超光谱成像差分吸收光谱系统烟羽测量研究

研究一种测量污染气体(如SO2,NO2)二维分布的光学遥感方法,即采用超光谱成像差分吸收光谱(DOAS)系统在扫描转台上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分吸收光谱处理方法对采集到太阳散射光谱进行处理获得柱浓度,结合转台扫描,最终实现污染气体的二维成像解析.着重描述了基于成像差分吸收光谱仪、紫外镜头及扫描转台的超光谱成像差分吸收系统,并利用该系统对热电厂烟羽排放进行了外场测量,该技术为污染源实时成像测量提供了一种简便的方法.     

机载成像差分吸收光谱技术测量区域NO2二维分布研究

本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO₂浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO₂二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO₂排放率为1570 kg/h.     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。     

电厂烟羽中SO2柱浓度的紫外非色散二维成像

鉴于近年来突发事故和雾霾等污染现象时有发生,其危害范围广、危害程度深,因此迫切需要掌握污染影响的区域、范围、强度以及污染扩散的趋势。而污染源、污染气体的二维快速成像分布在确定气体泄漏源定位、鉴别突发事件以及鉴定污染范围和污染影响的过程中占绝对优势。基于面阵CCD探测器,利用紫外滤光片分光的成像技术实现了对丰台电厂烟囱排放的烟羽进行快速成像测量;采用烟气在线监测技术获取的SO2实时浓度作为参考浓度,经转换之后标定成像系统,标定结果表明SO2斜柱浓度与光学厚度呈线性关系,相关系数0.958,满足成像理论可被解析的先决条件;考虑到成像系统视场角小,使镜头在上风向偏离烟羽区域拍摄的图片作为背景,任取背景图上的一行像素,这些像素的光学强度表明上风向强度均匀,无其他干扰影响;测量过程中,为了减小烟羽变化带来的误差,鉴别目标气体的310 nm滤光片与祛除气溶胶影响的330 nm滤光片对烟羽交替成像;最后根据线性最小二乘拟合获取了2017年5月20日12点30分左右的SO2斜柱浓度的二维分布及其时序图。测量结果显示在烟囱出口附近出现SO2斜柱浓度高值,SO2斜柱浓度高值约为1.7×1017 molec·cm^-2;SO2斜柱浓度分布图直观显示SO2浓度的扩散趋势,表明下风向SO2斜柱浓度沿着烟羽的扩散轴减小缓慢,在大气浮力、烟羽流体动力学以及风向共同作用下,垂直于烟羽扩散轴的方向上,扩散轴上方的SO2斜柱浓度小于其下方浓度,但基本趋势是垂直于扩散轴的两侧SO2斜柱浓度衰减很快;在下风向距离烟囱中心28米的区域,取SO2斜柱浓度与高斯曲线进行拟合,拟合系数0.747,表明风向方向:SO2斜柱浓度扩散遵循高斯扩散;根据SO2斜柱浓度时序图,获得了烟羽的传播速度约为1.2 m·s^-1;为了验证紫外非色散成像系统测量结果的可靠性,在已知烟羽SO2排放量(9.2 g·s^-1)、烟羽速度(1.2 m·s^-1)、烟羽高度(约140 m)及周边环境的情况下,采用高斯烟羽扩散模型进行理论预测,成像系统的测量结果与烟羽模型的模拟结果对比表明:SO2斜柱浓度的测量值及扩散趋势与理论预测基本一致。利用基于滤光片的快速成像方法实现了对固定点源排放的污染气体SO2斜柱浓度的成像测量,最终成功获取了烟羽中SO2斜柱浓度的分布及扩散的趋势,测量结果与模型模拟的一致性表明该成像方法有望为定量、定性评估污染危害提供测量依据。     

