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污染氣體掃描成像紅外被動遙測技術(shù)研究

文檔作者：焦洋，徐亮’，高闖光，馮明春，金嶺，童晶晶，李勝文檔來源：中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月09日
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上一篇：污染水體中藍(lán)藻葉綠素的光譜特征分析

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第3 2卷，第7期光譜學(xué)與光譜分析、，ol。32，No．7，ppl754—1757
2 0 I 2年7月Spectroscopy and Spcetral Analysis July，2012
污染氣體掃描成像紅外被動遙測技術(shù)研究
焦洋，徐亮’，高闖光，馮明春，金嶺，童晶晶，李勝
中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽臺肥230031
摘要傅基葉變換紅外光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大氣中污染氣體的遠(yuǎn)程被動遙測。而污染氣團(tuán)的位置和分布．對
于有害氣體泄囂情況下泄露位置勘查和污染擴(kuò)散態(tài)勢的評估來說是至關(guān)重要的。據(jù)此設(shè)計了一套紅外被動
成像遙測系統(tǒng)，系統(tǒng)由傅里葉變換光譜儀，數(shù)據(jù)采集處理軟件、掃描系統(tǒng)、可見光成像系統(tǒng)和計算機(jī)組成。
以六氟化硫?yàn)槭聚櫄怏w，開展-r遙測驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過非線性最小二乘算法結(jié)合輻射傳輸計算反演獲得了目
標(biāo)氣體的柱濃度t并用偽彩色圖娃示其分布情況。最后以可見光圈像疊加偽彩色柱濃度分布圖的形式顯示
結(jié)果。實(shí)驗(yàn)分析表明，該系統(tǒng)具有高探測靈敏度，并以可視化和定量的方式顯示污染的空間分布情況。
關(guān)鍵詞FTIRI被動遙測；偽彩色；濃度分布圖
中國分類號：0657．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10．3964／j．issn．1000—0593(2012}07—1754—04
引言
突發(fā)住污染事故的危害日趨增大，例如化工廠爆炸污
染、自然災(zāi)害、恐怖事件和戰(zhàn)爭均可能使得有毒有害污染物
向大氣排放。而傳統(tǒng)的現(xiàn)場采樣檢測方式無法滿足事故處置
部門對污染現(xiàn)場的快速定性和定最的遠(yuǎn)程遙測的需求。傅里
葉變換紅外光譜具有非接觸、高晌應(yīng)速度、高靈敏度和高分
辨率的特征，并且可應(yīng)用于大氣污染物被動遙測f“，因此
FTlR被動遙測裝置配合二維掃描系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理軟件．
首先可實(shí)現(xiàn)對污染氣團(tuán)不同部位的定性定量分析，進(jìn)而將濃
度反演結(jié)果與位霞分布參數(shù)結(jié)合，期顰最終獲褥以偽彩色圖
像的方式實(shí)時直觀顯示的污染分布圖。
1輻射模型
對大氣中污染物的被動遙測是基于對大氣中各種分子的
紅外吸收和輻射特性的分析。分析模型可將大氣假設(shè)為多勻
質(zhì)層，如圖l所示，每一勻質(zhì)層對紅外探測器貢獻(xiàn)的光譜輻
射亮度為自身光譜輻射亮度與前一層的光譜輻射亮度之和．
考慮到勻質(zhì)層中目標(biāo)物質(zhì)、干擾物、大氣的透過率及散射-
總的光譜輻射亮度町表示為
Lj=(1一矗n rc)Bi+“n“L}l+店(1)
式中：矗，如和矗分別為I層目標(biāo)蒸汽、干擾物、大氣的透
過率，B為等效于I層溫度的黑體輻射亮度，厶一，為前一層
的輻射亮度，肛為I層中所有物質(zhì)的散射貢獻(xiàn)。
———— __，一__‘一
spectrograph[ 一1 f 厶1
-_，～
?！痏●-‘
隱1 The muitiplayer nwdel 0f passive rmnote
№2 Three hy柙model of passive remote
Tb
麗對予水平或低仰角測量?？刹捎煤喕娜龑幽Ｐ?，如
圖2。第三層為背景層，第二層為目標(biāo)氣體層，第一層為大
氣層，光譜儀測得的輻射量包含了這三層的輻射特征。第
一、二層在物理和化學(xué)特質(zhì)}二都看做勻質(zhì)層。該模型中光譜
儀接收孔徑范圍內(nèi)接收到的輻射亮度如式(2)
LI=(1一亂)Bl+rl L(1一r2)Bz+nL3] (2)
式中a為第i層的透過率，B為具有第i層溫度的黑體所發(fā)
出的輻射亮度，L3為第三層發(fā)射列第二層L七的輻射亮度。在
收藕日期：2012一Ol一19．修訂日期：2012-04·18
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40905011，41105022)和中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程霍要方向項(xiàng)目(Y022091131)資助
作者簡介：焦洋，1977年生，合肥電子工程學(xué)院講師，現(xiàn)就讀于中科院安徽光機(jī)所博士研究生e-mail：yiiao@aiafllL ac．∞
*通訊聯(lián)系人e-mail；xuliangC魚aio(ra．配cn
萬方數(shù)據(jù)
第7期光譜學(xué)與光譜分析1755
～般氣候條件下．地基近距離紅外被動遙測過程中可近似認(rèn)
為大氣層的透過率為l，上式簡化為L】=(1一r2)B2斗硯L，
則目標(biāo)氣體透過率可由式(3)表示
nn=iLI項(xiàng)--B2 (3) 2蕊06’
由上式可知，要獲得透過率光譜，除r可直接測得的L1還
需要獲取背景輻射亮度L：I和等效于日標(biāo)氣體層溫度的黑體
輻射亮度Bz。在假定熱平衡的條件下，L和＆可分別由測
量同條件下的背景輻射亮度和室溫下的黑體輻射亮度獲
