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.     

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.     

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.     

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。     

差分光学吸收光谱法在线监测烟气中SO2浓度的非线性补偿研究

差分光学吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放监测时,烟气中污染气体SO2浓度较高将产生非线性吸收问题.提出了一种非线性补偿方法,即将实际浓度所对应的气体分压与反演结果所对应的气体分压之比与反演结果之间的对应关系拟合成补偿函数,利用此补偿函数对反演结果进行非线性补偿.实验结果表明:该补偿方法能较好地减低高浓度气体非线性吸收产生的影响,可提高气体浓度反演精度.     

基于成像差分吸收光谱技术测量电厂SO_2排放方法研究

介绍了一种测量烟羽污染气体二维分布的方法——成像差分吸收光谱(IDOAS)技术。该技术基于成像光谱仪,结合旋转平台实现对目标区域的二维扫描测量,获取目标区域的高光谱数据;采用差分吸收光谱(DOAS)算法对光谱进行处理,获取扫描区域内污染气体的二维分布图,进而对污染气体的分布及扩散趋势进行分析。对地基IDOAS系统及其测量原理进行了介绍,并开展外场实验,成功获取了电厂烟羽中的SO2二维分布图,实现电厂污染排放的可视化;对SO2排放率及平均浓度估算方法进行了分析,结合风速,利用获得的二维数据计算得到电厂SO2排放率及平均浓度分别为210 kg/h、6.7 mg/m3。     

降低DOAS系统探测限的新型反演算法研究

差分吸收光谱法(DOAS)是一种高灵敏测量大气痕量气体成分含量的有效的光学遥感方法,该方法基于最小二乘拟合模型,利用获得的痕量气体的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,反演待测气体的浓度.建立了基于径向基(RBF)神经网络的痕量气体浓度反演的新模型,对网络的隐层参数采用改进最近邻聚类学习算法训练,对输出层权值的训练采用梯度下降算法,使得网络收敛快,能更好地实时、在线反演测量光谱.并针对DOAS技术的特点,把拟合残差输入网络集中训练,使得RBF网络在反演真实痕量气体吸收时,效果更佳.实验结果表明该新型反演方法提高了DOAS系统的反演精度,降低了DOAS系统的探测限.     

算法融合的差分吸收光谱法烟气SO_2浓度在线监测研究

过去几十年中差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)在大气污染物监测方面取得了成功应用.文章提出了根据差分吸光度最大值(OD'm)设定阈值的思想,将传统DOAS算法与基于卡尔曼滤波的DOAS算法相结合,利用两种算法在相同信噪比下具有不同反演精度的特点,在保证测量精度的前提下提高了DOAS系统的检测极限,较好地解决了短光程下低浓度气体的测量精度问题.在常温常压和流动状态下,对烟气中的SO2浓度测量进行了理论和实验研究.研究结果表明,改进的DOAS算法在OD'm＜0.048 1时,SO2浓度测量精度较高,测量下限可低于28.6 mg·m-3,零点漂移低于2.9 mg·m-3传统DOAS算法在0.048 1＜OD'm＜0.927 2时,SO2浓度测量精度较高;两种算法对OD'm＞0.927 2时的SO2浓度测量都存在较大的误差,必须进行线性度校正.     

傅里叶变换滤波-差分吸收光谱法在烟气SO_2在线监测中的应用研究

差分吸收光谱(DOAS)法是利用气体分子窄带吸收特征来测量气体浓度的一种新型的光谱测量技术。本文分析了紫外差分吸收光谱(DOAS)法检测SO2数值处理上的问题,提出傅里叶变换滤波分析方法。本方法可有效减少各种干扰对SO2浓度计算的影响,特别是对与SO2有重叠差分吸收光谱但有不同频谱特性且未知气体的干扰有很好的效果。     

SO2紫外相机的实时自定标方法研究

基于紫外SO₂相机成像探测技术的工作机理，结合紫外辐射传输理论提出了SO₂相机的自定标理论。简要介绍了目前常用的3种定标(标准泡定标、DOAS定标和光谱定标)方法，并通过分析传统定标方法的局限性，阐述了自定标方法相对于传统定标方法的优势。实验结果表明，自定标法拟合的定标曲线斜率较传统方法所得定标曲线斜率相差约1.4%，平均相对误差约6%，满足测量精度要求。自定标方法具有准确、简便、实用的技术优点，在移动污染源的紫外成像遥感监测中具有良好的应用前景。     

煤质硫含量紫外差分吸收测量方法研究

快速准确地测定煤质硫含量,可为企业、环境监督部门提供重要的技术依据。国内外已有多种煤质硫含量分析仪器,但或多或少存在令操作人员不满意的地方。提出一种基于紫外(UV)差分吸收光谱(DOAS)的煤质硫含量测量方法。针对分子数分数测量范围宽、光程短等问题,在传统算法的基础上,提出基于有限脉冲响应(FIR)滤波和四阶多项式非线性补偿的改进DOAS算法。搭建了实验测量系统,对5种标准煤样进行了实验研究。结果表明,测量系统的下限为0.014%,能够去除烟尘和背景气体的影响,降低系统的维护量,单次测量时间在4min左右,测量系统的重复性满足国家标准的要求。     