被动差分吸收光谱法测量烟羽速度的方法研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量。被动DOAS以天顶太阳散射光为光源通过对污染源排放烟羽进行扫描测量能获取污染气体(如SO₂,NO₂)柱浓度的连续分部,再结合风场信息后可以估算出污染源污染气体的排放总量。在实际测量中由于无法准确获取烟羽速度这一重要参数使得排放总量的计算变得比较困难,并且这也成为估算总量中的主要误差来源。文章研究了被动DOAS测量污染源排放烟羽速度的原理和方法,两套系统以固定夹角在烟羽下方获取烟羽通过一定距离的时间差从而得到烟羽运动速度。通过两套被动DOAS系统对某电厂排放烟羽进行测量得到了两个时刻的烟羽速度3.6和5.4 m·s-1,并与单经纬仪测风法获取当时烟羽高度上的风速结果进行对比表明,这种基于被动DOAS光学遥测方法能够满足烟羽速度的测量。     

多轴DOAS断层扫描技术重构工业排放空间分布

针对工业烟囱排放污染气体空间分布难以实时获取的问题,开发了基于多轴差分吸收光谱(DOAS)断层扫描系统,结合重构算法,可形成可视化的工业气体烟羽垂直断面浓度的空间分布图。该方法是在烟羽两边分别放置一台定时多轴扫描DOAS,同时在扇形光束射线几何模式下,对烟羽的同一垂直断面扫描。以精确反演的线积分浓度为投影向量,基于平滑基函数最小算法,重构烟羽空间分布,给出重构烟羽断面数值模拟图,并讨论断层重构装置的使用范围。将该系统应用到外场实验中,重构了电厂排放NO2烟羽空间分布。     

多轴DOAS断层扫描技术重构工业排放空间分布EI北大核心CSCD

针对工业烟囱排放污染气体空间分布难以实时获取的问题,开发了基于多轴差分吸收光谱(DOAS)断层扫描系统,结合重构算法,可形成可视化的工业气体烟羽垂直断面浓度的空间分布图。该方法是在烟羽两边分别放置一台定时多轴扫描DOAS,同时在扇形光束射线几何模式下,对烟羽的同一垂直断面扫描。以精确反演的线积分浓度为投影向量,基于平滑基函数最小算法,重构烟羽空间分布,给出重构烟羽断面数值模拟图,并讨论断层重构装置的使用范围。将该系统应用到外场实验中,重构了电厂排放NO2烟羽空间分布。     

SO2气体排放的紫外成像遥感监测

工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶,产生酸雨,严重危害大气生态环境平衡及人类健康。现有的SO2光学遥感测量技术,如拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达(DIAL)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、紫外差分吸收光谱(DOAS)、高分辨光谱成像等,难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、高空间分辨率以及便携机动等应用需求。近年来,紫外SO2相机成像探测因探测精度高、实用性强得到迅速发展,该技术时间分辨率高、空间分辨力强,能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率,对于监测环境污染有重要作用。基于紫外SO2相机成像探测技术,围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、仪器设计及实验方法、反演算法及结果比对等方面开展研究。取得的成果主要有:(1)利用窄带滤光片的窄波窗口,用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收,建立了紫外成像遥感监测理论模型,介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理;(2)将滤光片放置镜头前后,讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响,发现滤光片放置镜头后,相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小,对SO2浓度图像的反演误差更小;(3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响,阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性;(4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置,开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究,通过2-IM法拟合出了人工天空背景,获得了SO2光学厚度图像,利用标准泡进行校准,反演出了SO2浓度图像;(5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测,与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明,两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致,从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性,同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。     

