机载FTIR被动遥测大气痕量气体

介绍了以各种地物为背景的机载傅里叶变换红外光谱法(FTIR)被动遥测大气中痕量气体飞行测量试验,讨论了相应的被动下视遥测技术,复杂背景下大气痕量气体红外特征光谱信息获取方法和浓度反演算法模型,定量分析了飞行试验区域内高度1 000 m以下边界层内大气中痕量气体CO和N₂O的平均浓度。这种遥测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景辐射光谱的情况下对大尺度区域内大气痕量气体进行快速、机动遥感遥测,以及突发性大气污染事故的应急监测。     

FTIR被动遥测热烟羽中污染气体

文章介绍和讨论了傅里叶变换红外光谱法(FTIR)在大气环境下被动遥测热烟羽中污染气体的原理及相关技术;提出了辐射光谱、测量区域内大气透过率谱的算法模型,以及应用非线性最小二乘拟合算法实现气体浓度反演的方法。实际遥测了工厂燃煤锅炉烟囱排放的污染气体,对SO₂和CO₂气体浓度进行了定量分析。实验结果表明该技术在工业烟囱及其他燃烧源污染排放的应急监测方面具有极大的应用前景。     

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。     

被动遥测光谱仪仪器响应函数的实验测定研究

被动遥测光谱技术在目标光谱探测、大气痕量气体监测等方面都有广泛的应用.为了得到准确和高灵敏度的遥测光谱测试数据,被动遥测光谱设备必须首先进行响应函数的测量,以消除仪器本身热量对测量数据的影响.利用标准高温黑体对BLUKER TENSOR 37型被动式FTIR光谱仪仪器响应函数进行了测定,得到了该型仪器在不同温度区间MCT探测器和InSb探测器仪器的响应函数和背景函数.实验发现MCT探测器响应函数随温度升高而增加,而InSb探测器则相反,随温度升高略有减小.背景函数不仅与背景相关,还与温度相关.MCT探测器背景函数随温度的升高而减小,而InSb探测器则相反,随温度升高而增加.     

MALT-CLS方法在大气痕量气体FTIR定量分析中的应用

对MALT-CLS方法在大气痕量气体FTIR定量分析中的应用进行了研究,介绍了一些定量分析的实验,如长光程怀特池、机载被动遥测。该方法的特点是其校准光谱是采用MALT程序通过计算HITRAN数据库中吸收线参数、环境参数和仪器参数而得到。它尤其适用于无法采用样品池来产生校准光谱的长光程开放光路和以太阳、天空、地物为背景的被动FTIR测量。     

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。     

被动式OP-FTIR的新近发展

被动式OP-FTIR是一种开路FTIR技术,它具有OP-FTIR的所有优点,而且在缺乏背景信息的情况下,有对准任意方向收集数据的能力,是一种可移动、快速的遥测手段。文中给出了被动式OP-FTIR在高海拔大气污染物测量、有毒气体自动识别、热耗气体测量(包括飞行器尾气测量、烟囱释放化学烟羽测量和遥测火山发射物)、温度及燃烧产物的测量(包括云层温度测量)及军事上等几个方面的新近应用。随着FTIR和计算机技术的不断发展,被动式OP-FTIR将在环境监测、航空航天、发动机排放、燃烧和军事等方面,有着非常广阔的应用前景。     

