一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及检测大气成分的系统和方法，尤其是一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法。
【背景技术】
[0002]日益严峻的大气污染使人们越来越重视对大气成分的检测，目前主要有两类检测技术，光学检测和非光学检测，其中非光学检测方法主要有:导电系数法，抽样气体通过导电液体引起导电系数的变化进行大气成分检测；化学电解法，抽样气体和溶液作用改变电解特性引起电压和电流的变化进行大气成分的检测；火焰亮度法，用光电计数器测量抽样气体燃烧的亮度进行大气成分的检测。但是上述非光学检测方法测量过程都非常复杂，对大气取样的要求高，如果取样错误就会造成检测错误，而且取样和分析过程分离，测量失去实时性，原位性，不能对所测气体随空间位置不同导致成分和含量的变化进行监控，无法获得各种气体成分的空间图像分布。光学检测方法主要有:偏振激光雷达散射法，利用散射气体对气溶胶粒子的形状和内部分子结构进行大气成分检测；光谱分析法，光强随波长的变化进行大气成分的检测；直观成像法，模拟人眼的分辨模式，即通过光强差或对光强和颜色的识别来进行大气成分检测，但是上述的光学检测方法中的偏振激光雷达散射法不能对大气中成分变化进行准确定位，而且这一方法涉及到使用特殊的波长激光系统和微弱的光学信号过滤探测系统，这类设备价格昂贵，标定和调制难度大，重复度和精度也比较差；光谱分析法只能得到大气成分的平均值，误差大；直观成像利用光强和颜色进行分析对大气中原子间键合和自旋电子极化，高频变化、原子分子排列方式等各项异性特征不敏感，用于成像的透过和发射光在传播过程中会发生散射，影响测量结果；即光谱分析法和直观成像法不能将大气中复杂多变的物质结构和形貌特征表述出来，尤其不能正确表达:
[0003](I)物质结构的不对称关系包括分子排列中的各项异性和分子中原子键合等极性特征；
[0004](2)物质发光和物质与光的作用，如通过透射、反射和散射等的偏振特征；
[0005](3)高频重复微纳结构如光学测量系统的光栅等、空气中重复出现的大致相同尺寸和形状的悬浮粒子等与光作用后产生的光的偏振特性改变；
[0006](4)上述高频重复结构和其内部结构原子排序产生的衍射、散射、折射空间图谱的方向性特征；
[0007](5)上述结构和其边界等对理想相干光波波面的改变等；
[0008]光学参数的另一类，即光波参数，如光波振动方式，即偏振态参数、光波波矢参数和光波波面形状特征参数等几大参数类别，这些参数在直观成像的结构表征中并没有被利用。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种非直观成像检测大气成分的光学系统和方法。
[0010]实现本发明目的的技术方案是:一种非直观成像检测大气成分的光学系统包括:
[0011]光源:发出作为检测光学系统的参考光和被测物的检测光；
[0012]收集镜头:对被测物的反射、散射和发光进行收集；
[0013]光波调制系统:用于对被测量光路的偏振态进行模式化自动调制；
[0014]成像镜头:用于即时成像，将到达光学系统的光线聚焦成像以便用CCD像素系统记录所得图像；
[0015]
[0016]CCD像素系统:配合光波调制系统采用动态模式化扫描方法记录每一个像素光场强度的变化。
[0017]作为本发明的优化方案，非直观成像检测大气成分的光学系统还包括计算机处理系统，计算机处理系统和(XD像素系统相连接，计算机处理系统对(XD像素系统记录的光场强度变化的数据进行拟合处理反算被测物的光波偏振参数图从而对被测物的成分进行分析，并提供操作界面。
[0018]作为本发明的优化方案，光源采用经过无污染大气散射后的自然光。
[0019]作为本发明的优化方案，光波调制系统使用滤光片来选择对被测物敏感的波长和波段。
[0020]作为本发明的优化方案，光波调制系统使用波片和偏振片来对偏振位相、相位和空间角进行步进扫描，对光场的偏振状态进行过滤，对光路偏振态产生响应并将响应提供给(XD像素系统。
[0021]作为本发明的优化方案，CCD像素系统采用单色CCD对光场强度进行偏振模式化测量，测量结果为单个像点，即以单个像素所在的位置所决定的点所得到的独立的光场强度变化。
[0022]一种非直观成像检测大气成分的光学方法，光源发出的光经过被测物和所述的光学系统时，被测物形貌、结构和成分将改变光线并形成偏振态，通过对光路中的偏振态进行模式化扫描检测，获取偏振态的状态参数，包括两垂直线偏振的相位差、两手向相反旋转偏振相位差、慢轴的偏振角、坐标轴向两线偏振的偏振度差、4 5度方向垂直偏振的偏振度差、两旋转偏振度差、线偏振双吸收、旋转偏振双吸收、总线性偏振度，偏振平均光强，总偏振光强，这些偏振态参数中的一个或几个的组合带有被测物或建筑物的物质结构、成分和形貌特征，通过所述光波调制系统光波偏振状态参数动态模式化检测，获取每一个像素点的偏振参数值，归位到像素坐标，得出空间参数变化图像，实现非直观偏振参数成像，进一步获取被测物结构、成分和形貌特征。
[0023]本发明具有积极的效果:
[0024]I)可以对被测物的物质结构和成分在空间变化实时成像，避免对气体成分的动态测量和取样误差；
[0025]2)对气溶胶粒子形貌、尺寸和内部分子对称关系与电子云自旋状态等有强耦合作用，因此，光波参数带有气体成分和气溶胶粒子成分信息；
[0026]3)通过采用动态模式化扫描方法，拟合和过滤其它物点的散射杂光，实现常用照相技术所难以达到的图像解析度，更高的图像解析度也等同于更高的大气成分分析精度；
[0027]4)本系统和方法可以采用过滤或分光的方法对波长进行选择，与激光雷达相同，通过测量偏振状态的改变来分析气体成分，因此具有光谱分析和激光雷达测量的双重功能，外加照相功能，是一项能体现多种测量仪器功能的方法和系统；
[0028]5)本系统所得图像不仅包括传统光强差和色调图像，还含有多个其它参数图，如去偏振、部分偏振加和、多种偏振相差(包括线性、圆、椭圆等)、多个空间特征角(包括快或慢轴线偏振与多个空间方向的夹角，圆与椭圆偏振的多个定义和倾斜角等)、多个线性和非线性偏振度、线性和圆偏振双吸收(二色性)，线或椭圆偏振旋转度等等图像，都可以独立地用来分析大气中气体分子成分和键合状态等，从而能进行空间多维和物理参数多维度分析，多维差分和互补分析，最终得到比其它方法精度和重复性高的图像以及成分分析结果。
[0029]6)该系统比非光学检测技术和光学中的激光和光谱方法简便，不需要特殊光源和化学装置，造价比较便宜；
[0030]7)该系统结构紧凑，与一般照相机相当，测量过程简便易实施；
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