基于权重变分模型的地基IDOAS条带噪声去除

成像差分吸收光谱技术是成像光谱技术和差分吸收光谱技术的结合,能够采集图谱合一的数据立方,并通过光谱反演得到痕量气体浓度的二维分布信息。地基IDOAS仪器通过安装平台的水平旋转实现摆扫成像,可用于识别污染气体的排放源和监测气体的扩散情况。然而和所有的成像光谱技术相类似,地基IDOAS也容易出现条带噪声的问题,会产生相应的伪结构,影响后续的信息提取和数据分析。目前星载和机载IDOAS中常见的条带噪声去除算法有均匀区域校正法、传输模型模拟法、傅里叶变换频域滤波法、多项式拟合法等,应用到地基仪器中均存在不适用的问题。介绍了一种基于权重变分模型的条带噪声去除算法,该算法首先通过分块自适应阈值分割得出表征遮挡区域的权重矩阵,然后利用条带噪声的方向性和稀疏性建立各向异性的变分模型,最后通过交替方向乘子算法迭代求解。为检验去条带算法的可靠性,使用稀疏、稠密、周期、随机、整行、部分、单行、多行等多种模拟噪声进行了性能测试。测试结果证明权重变分算法能够有效去除各种常见的条带噪声,目视效果和四种全参考评价指标均有良好的表现。地基IDOAS于2018年夏季在四川乐山进行了外场实验,实验中仪器的水平扫描范围覆盖360°全方位角,扫描间隔为1°,垂直方向仪器同时采集0°～30°仰角内的光谱。仪器的积分时间设置为500 ms,每组全景扫描的工作时间约为15 min。利用DOAS技术对采集到的太阳散射光谱进行反演,最终得到的NO₂和SO₂气体的二维浓度分布图的像素大小为360×48。从反演结果来看,条带噪声对不同时间和不同气体的观测结果的影响大小均不同。经权重变分算法处理后,多组NO₂和SO₂浓度分布中的条带噪声情况得到极大的改善,并且没有出现过度平滑的情况。结果表明,该算法适用于地基IDOAS数据的条带噪声去除。     

基于成像差分吸收光谱技术探测合肥市大气边界层NO_2斜柱浓度分布研究

近年来,中国经济发展迅速,工业化程度越来越高,大气环境污染问题加剧,严重影响人民的日常生活,因此对大气污染物的实时监测研究尤为重要。城市边界层大气中各类污染源排放的相互作用,使得其污染问题复杂多变,特别是在重污染过程中污染物在大气中的垂直分布和变化情况问题。成像差分吸收光谱(I-DOAS)技术用于对污染物空间分布的探测,国内外对该技术的研究主要基于地基扫描、机载和星载平台,因其具有长距离、多组分、高分辨同时连续实时观测的特点,观测范围可从小尺度逐渐向大区域拓展,可为分析大气环境现状提供重要数据支撑。地基成像差分吸收光谱技术一般用于对某一污染源的探测,主要研究其对城市大气边界层污染物分布的探测方法,其中介绍了基于比尔-朗伯定律的差分吸收光谱(DOAS)原理,分析了基于"推扫"方式的成像系统的成像原理,并且以大气中常见污染物NO_2为例, 2018年6月12日在合肥市科学岛开展对边界层大气NO_2的成像遥测实验,将多芯光纤束前端与紫外镜头耦合,后端连接光谱仪狭缝,紫外镜头搭载于二维转台电机上,设置二维旋转电机合适的仰角,水平方向上从0°旋转至90°,观测区域中主要包括郊区,电厂区和城市区三个典型区域。选择天顶太阳光谱作为参考谱,将测量光谱、参考谱进行相应多通道光谱合并及提取,每采集一次可获得相对应的38条光谱。使用DOAS反演方法对所有测量光谱进行数据反演,得到38×90组NO_2的差分斜柱浓度(DSCD),并根据观测角度的几何模型,将浓度信息与空间维上的像元相匹配,按照扫描方向进行依次插值重构,扣除复杂背景后,获得合肥市边界层NO_2差分斜柱浓度的二维分布图像,并且与当天同时进行实验的MAX-DOAS观测数据作对比,两者在郊区、电厂区和城市区的相关系数分别为0.86, 0.87和0.83,结果表明该系统能够有效获取城市边界层大气污染物浓度分布信息。     

超光谱成像差分吸收光谱技术研究

基于散射光的被动差分吸收(DOAS)技术利用气体的特性吸收谱线可实现对不同大气污染气体的定量测量,介绍了一种基于成像光谱仪的光学遥感系统,该系统运用被动DOAS原理实现了对大气污染气体的二维成像测量,并报道了该系统对实验室样品池一维测量与城市道路上方NO₂组分的成像测量实验. 基于成像光谱仪的被动DOAS系统利用太阳散射光可获取垂直方向一维的光谱信息,结合扫描装置,便可实现对污染气体的二维成像解析. 关键词： 被动差分吸收光谱 成像光谱仪 污染气体 二维成像     