基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波检测

被动傅里叶变换红外(FTIR)扫描遥测成像系统采集的红外高光谱图像具有空间、光谱等维度信息,可被用于大气环境中有毒有害气体的识别、定量及可视化。该系统具有光谱分辨率高、非接触式及远距离探测等优点,然而其单帧图像的像元数量少且部分存在气体吸收或发射特征,无法直接用于红外高光谱图像的目标检测。提出了基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波(AMF)检测方法,以短时间内、同一区域的多帧红外高光谱图像为基础,筛选出无目标气体特征的背景光谱并计算探测区域的背景最大似然估计,应用于后续帧的目标气体泄漏检测。红外高光谱图像来自于SF₆气体的遥测实验,共扫描四帧（120像元/帧）,去除前三帧内含有目标气体特征的像元光谱,剩余背景光谱被用于计算背景的最大似然估计,第四帧红外高光谱图像逐像元对SF₆气体进行的AMF检测,并与非线性最小二乘法反演的SF₆柱浓度图像比对,结果表明AMF检测高值与柱浓度高值有较强的相关性。为验证多帧背景在不同空间检测方法下的性能,分别对该帧数据进行了基于正交子空间的自适应子空间检测(ASD)、基于混合空间的自适应余弦检测(ACE)及基于斜子空间的最大似然比检测(OGLRT),并分别与SF₆柱浓度图像比对,结果表明多帧背景适用于不同空间的检测方法。此外,为验证存在目标气体吸收特征的非背景光谱对背景空间的影响,向背景空间中加入多条含有SF₆气体吸收特征的光谱,通过ROC曲线检验,结果表明背景空间中混入目标气体特征会降低AMF方法的检测性能。AMF检测值的假彩色图像也能应用于被动FTIR扫描遥测成像系统,相较于柱浓度假彩色图像,泄漏源及扩散趋势更为明显。基于红外高光谱图像的检测方法依赖于整体背景的统计特性,相较于单像元光谱波段的反演算法,极大地降低了背景的依赖性。多帧背景下的AMF泄漏气体检测方法能很好地应用于被动FTIR扫描遥测成像系统上并满足在线监测要求。     

航空发动机尾气的FTIR被动遥感

针对航空发动机排放尾气传统的插入式采样分析技术难度大、设备结构复杂、测量成本高、具有一定危险等缺点,将快速、机动、低成本的非插入式测量方法——被动式傅里叶变换红外光谱(FTIR)遥感技术引入到航空发动机尾气监测当中。讨论了FTIR被动遥感的原理,介绍了FTIR光谱仪系统的仪器响应函数、红外辐射光谱能量分布以及气体浓度的算法模型。利用TENSOR27型FTIR光谱仪遥测某航空发动机排放尾气,获得一系列不同推力下红外发射单通道光谱图。通过对红外发射光谱的定性定量分析,计算出四种不同推力下CO₂,CO和NO的气体组分浓度。利用遥感FTIR方法监测航空发动机排放气体组分浓度的研究在国内航空领域尚处于探索阶段,试验中航空发动机的排放发射光谱及计算结果是首次公开发表。实验同时也表明该技术在航空发动机尾气监测方面具有极大的应用前景。     

基于锁相放大的被动红外信号处理方法研究

被动红外气体遥测系统具有成本低、体积小、便于扩展等优点。利用窄带滤光片进行被动红外气体探测时,为抑制信号漂移和背景噪声干扰,需要对信号进行调制、滤波和锁相处理。系统接收的测量信号受斩光器辐射的影响较大,需要对测量过程进行辐射建模分析。本文研究了基于锁相放大的被动红外探测辐射模型,提出了在锁相放大算法后添加相位判断的信号处理方法;设计并搭建了被动式气体多光谱探测系统,在实验室对系统进行定标,并开展了不同温度黑体的测量实验。结果表明:实际测量的各通道辐射值与所建模型的结果比较吻合。本研究为基于锁相放大的被动红外信号提供了模型基础和实验验证,并为便携式近距离气体遥测系统的研制提供了参考。     

遥感FTIR在大气环境监测中的新发展

遥感傅里叶变换红外光谱(RS-FTIR)是当前大气环境监测中的一种重要手段,它具有灵敏度高,选择性好,不需取样和样品的预处理,能够同时监测多种化合物,能提供远距离实时自动监测的优点,适用于大气有毒易挥发有机化合物(VOCs)的定性、定量测定和遥感实时动态监测。文章综述了南京理工大学现代光谱研究室近几年来在RS-FTIR大气环境监测领域的研究进展,包括化学计量学,计算机层析(CT),FTIR谱图解析,大气污染物空间浓度分布监测,被动式遥感监测等方面的最新研究成果。这些研究成果充分表明,遥感FTIR技术的快速发展和应用,促进了分析化学在时空上的延伸,在大气环境监测领域中必将有更广泛的应用前景。     

基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下,对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论.用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究.首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线,根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求,利用辐射传输理论和最简单的三层模型,仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差?L,然后对?L进一步差值得到信号?2Lt,同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值,得到实际情况下的信号值?2Lt;最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式,使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度.每种大气模式下探测限浓度的不同,是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致,同时还与生物气溶胶的吸收系数有关.研究表明,FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在,进一步说明探测生物气溶胶的可行性,也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.     

