氣吸收光譜傳感器5_7為單元鍺探測器(Ge)，像元大小為100微米X 100微米。信號處理單元6能夠量化兩路輸入信號，量化位數(shù)為14位，并且?guī)в蠨SP數(shù)字信號處理器，對量化后的信號進行傅里葉反變換分別得到二氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光P曰。系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7實現(xiàn)對可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5中的可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2控制，通過改變加在其上的電壓調(diào)節(jié)可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2的襯底折射率，獲取可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5的二氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光譜數(shù)據(jù)，通過FULL PHYSICS (FP)算法反演出大氣二氧化碳濃度值。系統(tǒng)工作流程外界反射的光線通過望遠鏡I、光闌2，進入準直光學系統(tǒng)3將入射光平行化后，由平面反射鏡4照射至可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5?？呻妷赫{(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5中的偏振濾光片5-1只允許P偏振方向的光透過照射到可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2上。光線進入可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，輸出二氧化碳吸收譜線的相干光和氧氣吸收譜線的相干光?？呻妷赫{(diào)諧襯底折射率的標準具5-2是襯底折射率可調(diào)的，即通過改變電壓調(diào)節(jié)可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2的襯底折射率來改變光程差，獲得待測波長I. 58微米二氧化碳吸收譜線的相干光和I. 27微米氧氣吸收譜線的相干光。透過的吸收譜線的相干光照射至分光器5-3上，分成兩條光路，透過的是二氧化碳吸收譜線，反射出來的是氧氣吸收譜線。二氧化碳吸收譜線穿過二氧化碳窄帶濾波片5-4，經(jīng)由二氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)5-5照射到二氧化碳吸收光譜傳感器5-6上；氧氣吸收譜線經(jīng)過一個平面反射鏡5-10、氧氣窄帶濾波片5-9、氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)5-8照射到氧氣吸收光譜傳感器5-7上。二氧化碳吸收光譜傳感器5-6和氧氣吸收光譜傳感器5-7完成光電轉(zhuǎn)換輸出電信號至信號處理單元6。信號處理單元6主要完成模擬信號數(shù)字化，量化為14位數(shù)字信號，進入DSP數(shù)字信號處理器進行傅里葉反變換分別得到二氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光譜。兩組吸收光譜數(shù)據(jù)被傳輸?shù)较到y(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7進行光譜反演處理，最后輸出大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。偏振濾光片5-1濾掉入射光線S方向的偏振光，只允許P方向的偏振光進入可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2，降低光學路徑上其他氣體分子對入射光線的影響，從而可提高探測大氣二氧化碳濃度的精度。本發(fā)明提供一種大氣二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，采用可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀同時探測I. 58微米二氧化碳吸收光譜與I. 27微米氧氣吸收光譜的方案。其中，
I.58微米是二氧化碳的弱吸收光譜帶，具有較強的能量，且這個譜帶的光譜吸收量與大氣中二氧化碳分子濃度呈線性關(guān)系，是理想的二氧化碳監(jiān)測譜帶；同時探測I. 27微米的氧氣吸收譜線，是為了獲得光學路徑上的光學環(huán)境，因為氧氣在大氣中是均勻分布的，使用該氧氣吸收譜線作為參考能夠有效地剔除大氣中其他氣體分子的影響，從而獲得更高的二氧化碳濃度探測精度。本發(fā)明具有高光譜分辨率、高探測靈敏度、高信噪比、無運動部件的優(yōu)點，并且其結(jié)構(gòu)緊湊，具有可靈活調(diào)節(jié)探測光譜的特點，特別適合于大氣二氧化碳濃度探測。


圖I為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中I-望遠鏡；2-光闌；3-準直光學系統(tǒng)；4-平面反射鏡；5-可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀；5-1-偏振濾光片；5-2-可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具；5-3-分光器；5-4- 二氧化碳窄帶濾波片；5-5- 二氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)；5-6- 二氧化碳吸收光譜傳感器；5-7-平面反射鏡；5-8-氧氣窄帶濾波片；5-9-氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)；5-10-氧氣吸收光譜傳感器；6-信號處理單元；7-系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元。