得f2t?。對被動式FTIR測量而言．只有當(dāng)測量到的目標(biāo)氣體
輻射的等效輻射溫度丁2(。)與背景光譜等效輻射溫度T3(v)
之差大于儀器的光譜噪聲等效溫差(NEAT)時，才能定性定
量的遙測大氣中的待測污染物，即必須滿足J T2(v)一T3(v)】
>NEAT，等效輻射溫度由普朗克公式給出
T(y)=——,L』+12Lhc—Zt?＼ (4)in( L ，
式中，h為普朗克常數(shù)，C為光速，k為波爾茲曼常數(shù)。
獲得透過率光譜后，可用非線性最小二乘法進(jìn)行定性定
量分析。非線性最小二乘法進(jìn)行光譜擬合的最大特點(diǎn)是不需
要假定濃度和測量的吸收之間滿足線性關(guān)系。它通過HIT—
RAN數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)的吸收線參數(shù)、測量區(qū)域的光程、溫度和
壓強(qiáng)等計算擬合校準(zhǔn)譜?大氣透過率光譜。在實(shí)測中把測量
到的透過率光譜與計算的光潛進(jìn)行迭代運(yùn)算，通過輸入初始
濃度的不斷修定．以達(dá)到計算光譜與實(shí)測光譜的最佳擬合，
進(jìn)而得到待測氣體的濃度。
2實(shí)驗(yàn)部分
2．1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，掃描成像式紅外被動遙測系統(tǒng)由
紅外傅蟹葉變換光譜儀，K塞格倫式望遠(yuǎn)鏡，CCD攝像頭，
掃描系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及計算機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)凝視視場
由卡式望遠(yuǎn)鏡確定，塑遠(yuǎn)鏡fJ徑230 ITtnl視場角為8 mrad；
紅外傅咀葉變換光譜儀采集參數(shù)設(shè)蹬為光譜分辨率J cin，
采集波段設(shè)蹬為4 000～500 cm～，探測器為液氮制冷型
MCT探測器，視場指向由CCD攝像頭確定，攝像頭采用l／
3英寸CCI)感光面，15倍光學(xué)變焦；掃描系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)臺和俯
晦3 Scm,蛾．蛐啦胂姆h remate smang infrm-ed s捧tem
1：Cassegraintelescope)2：CCD camera：3：Fouriertransforminfra
red spectrometer；4：Scan．system
仰臺構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)臺角分辨率為2．7×10一rad，旋轉(zhuǎn)范圍
360。，俯仰臺角分辨率為3．2X i0～rad，俯仰范圍±15。，旋
轉(zhuǎn)和俯仰角度的分辨率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的視場角，可以滿足密集
掃描的需求；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件使用labview編寫，軟
件控制掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)．并連接光譜儀和攝像頭實(shí)時采集光譜
數(shù)據(jù)和可見光視場圖像，進(jìn)行分析計算最終反演出視場范圍
內(nèi)的目標(biāo)氣體濃度。
如圖4所示探測背景為285 m遠(yuǎn)處的環(huán)境背景，目標(biāo)氣
體為壓力容器中釋放的六氟化硫氣體(SF6)，使用三腳架將
出氣VA加高至3．5 m。環(huán)境溫度11．5℃，風(fēng)向從左至右。掃
描區(qū)域?yàn)楹诳蛩痉秶瑨呙椟c(diǎn)數(shù)為9×4共36個，均勻分
布。
Fig．4 Location of SF,release point sigl弛d by black drele and
the measurement a嗽signed by black pane
2．2結(jié)果與數(shù)據(jù)分析處理
實(shí)驗(yàn)在36個掃描點(diǎn)共獲得36條譜線，如圖5所示，背
景光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)用方形空心框表示．釋放氣體后某點(diǎn)測得的光
譜數(shù)據(jù)點(diǎn)用圓形空心框表示，由于背景在陽光直射下溫度較
高，使得被動遙測的關(guān)鍵條件I R(v)一T3(v)|>NEAT得
以滿足，所以在六氟化硫的特征區(qū)域可見非常明顯的吸收
帶。
1 000 980 960 940 920 900
Wavenumber／cm。1
Fig．5 The signa)and background spectra of SF,
通過測量室溫下的黑體輻射亮度獲得等效于目標(biāo)氣體層
m度的黑體輻射亮度后?？衫檬?3)獲得六氟化硫氣體透
過率光譜，據(jù)此通過非線性最小二乘法反演濃度，反演波段
選取為900 l 000 cm。圖6為某點(diǎn)經(jīng)公式計算獲得的透
過率譜、反演后獲得的擬合譜及殘差譜，如圖所見殘差值較
萬方數(shù)據(jù)
光譜學(xué)’j光譜分析
小，擬合結(jié)果jj測鞋光潛吻臺良好。表l為9乘4共36個測
量點(diǎn)根據(jù)測量結(jié)果反演后獲得的濃度數(shù)據(jù)列表，單位為lo。
n”I·mnl‘1
900 920 940 960 980 l 000
Wavenumbcr／cm’’
Fig．6 7l'he measured．fitted and residual spectra of SR
Table l The data sheet of concentration after retrievaI
units 10“m01．mo
根據(jù)反演獲得的濃度分布圈采用labview編寫軟件生
成。圖7所示為-±Y)b被動掃描獲得的濃度分布偽彩色圖與背
景圖像的融合同。圖中藍(lán)色為低濃度．紅色為高濃度．色度
表見圖上側(cè)?從該融合圖町以非常清晰直觀的獲知日標(biāo)氣體