Retrieval algorithm of quantitative analysis of passive Fourier transform infrared （FTRD） remote sensing measurements of chemical gas cloud from measuring the transmissivity by passive remote Fourier transform infrared

Passive Fourier transform infrared （FTIR） remote sensing measurement of chemical gas cloud is a vital technology. It takes an important part in many fields for the detection of released gases. The principle of concentration measurement is based on the Beer-Lambert law. Unlike the active measurement, for the passive remote sensing, in most cases, the difference between the temperature of the gas cloud and the brightness temperature of the background is usually a few kelvins. The gas cloud emission is almost equal to the background emission, thereby the emission of the gas cloud cannot be ignored. The concentration retrieval algorithm is quite different from the active measurement. In this paper, the concentration retrieval algorithm for the passive FTIR remote measurement of gas cloud is presented in detail, which involves radiative transfer model, radiometric calibration, absorption coefficient calculation, et al. The background spectrum has a broad feature, which is a slowly varying function of frequency. In this paper, the background spectrum is fitted with a polynomial by using the Levenberg-Marquardt method which is a kind of nonlinear least squares fitting algorithm. No background spectra are required. Thus, this method allows mobile, real-time and fast measurements of gas clouds.     

污染气体扫描成像红外被动遥测系统实时数据处理研究

使用红外被动遥测技术可实现污染气体的远程监控和预警. 该技术应用过程中, 获取背景辐射是进行定量解析的关键, 在已有的应用中, 多采用同条件测量法和上风口测量方法获取背景光谱和环境光谱, 但这些方法均需要提前或者同时测量无目标物的背景光谱, 难以在实际应用中满足快速响应的需求. 本文基于红外辐射传输模型分析, 通过研究在800–1200 cm^-1波段内的实测光谱中同时包含目标、背景和环境辐射的基本原理, 采用了一种不需要事先测量背景的目标特征的背景光谱实时提取算法, 通过将该方法应用于自主研制的污染气体扫描成像红外被动遥测系统, 以六氟化硫为示踪气体, 开展了遥测验证实验. 将获取的浓度数据与应用同条件测量法获取的数据进行了比较, 结果显示两者的相关系数平方值达到0.99, 表明该方法切实可行, 可有效提高系统的响应速度和适用范围. 关键词： 傅里叶变换红外光谱 被动遥测 实时光谱提取算法     

污染气体扫描成像红外被动遥测技术研究

傅里叶变换红外光谱技术可实现大气中污染气体的远程被动遥测。而污染气团的位置和分布,对于有害气体泄露情况下泄露位置勘查和污染扩散态势的评估来说是至关重要的。据此设计了一套红外被动成像遥测系统,系统由傅里叶变换光谱仪、数据采集处理软件、扫描系统、可见光成像系统和计算机组成。以六氟化硫为示踪气体,开展了遥测验证实验。通过非线性最小二乘算法结合辐射传输计算反演获得了目标气体的柱浓度,并用伪彩色图显示其分布情况,最后以可见光图像叠加伪彩色柱浓度分布图的形式显示结果。实验分析表明,该系统具有高探测灵敏度,并以可视化和定量的方式显示污染的空间分布情况。     

差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染

传统热红外遥感探测水面溢油污染时需要大面积洁净水域与污染水域进行辐射对比,并且通过红外影像无法鉴别溢油种类。为了能够及时了解某一水域的溢油污染程度以及溢油的种类,文章提出了差分偏振FTIR光谱法探测水面溢油污染。该方法通过获取分析目标在水平和垂直两个偏振方向的偏振强度差谱对目标实现探测,具有很好的时效性。文章分析了差分偏振FTIR光谱探测的辐射传输模型,并在室外对水面0号柴油油膜和SF96油膜进行了差分偏振FTIR光谱探测实验。实验结果表明该方法不需要大面积洁净水域进行辐射对比即可直接对水面溢油污染物进行探测,并且通过分析差分偏振FTIR光谱中的光谱特征可以识别水面溢油的种类。该方法弥补了传统热红外遥感探测水面溢油污染的局限性。