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。     

城市污染气体分布的车载被动差分光学吸收光谱遥测技术研究

介绍了一种基于被动差分光学吸收光谱(differential optical absorption spectroseopy,DOAS)技术探测城市上空污染气体分布的光学遥测方法.采川安装在汽车上的被动DOAS系统对所测城区进行连续测量,通过DOAS拟合方法处理采集的太阳散射光谱,获得测量点上的污染气体柱桁度.同时利用此车载DOAS技术对深圳城区进行了连续六人的观测实验,得到了深圳市上空SO<,2>,NO<,2>的空间分布信息.从脱测结果发现,深圳市西边的污染较东边严重,SO<,2>西边浓度均值约址东边的2.0倍,NO<,2>约为3.6倍.并把柱坝光点测量的乍载DOAS结果与此站点的点式仪器测量结果对比,两种仪器的测镀结果具有相关性,SO<,2>的相关系数R<'2>=0.86,NO<,2>的相关系数R<'2>=0.57.实验结果表明车载DOAS的光学遥测方法为城市污染气体分布快速测量提供了一种有效的手段.     

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。     

目标差分吸收光谱技术测量大气NO2平均浓度的方法研究

介绍了一种测量近地面大气NO₂平均浓度的新方法——目标差分吸收光谱方法,即target DOAS(target difference absorption spectrum technology)。该方法基于被动差分吸收光谱技术,测量墙体、山体等目标的太阳反射光谱,通过差分吸收光谱算法反演得到目标与仪器之间NO₂浓度沿路径的积分值SCD(slant column density),同时仪器到目标之间的距离已知,并通过选取特定的参考光谱扣除目标到大气顶层的痕量气体吸收,最终计算出仪器和目标之间的大气NO₂平均浓度。利用建立的目标DOAS系统在合肥开展了观测实验,成功获取了观测地大气NO₂浓度。观测结果与主动长光程差分吸收光谱仪观测数据进行对比,二者呈现较好的一致性,验证了该方法的可行性。     

傅里叶变换在差分吸收光谱技术气体浓度计算中的应用

在实际测量得到的气体吸收光谱中,发现大多数气体的吸收光谱具有明显的周期性,而傅里叶变换正是用来寻求信号的频率特征。在加窗的条件下,通过对不同气体的吸收光谱进行傅里叶变换,来寻求光谱信号对应的特征频率。在数据分析过程中,发现这样一个规律：在气体吸收光谱经傅里叶变换后的频谱图中,其对应特征频率的幅值与所测的气体浓度成明显的线性对应关系。因此,提出一种新的差分吸收光谱浓度解析方法,即利用气体吸收光谱傅里叶变换后其对应特征频率的幅值与浓度的关系,建立一种浓度反演计算的线性关系式,从而由气体吸收光谱傅里叶变换后特征频率的幅值直接求出气体的浓度。该方法完全摆脱了差分吸收光谱技术的理论基础,大大减少了光谱分析和气体浓度反演计算的过程,是一种值得进一步去探究的光谱分析方法。     

基于微型光纤光谱仪的DOAS系统对大气中NO2,SO2和O3的监测研究

提出了将基于微型光纤光谱仪的DOAS系统用于空气中NO2、O3和SO2的监测,并对系统的性能包括探测器的偏置、暗电流、噪声和线性以及光谱仪的的光谱分辨率和杂散光进行了测试.在2006年3月合肥郊区用该系统对NO2、O3和SO2进行了连续观测,测量结果与购买的商用仪器DOAS2000（美国热电公司）的测量结果具有很好的相关性.结果显示该系统灵敏、简单易操作、并具有高时间分辨率的优点,非常适用于NO2、O3和SO2的连续观测.     

植被氮素浓度高光谱遥感反演研究进展

氮素是植被进行生命活动的必需元素,它在蛋白质、核酸、叶绿素和酶等物质的生物合成中起重要作用,并在植被的光合作用中起到关键作用。植被氮素浓度高光谱遥感反演技术是自20世纪70年代以来的研究热点。近年来随着高光谱遥感技术的发展,可将光谱波段在某一光谱区域进行细分的优势,为与植被氮素相关的光谱特性研究提供了有力的技术手段。结合近几年主要地理科学文献上发表的植被氮素浓度高光谱遥感监测的最新研究成果,介绍了植被氮素浓度高光谱遥感监测的原理及相关问题。从植被氮光谱指数、叶绿素指数的植被氮含量反演、回归模型和反演植被氮浓度影响因素的消除方面,详细介绍了植被氮素浓度高光谱遥感反演这四个方面的主要技术方法,总结分析了研究结论,并讨论了研究发展趋势。