濃度分布態(tài)勢．為自圖片左側(cè)陽右下側(cè)擴(kuò)散，符合a10試現(xiàn)場
風(fēng)向條件．及六氟化硫氣體密度大于空氣向I：方擴(kuò)散較少所
致的特征。壓力容器右側(cè)可『見較高濃度分布．分析原因?yàn)槿?
標(biāo)氣體在JK力容器釋放LJ濃度較高，．由此町見該系統(tǒng)應(yīng)用于
氣態(tài)污染物分布態(tài)勢遙測方面有良好的直觀性。
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)氣體層溫度的沒定即
B2的設(shè)定對汁算結(jié)果影響較大．圖8中顯示r將口標(biāo)氣體
層溫度沒定為5和15(兩種情況1i反演并繪制出的濃度分
市偽彩色圈，由圖中可見在設(shè)定溫度與實(shí)際溫度JJ．j℃相
筇32卷
Fig．7 Fusion image of false color image of concentratitm dis—
tribution and background image．the color scale value
rdngtfl from 0．Ill to 126．59
Fig．8 False color．玎l(xiāng)lage of concentration distribution
at different temperatures of target cloud
《a)：5 C；(【})：I二(
差越大時．反演出的濃度分布+與實(shí)際分布差距越大．表現(xiàn)為
更加趨f(xié)一致化。從式(3)巾可知，島有放大背景淆與樣品
譜差距的作用．境偏離實(shí)際值越多，背景譜與樣品譜的篾距
就越?。卜先鐖D8中硅示的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。F一一步的工
作將結(jié)臺紅外輻射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，對大氣氣體層溫度的獲取方
法進(jìn)行深入的研究。
3結(jié)論
掃描式被動F1’IR遙測系統(tǒng)不但司’用于大氣污染物氣團(tuán)
的定性定鍍分析，而目．叮用于氣分布擴(kuò)散態(tài)勢分析，在突發(fā)性
氣態(tài)污染事件快速應(yīng)塒力^面有廣泛的應(yīng)有需求。該系統(tǒng)在氣
體種類探測、濃度反演算法研究、掃描精度、可視化結(jié)果顯示
方面有進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用空間。
References
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雌
嘶
¨
旺
。
眈
萬方數(shù)據(jù)
第7期光譜學(xué)與光譜分析1757
Investigation on Remote Measurement of Air Pollution by a Method of
Infrared Passive Scanning Imaging
JIAO Yang，XU Liang+，GAO Min-guang，F(xiàn)ENG Ming。chtm·JIN Ling·TONG Jing-／ing·LI Sheng
Key Lab of Environment Optics&amp;amp;Technology，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，
Hefei 230031，Chi越
Abstract Passive remote sensing by Fourier-trarmfom iTIfrared(FnR)spectrometry allows detection of air pollution．However
。for the】ocalization of a】eak and a complete assessment of the situation in the case of the release of a hazardous eloud，infor·
marion aboat the position and the distribution of acloud is essential Therefore，all anaging passive remote sensing system corn—
prising an interferometer．a(chǎn) data acquisition and processing software·scan system。a video system，and a personal computer has
been developed．T1le remote sensing of SF6 was done．The eohmn densities of all directiom in which a target compound has been
identified may be retrieved by a nonlinear least squares fitting algorithm and algorithm of radiation transfer，and a false color image
is displayed．刃}e results were visualized by a video image，overlaid by false color concentration distribution image．碼e sys—
tem has a high selectivity，and allows visualization and quantification of pollutant clouds．
Keywords FTIR；Passive remote sensing；False color；Concentration distribution inlage
*Corresponding author
(Received Jam 19，2012；accepted Apr．18·2012)
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2010年12月1日

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