本发明属于光学遥感，具体涉及一种对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统。
背景技术：
1、世界环境中存在的如no2、so2、hcho、vocs及o3等多种大气痕量组成作为污染组分正在不同程度地危害着人民的身体健康。其中，挥发性有机化合物(vocs)是造成大气污染的重要源头，会参与光化学反应，产生o3等大气污染物，并导致光化学烟雾和雾霾等问题。高浓度vocs不仅危害环境空气质量，一些voc物种还有毒、致癌、有刺激性气味，会对周边地区人民的健康和生活质量产生严重的负面影响。
2、传统监测污染气体的手段多数是通过原位质谱仪测量得到的，这种方法拥有极高的精度，但缺点也十分明显：设备昂贵、时间分辨率低且时效性差、难以获取污染气体的大范围分布情况、耗费大量人力物力资源。一维成像光谱作为一种遥感技术，已经被应用到了污染气体的监测中，但依然存在时空分辨率不足的问题，难以捕捉到排放源并且难以实时反应排放源的动态特征，还存在观测视场与场景难以对应的问题。
3、二维成像光谱在相同空间分辨率下，拥有百倍于一维成像光谱的时间分辨率，能够在数分钟内得出成像结果，能够捕捉到排放源微小的变化，有益于动态排放清单的建立。二维成像光谱技术已经成功应用于no2、so2及hcho等常见组分的反演，例如吴子扬在《中国科学技术大学》发表的基于成像光谱技术的污染气体二维分布遥测研究。文献(vocshyperspectral imaging:a new insight into evaluate emissions and thecorresponding health risk fromindustries)公开了通过一维成像光谱观测工厂vocs组分。到目前为止，没有二维成像光谱技术应用于vocs组分监测，主要因为相对于一维成像光谱，二维成像光谱技术监测vocs所面临的挑战更为艰巨，不仅要考虑吸收截面的精度、各种组分的交叉干扰，还要消除面阵ccd的条带效应、保证足够的信号强度以及考虑适当的图像处理方法等。
技术实现思路
1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，以实现对包含vocs组分等痕量气体的大范围高分辨动态监测。
2、为实现上述发明目的，实施例提供的一种对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，包括：承载平台、被承载平台承载且能够高度调节和周围全方位旋转的壳体，壳体外载有场景感知器件、前置光学子系统、分光与探测子系统、采集控制终端、以及反演计算终端；
3、所述前置光学子系统包括熔融石英玻璃视窗、全反射紫外镀膜石英棱镜、小型电机、紫外镀膜消色差镜头，经过熔融石英玻璃视窗透射的太阳散射光经被小型电机驱动调整观测视场的全反射紫外镀膜石英棱镜反射后，由紫外镀膜消色差镜头接收并调整焦距后出射到分光与探测子系统；
4、所述分光与探测子系统可调宽狭缝、反射光路、可控旋转光栅以及深制冷ccd，紫外镀膜消色差镜头的出射光经过可调宽狭缝后，经过反射光路和可转学光栅进行分光后被深制冷ccd接收，转换为电信号；
5、所述采集控制终端基于采集控制功能实现超广波段采集模式；
6、所述反演计算终端具有数据处理功能和可视化功能，基于数据处理功能对场景感知器件的采集场景图像进行场景分类，对电信号进行反演计算得到反演结果，基于可视化功能对反演结果结合场景图像进行可视化呈现，其中，场景分类结果用于指导遥感成像时采用不同的采集方案和/或数据处理方案。
7、优选地，在分光与探测子系统，要求焦长和狭缝宽度能够满足信噪比要求时，分光后每行的光谱分辨率≤0.35nm，且不同行狭缝函数一致，可控旋转光栅呈三棱锥状，拥有不同的闪耀波长，能够根据反演组分需求改变光栅角度以改变波段范围。
8、优选地，还包括标定子系统，该标定子系统包括汞灯和透射散射片，用于对光谱波长进行校准，其中，进行标定时，透射散射片置于全反射紫外镀膜石英棱镜前，汞灯应采用直照式照向透射散射片，汞灯光经过透射散射片透射后再经过全反射紫外镀膜石英棱镜反射及紫外镀膜消色差透镜被分光与探测子系统接收，以保证光均匀的打在ccd之上，采集汞灯光谱后，建立汞灯谱线峰值与ccd光谱维通道之间的映射关系，进行标定。
9、优选地，所述反演计算终端中，对电信号进行反演计算时，首先进行电信号预处理，包括：
10、对太阳散射光谱进行空间维合并操作、和/或在反演信号极弱组分时还进行光谱维合并操作；
11、在光谱维会添加一个滑动平均滤波器进行滤波处理；
12、每次反演前都会对太阳散射光谱进行一次波长校准，并且测量过程中每隔一段时间都会测量一次暗电流dc以及偏置光谱ofs，并根据这些光谱从时间维度进行插值，得到每次测量时的dc及ofs，反演时进行扣除。
13、优选地，所述反演计算终端中，基于可视化功能对反演结果结合场景图像进行可视化呈现，包括：
14、采用自动叠图处理方式，根据原始光谱数据，对处于可见光波段通道采集到的光谱进行叠加，同步得到可见波段的灰度图，据此通过直方图均值化或最大类间方差法处理手段选择适当的阈值，根据确定的阈值，记录低于阈值的像素，在反演结果对应的反演浓度图中对于记录的坐标赋nan值扣除，从而实现对于建筑遮挡的扣除，然后将反演浓度图与可见波段的灰度图叠加。
15、优选地，所述反演计算终端中，基于可视化功能对反演结果结合场景图像进行可视化呈现，包括：
16、基于场景分类结果图的目标检测，来自动识别排放源，并进行排放源在场景中的标记；