具體實施例方式參見圖I所示，本發(fā)明是一種監(jiān)測大氣二氧化碳濃度的系統(tǒng)，本系統(tǒng)實現(xiàn)的是一種適合搭載于衛(wèi)星或者航空飛行器上的進行大范圍大氣二氧化碳濃度探測的光譜儀。整個系統(tǒng)包括望遠鏡I、光闌2、準直光學系統(tǒng)3、平面反射鏡4、可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5、信號處理電路6和系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7。外界光線透過望遠鏡1，經(jīng)過光闌2、準直光學系統(tǒng)3平行入射至平面反射鏡4，照射到可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5，完成光電轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過信號處理單元6和系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7輸出大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。其中，可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5包含偏振濾光片5-1、可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2、分光器5-3、二氧化碳窄帶濾波片5-4、二氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)5-5、二氧化碳吸收光譜傳感器5-6、平面反射鏡5-10、氧氣窄帶濾波片5-9、氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)5-8、氧氣吸收光譜傳感器5-7。在本系統(tǒng)中，望遠鏡I的F數(shù)為I. 8，焦距為200毫米。光闌2固定在望遠鏡I的焦點位置，孔徑為2毫米。準直光學系統(tǒng)3將入射光平行化后照射至可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5?？呻妷赫{(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5中的偏振濾光片5-1允許P偏振方向的光透過；可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2厚度為0. 37毫米，口徑為50毫米，光線在可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2中產(chǎn)生相干現(xiàn)象；分光器5-3允許I. 58微米二氧化碳吸收譜線相干光透過進入二氧化碳吸收光譜通道，反射I. 27微米氧氣吸收譜線相干光進入氧氣吸收光譜通道；二氧化碳窄帶濾波片5-4的透過范圍為I. 568微米 I. 584微米，氧氣窄帶濾波片5-9的光譜透過范圍為I. 264微米 I. 28微米；二氧化碳吸收光譜傳感器5-6為單元的銦鎵砷探測器(InGaAs)，像元大小為100微米X 100微米；氧氣吸收光譜傳感器5-7為單元鍺探測器(Ge)，像元大小為100微米X 100微米。信號處理單元6能夠 量化兩路輸入信號，量化位數(shù)為14位，并且?guī)в蠨SP數(shù)字信號處理器，對量化后的數(shù)字信號進行傅里葉反變換分別得到二氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光譜。系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7實現(xiàn)對可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5中的可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2控制，通過改變加在其上的電壓調(diào)節(jié)可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2的襯底折射率，并且能夠利用二氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光譜進行光譜反演，最后輸出大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。參見圖I，外界反射的光線通過望遠鏡I、光闌2，進入準直光學系統(tǒng)3，將入射光平行化后經(jīng)由平面反射鏡4照射至可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5?？呻妷赫{(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀5中的偏振濾光片5-1只允許P偏振方向的光透過照射到可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2上。光線進入可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2后，在內(nèi)部來回反射，產(chǎn)生相干現(xiàn)象?？呻妷赫{(diào)諧襯底折射率的標準具5-2是襯底折射率可調(diào)的，即通過改變電壓調(diào)節(jié)可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具5-2的襯底折射率，獲得待測波長I. 58微米二氧化碳吸收譜線的相干光和I. 27微米氧氣吸收譜線的相干光?？呻妷赫{(diào)諧襯底折射率的標準具5-2出射的譜線照射至分光器5-3上，分成兩條光路，透過的是二氧化碳吸收譜線，反射出來的是氧氣吸收譜線。二氧化碳吸收譜線穿過二氧化碳窄帶濾波片5-4，經(jīng)由二氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)5-5照射到二氧化碳吸收光譜傳感器5-6上；氧氣吸收譜線進過一個平面反射鏡5-10，氧氣窄帶濾波片5-9經(jīng)過氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)5-8照射到氧氣吸收光譜傳感器5-7上。為保證獲得精確大氣二氧化碳濃度所要求的信噪比，二氧化碳吸收光譜傳感器和氧氣吸收光譜傳感器的積分時間可設(shè)定為I秒。二氧化碳吸收光譜傳感器5-6和氧氣吸收光譜傳感器5-7完成光電轉(zhuǎn)換輸出電信號至信號處理單兀6。信號處理單元6主要完成模擬信號數(shù)字化，量化為14位數(shù)字信號，進入DSP數(shù)字信號處理器進行傅里葉反變換分別得到二氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光譜。