被动差分吸收光谱技术测量电厂烟羽中CS2的研究

CS2气体对人类健康和大气循环有重要影响作用,最近有研究表明:工业燃煤可能是城市大气中CS2的另一个重要来源.提出一种以太阳散射光作为光源的被动差分吸收光谱(passive DOAS)对点源排放气体进行遥测的方法;介绍了其基本原理和测量系统;讨论了CS2的光谱分析方法,包括参考光谱的选择问题,及降低Ring效应对光谱反演影响的方法等;并利用该技术埘电厂烟羽中CS2进行扫描测量,成功反演出烟羽中CS2的柱浓度;证实了燃煤可产生一定的CS2,为城市大气中CS2污染源的研究提供直接、有利的依据.     

应用二维相关提高DOAS技术的温度鲁棒性

利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术对空气中污染气体的浓度进行实时监测时,测量结果的准确度会受到环境温度变化的影响。为此,提出了通过二维相关光谱技术优选波长来提高DOAS测量中温度鲁棒性的方法。通过对不同温度下SO2的吸收截面进行二维相关分析,得到了动态吸收截面同步相关谱对角线的自助峰,据此分析了不同波长下吸收截面随温度变化的敏感程度,进而优选出最佳反演波长范围300.5～310nm。在将波长优选前后现场的测量结果和参考值进行对比时显示:采用优选波长前后24h的平均测量误差由22.5%减小至9.9%,测量值和参考值的相关系数由0.780 8提高到了0.949 6。结果表明,二维相关光谱和DOAS技术相结合,可以准确测量污染气体浓度。     

工业SO2及碳黑颗粒紫外成像遥感监测技术

为了准确有效监测工业烟囱排放,基于SO2及碳黑颗粒物的光学特性,设计并研制出一套双通道紫外成像遥感监测系统.该成像系统的两个光谱通道的中心波长分别定于310 nm和330 nm,利用两个通道的光学厚度之差反演SO2浓度图像,颗粒物浓度图像由330 nm通道获取,根据浓度图像结合光流法获取烟羽运动速度,进而计算得出SO2和碳黑颗粒物的排放速率.结果表明,该工业烟囱的SO2及碳黑颗粒物排放速率分别为72.48±3.16 kg/h和6.33±1.18 kg/h.实验采用紫外相机同时对工业烟囱排放的SO2及碳黑颗粒物进行监测,实验表明双通道紫外成像遥感监测兼具高时间分辨率与高空间分辨率,测量结果准确直观,在工业废气污染、船舶尾气污染以及火山喷发污染排放遥感监测中具有非常明显的技术优势及巨大的应用前景.     

被动差分吸收光谱法测量区域内污染气体排放通量的方法研究

研究了一种基于被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)测量区域(如工业区,城市)内SO₂等大气污染气体排放通量的光学遥测方法。采用安装在汽车上的被动DOAS系统围绕区域进行扫描测量,通过被动DOAS光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取污染气体柱密度,再结合测量时段的气象(风场)信息获得该区域内污染气体对外的净排放通量。文章着重描述了获得污染气体柱密度的差分吸收光谱方法以及区域内污染气体净排放通量的计算方法,并构建了车载被动DOAS系统对北京市五环路以内区域的SO₂和NO₂排放进行外场测量,测得了该区域内SO₂和NO₂净排放通量分别为1.13×104和9.3×103 kg·h-1。实验结果表明这种基于被动DOAS的光学遥测方法能够用于区域内污染气体排放通量的快速测量。     

基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体二维观测方法

基于差分吸收光谱技术, 对大气痕量气体二维观测方法进行研究. 对常规多轴差分吸收光谱系统进行改进, 使望远镜可指向不同方位角, 获取测量点各方位角上的痕量气体信息, 从而更直观地了解测量点四周污染气体分布及其演变情况. 主要对NO₂浓度分布进行了研究, 同时获取了不同方位角上的O₄斜柱浓度; 采用辐射传输模型模拟计算O₄斜柱浓度并与实测数据对比, 结果表明二者具有高度相关性, 验证了大气中O₄分布的稳定性; 基于实测O₄数据提取光路信息, 结合辐射传输模型对NO₂和O₄因廓线不同造成的散射路径差异进行修正, 将NO₂斜柱浓度进一步转化为体积混合比, 获得了不同方位角上NO₂ 浓度分布图. 将计算结果与长光程差分吸收光谱技术数据进行对比, 结果表明二者具有较好的一致性.     