17、将排放源标记的场景图与反演浓度图进行叠图处理。
18、优选地，所述反演计算终端中，基于可视化功能对反演结果结合场景图像进行可视化呈现时，还进行采用样条插值先进行反演结果的数据填补，对浓度图像进行克里金插值以及小波变换处理。
19、优选地，场景分类结果用于指导遥感成像时采用不同的采集方案和/或数据处理方案，包括：
20、当场景分类结果包含烟羽场景时，对于能够明显识别到烟羽场景，通过对羽流飘向识别来检测风向，并在反演计算时采用上风向边缘帧作为参考谱，无需后续采集天顶谱作为参考谱；
21、当场景分类结果包含道路源场景时，即对于道路源场景，在反演的数据预处理过程中，进行光谱维合并操作，同时对反演结果可视化呈现时，增大反演图像对比度；
22、当场景分类结果包含无规则排放场景时，对于无规则排放场景，基于采集控制功能控制系统推扫帧数增加，扫描角速度降低；
23、当场景分类结果包含无法鉴别的场景时，对于无法鉴别的场景则使用常规推扫模式，并基于推扫模式采集光谱。
24、优选地，所述采集控制终端基于采集控制功能实现超广波段采集模式，包括：
25、基于可控旋转光栅，在采集过程中实现对于光栅角度的控制，拓展单次采集的波段范围，实现更多组分的反演，采用一停一扫的采集模式，即承载平台包含的转台转动一个固定步长后停止转动，开始可控旋转光栅进行宽波段采集，待采集完成进入下一次转动。
26、优选地，所述采集控制终端具有划定核心波段的自动对焦功能，其中，划定核心波段为目标气体反演波段。
27、优选地，所述采集控制终端具有解耦合性，采用生产者-消费者模式架构进行设计，实现了采集过程、写入过程以及通讯过程的完全解耦合；
28、所述采集控制终端和反演计算终端一体化，反演算法部分采用python编写，将整个部分集成打包生成动态链接库文件，在采集部分调用动态链接库来实现软件的一体化。动态链接库提供的函数高度封装化，仅需提供光谱文件与照片路径，在算法内部会自动根据图片进行场景排放源识别并选取相应场景的算法，并根据光谱文件命名以及生成顺序自动判断参考谱与观测谱，进行多线程反演，反演生成的反演浓度图会被返回给采集部分，并根据选定的结果种类进行展示。
29、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
30、本发明系统拥有极高的光谱分辨率以及先进的反演处理方法，克服二维成像光谱技术应用到于vocs组分监测的弊端，实时获取各污染组分的浓度、烟羽扩散信息，同时能够根据浓度结果与图像信息进行溯源。
1.一种对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，包括：承载平台、被承载平台承载且能够高度调节和周围全方位旋转的壳体，壳体外载有场景感知器件、前置光学子系统、分光与探测子系统、采集控制终端、以及反演计算终端；
2.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，在分光与探测子系统，要求焦长和狭缝宽度能够满足信噪比要求时，分光后每行的光谱分辨率≤0.35nm，且不同行狭缝函数一致，可控旋转光栅呈三棱锥状，拥有不同的闪耀波长，能够根据反演组分需求改变光栅角度以改变波段范围。
3.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，还包括标定子系统，该标定子系统包括汞灯和透射散射片，用于对光谱波长进行校准，其中，进行标定时，透射散射片置于全反射紫外镀膜石英棱镜前，汞灯应采用直照式照向透射散射片，汞灯光经过透射散射片透射后再经过全反射紫外镀膜石英棱镜反射及紫外镀膜消色差透镜被分光与探测子系统接收，以保证光均匀的打在ccd之上，采集汞灯光谱后，建立汞灯谱线峰值与ccd光谱维通道之间的映射关系，进行标定。
4.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，所述反演计算终端中，对电信号进行反演计算时，首先进行电信号预处理，包括：
5.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，所述反演计算终端中，基于可视化功能对反演结果结合场景图像进行可视化呈现，包括：
6.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，所述反演计算终端中，基于可视化功能对反演结果结合场景图像进行可视化呈现时，还进行采用样条插值先进行反演结果的数据填补，对浓度图像进行克里金插值以及小波变换处理。
7.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，场景分类结果用于指导遥感成像时采用不同的采集方案和/或数据处理方案，包括：
8.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，所述采集控制终端基于采集控制功能实现超广波段采集模式，包括：
9.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，所述采集控制终端具有划定核心波段的自动对焦功能，其中，划定核心波段为目标气体反演波段。
10.根据权利要求1所述的对多组分大气痕量组分快速高分辨成像的地基超光谱遥感系统，其特征在于，所述采集控制终端具有解耦合性，采用生产者-消费者模式架构进行设计，实现了采集过程、写入过程以及通讯过程的完全解耦合；