兩組吸收光譜數(shù)據(jù)被傳輸?shù)较到y(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元7進行光譜反演處理，最后輸出大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，它包括望遠鏡(I)、光闌(2)、準直光學系統(tǒng)(3)、平面反射鏡(4)、可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀(5)、信號處理電路(6)和系統(tǒng)控制及ニ氧化碳濃度反演單元(7)，其特征在于 所述的監(jiān)測系統(tǒng)采用了可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀(5)，該干涉儀由偏振濾光片(5-1)、可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具(5-2)、分光器(5-3)、ニ氧化碳窄帶濾波片(5-4)、ニ氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)(5-5)、ニ氧化碳吸收光譜傳感器(5-6)、平面反射鏡(5-10)、氧氣窄帶濾波片(5-9)、氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)(5-8)、氧氣吸收光譜傳感器(5-7)構(gòu)成；外界反射的光線通過望遠鏡(I)、光闌(2)，進入準直光學系統(tǒng)(3)將入射光平行化后，由平面反射鏡(4)照射至可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀(5);進入干涉儀的光線經(jīng)偏振濾光片(5-1)轉(zhuǎn)換成P偏振方向的光后透過照射到可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具(5-2)上，光線進入可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具(5-2)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，輸出ニ氧化碳吸收譜線的相干光和氧氣吸收譜線的相干光，通過改變電壓調(diào)節(jié)可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具(5-2)的襯底折射率來改變光程差，獲得待測波長I. 58微米ニ氧化碳吸收譜線的相干光和I. 27微米氧氣吸收譜線的相干光；相干光照射至分光器(5-3)上，分成兩條光路，透 過的是ニ氧化碳吸收譜線，反射出來的是氧氣吸收譜線，ニ氧化碳吸收譜線穿過ニ氧化碳窄帶濾波片(5-4)，經(jīng)由ニ氧化碳通道匯聚光學系統(tǒng)(5-5)聚焦到ニ氧化碳吸收光譜傳感器(5-6)上；氧氣吸收譜線經(jīng)過ー個平面反射鏡(5-10)、氧氣窄帶濾波片(5-9)、氧氣通道匯聚光學系統(tǒng)(5-8)聚焦到氧氣吸收光譜傳感器(5-7)上，ニ氧化碳吸收光譜傳感器(5-6)和氧氣吸收光譜傳感器(5-7 )將光信號數(shù)據(jù)送至信號處理單元(6 )，信號處理單元(6 )將光信號數(shù)據(jù)量化為14位數(shù)字信號，進入DSP數(shù)字信號處理器進行傅里葉反變換分別得到ニ氧化碳吸收光譜和氧氣吸收光譜；兩組吸收光譜數(shù)據(jù)被傳輸?shù)较到y(tǒng)控制及ニ氧化碳濃度反演単元(7)進行光譜反演處理，最后輸出大氣ニ氧化碳濃度數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的望遠鏡(I)的F數(shù)為I. 8,焦距為200毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的光闌(2)固定在望遠鏡I的焦點位置，孔徑為2毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的可電壓調(diào)諧襯底折射率的標準具(5-2)厚度為O. 37毫米，口徑為50毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的ニ氧化碳窄帶濾波片(5-4)的通帶范圍為I. 568微米 I. 584微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的氧氣窄帶濾波片(5-9)的光譜通帶范圍為I. 264微米 I. 28微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的ニ氧化碳吸收光譜傳感器(5-6)為單元的銦鎵砷探測器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的氧氣吸收光譜傳感器(5-7)為單元鍺探測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的分光器(5-3)以45°傾角放置，允許I. 58微米ニ氧化碳吸收譜線相干光透過進入ニ氧化碳吸收光譜通道，反射I. 27微米氧氣吸收譜線相干光至氧氣吸收光譜通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大氣ニ氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的偏振濾光片(5-1)允許P偏振方向的光透過。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大氣二氧化碳濃度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)將望遠鏡、準直光學系統(tǒng)、可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀、信號處理單元和系統(tǒng)控制及二氧化碳濃度反演單元相結(jié)合，利用可電壓調(diào)諧標準具襯底折射率的干涉儀同時探測波長為1.58微米二氧化碳吸收譜線的相干光和1.27微米氧氣吸收譜線的相干光，由信號處理單元進行傅里葉反變換還原出二氧化碳吸收譜線和氧氣吸收譜線，最后通過反演算法獲得高精度地大氣二氧化碳濃度情況。本發(fā)明可搭載于衛(wèi)星或者航空飛行器上探測大氣二氧化碳濃度分布情況，具有高精度和高可靠性的特點。
文檔編號G01N21/41GK102735631SQ201210211010
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者丁雷, 侯義合, 劉加慶, 彭衛(wèi), 王向華, 譚嬋 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所