多轴差分吸收光谱断层扫描重建烟羽空间分布

为了实现烟羽二维空间分布的精确重建, 建立了被动多轴差分吸收光谱断层扫描系统,实现了多台被动多轴差分吸收光谱系统对废气烟羽空间分布的测量。首先,介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理。接着,使用代数迭代算法对不同的重建模型,采用不同的扫描光路进行了重建模拟,并设计了重建程序。然后,对数值模拟仿真结果进行了分析比较。最后,搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台,进行了外场试验。数值模拟的结果显示：MAX-DOAS层析技术能精确的重建出烟羽模型的二维空间分布,四光源光路的重建误差约是双光源光路重建误差的三分之一,四光源重建时间约是双光源重建时间的四分之一,且双峰模型的重建误差大于单峰模型的重建误差。外场试验的结果显示：重建图像的积分数据与多轴差分吸收光谱测得的投影数据是一致的,说明重建出的烟羽空间分布符合实际情况。研究表明,数值模拟的结果与外场试验的结果具有一致性。     

基于光谱遥测技术的烟羽二维分布快速成像

基于大气污染物二维分布遥测系统,开展了被动成像差分吸收光谱技术和图像优化算法相结合的大气污染物二维分布遥测研究。将紫外光谱和可视化图像的双通道系统相结合,实现了污染物浓度信息与可视化图像的精确匹配。针对复杂背景下污染物的数据处理问题,尤其是受浓烟、障碍物遮挡等情况下的数据缺失问题,对观测值进行筛选和处理,再结合烟羽扩散模型和曲面三次样条插值算法对整个区域内的浓度信息进行优化,从而快速获得高空间分辨的污染物二维分布图像信息。     

分辨率对大气中痕量污染气体的DOAS测量性能影响研究

在差分吸收光谱(DOAS)测量过程中,光谱分辨率的选择直接决定了污染气体浓度的测量准确度.主要研究了光谱分辨率对污染气体被榆测到的特征吸收结构形状的影响,以及差分吸收截面随分辨率的变化趋势,从而确定了光谱分辨率对污染气体最低可检测浓度的影响,通过研究分辨率与光强的关系,确定了分辨率与信噪比(S/N)的函数关系式,得出了DOAS测量NO2,O3,和SO2的最佳信噪比范围,对多种污染物标准气体进行了同时监测,计算出标准气体在不同光谱分辨率下的测量误差,确定了对NO2,O3和SO2监测的最适用的分辨率范围.在此分辨率范围既能够实现对痕量气体的准确定性定量测量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.通过在北京丰台区的实际监测得到了与点式仪器测量结果很好的一致性.     

SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用

介绍了一种化工厂区污染气体排放通量实时监测的新方法,即太阳掩星法傅里叶变换红外光谱技术(SOF-FTIR),提出了复杂条件下的背景谱、测量谱和污染区域周边大气透过率谱获取模型。通过对欲监测的污染源区域周边做闭合环路连续测量以获得测量光谱,最终应用非线性最小二乘拟合算法对污染源区域污染气体的柱浓度信息进行反演,并结合实验时气象参数以及GPS信息得到该区域污染气体的排放通量。运用此方法实际遥测了某化工厂区氨气的排放情况,并对氨气气体浓度分布及排放通量进行了定量分析。相对于传统的FTIR监测方法,该方法操作简单、机动性强,在污染气体区域监测以及其他污染源污染排放应急监测等应用领域具有良好的应用前景。