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     

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。     

被动多轴DOAS技术污染气体垂直柱浓度反演方法研究

介绍了基于太阳散射光的多轴被动差分吸收光谱技术与系统及其在大气污染气体垂直柱浓度监测中的应用．实验中利用夫琅和费光谱作为参考光谱,同时将Ring光谱作为一种吸收结构参与拟合去除太阳光谱中的夫琅和费结构和Ring效应对测量结果的影响,并结合辐射传输模型将污染气体斜柱浓度转换为垂直柱浓度,通过“好运北京”奥运限车期间与OMI卫星的对比实验一致得出限车期间NO2有约20％的下降,证实了本方法的可行性．     

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.     

被动多轴DOAS技术污染气体垂直柱浓度反演方法研究

介绍了基于太阳散射光的多轴被动差分吸收光谱技术与系统及其在大气污染气体垂直柱浓度监测中的应用.实验中利用夫琅和费光谱作为参考光谱,同时将Ring光谱作为一种吸收结构参与拟合去除太阳光谱中的夫琅和费结构和Ring效应对测量结果的影响,并结合辐射传输模型将污染气体斜柱浓度转换为垂直柱浓度,通过“好运北京”奥运限车期间与OMI卫星的对比实验一致得出限车期间NO2有约20％的下降,证实了本方法的可行性.     

基于LLE的红外成像彩色化处理算法研究

针对红外图像对比度低、细节较差,且一般是黑白图像,不适宜于人眼观察,提出一种利用局部线性映射方法（LLE）的红外成像彩色化方法。该方法寻求灰度空间到色彩空间的映射,实现红外图像到彩色红外图像的转变,先将目标红外图像和彩色模板图像转换至YUV颜色空间,分离亮度和色彩信息;然后将目标红外图像的每个像素及邻域像素的灰度值串接成矢量,并均匀从彩色模板图像选取部分像素按相同方法串接成矢量,采用欧氏距离搜索最近邻并计算最佳的匹配系数,经色彩值（即U和V分量）计算将模板图像的彩色传递给目标红外图像后搜索亮度最大值的像素邻域并经自动阈值伪彩色编码处理,突出显示重要目标,得到处理后的彩色红外图像。将算法应用于实验室自主开发的热像仪,算法作用后的红外图像不但有了适于人眼视觉的彩色信息,而且用红、黄等敏感色突出了重点热目标,提高了人眼发现和识别目标的速度,实验结果表明,算法有利于侦察人员长时间的目标观察和识别目标。     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

傅里叶变换红外光谱法被动遥测大气中VOC

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对大气中挥发性有机物(VOC)进行了被动遥测实验,提出了在复杂背景下定量遥测污染气体光谱的算法,讨论了被动FTIR的探测极限。这种测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景光谱的情况下得到目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度。     

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.     

傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统被动遥测火焰红外图像

介绍了一种傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统,并用该系统测量了放在平台上的3盏普通实验用酒精灯的火焰红外发射谱,选择位于大气窗口内的波数为900～1 000 cm-1波段,利用普朗克定律,反演出了每条光谱对应的相对温度。实验中每一个光谱对应一个扫描位置即像素点,把这些温度数据通过Matlab软件绘制出了扫描范围内的红外图像。将红外图像叠加在视频图像之上,两者吻合得非常好,清楚地显示了3个火焰的位置。     

在不同空间高度下遥感FTIR定量测定大气中的某些VOCs

应用遥感FTIR在不同高度下,测定大气中的有毒易挥发有机化合物(VOCs)——甲苯,正己烷和丙酮的浓度。并对相同的高度下,测量的精度做了研究。当高度为0.61 m时,所测得的气体的浓度值最大,而当仪器高度为0.36和0.86 m时,测得的浓度则较低。实验结果表明,在不同的高度下VOCs的挥发是不同的。     

FTIR被动遥测信噪比优化及在变电站SF6泄漏检测应用

被动FTIR红外遥测技术可应用于气体泄漏检测,气体检测下限与仪器信噪比密切相关。仪器信噪比与测量参数有关,如光谱分辨率、采样频率、积分时间、平均次数等,如何结合实际应用优化参数组合以实现最佳信噪比,目前还缺少系统分析。针对这一问题,从理论上分析了这些参数与信噪比关系,并归类为三个方面：（1）光谱分辨率,引用了Roland Harig给出的结论,当光谱分辨率低于特征峰半高全宽时,信噪比不变,但为了避免背景气体的交叉干扰,分辨率不宜设置过低,需要结合实际应用综合考虑;（2）降低采样频率能够减少计算量,缩小光谱范围,但采样频率和光谱范围与信噪比无关;（3）在积分时间和光谱平均次数方面,同样时间条件下,多次干涉图采集会引入零光程差的采样误差,使得噪声大于理论计算值,因而长积分时间获得信噪比优于多次平均。开展了六氟化硫（SF₆）泄漏检测实验,根据SF₆特征峰宽度选择4 cm-1分辨率,20 kHz采样频率兼顾了信噪比和检测时间,并利用FTIR巡检系统发现变电站泄漏点,证明了方法的有效性。     

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。     

航空发动机尾气FTIR被动检测

航空发动机尾气排放情况可以反映发动机的燃烧状态,从而可以为发动机视情维修提供依据,同时可以为因尾气排放造成的环境污染分析提供依据,因此,对航空发动机尾气进行检测非常重要。由于传统的航空发动机尾气取样分析不方便,而且无法满足飞机爬升与空中飞行状态下的检测需要,文章将FTIR被动检测技术引入到航空发动机尾气检测中。首先详细介绍了FTIR被动检测原理和被检测气体浓度反演算法模型,接着分析了FTIR被动检测技术用于航空发动机尾气检测的可行性,给出了发动机尾气FTIR被动检测方法,最后利用布鲁克公司生产的Tensor27型FTIR对某航空发动机尾气进行了被动检测,得到了该发动机尾气中主要气体CO和NO的浓度,并与取样分析结果进行了比较,两者结果基本吻合,这表明FTIR被动检测技术满足航空发动机尾气检测要求。     

大气对星载被动微波影响分析研究

被动微波遥感具有全天候工作的能力,但是在不同的大气状态下被动微波遥感受大气的影响不同。为了研究大气对高级微波扫描辐射计AMSR-E (advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)入瞳亮温的影响,分别采用晴空和典型层云大气数据作为微波辐射传输模型的输入,进行大气微波辐射信号的模拟工作并分析大气的影响。结果表明晴空下大气水汽是引起大气辐射的主要因素,晴空条件下大气对典型被动微波传感器低频的(<18.7 GHz)透过率大于0.98,在整个辐射传输过程中可以忽略不计。36.5和89 GHz的大气透过率在晴空下分别为0.896和0.756,在用微波高频通道进行陆表参数反演时需进行大气水汽影响的校正; 云覆盖条件或者阴天情况下云中液态水是引起大气辐射的主要因素,典型层云覆盖下大气的透过率在10.7,18.7和36.5 GHz分别为0.942,0.828和0.605。与晴空相比,由层云中液态水引起的大气下行辐射的增量在36.5 GHz最大达到75.365 K。表明在云覆盖时大气影响的校正过程中云层的影响是校正重点。最后利用大气探空数据计算了内蒙古海拉尔地区2013年夏季7月份的大气透过率,结果显示C、X波段的大气透过率接近1,89 GHz受水汽影响较大,其地球表层大气透过率不超过0.7。在内蒙古海拉尔地区,夏季大气透过率具有较为稳定的值,但是随着局部水汽的变化具有0.1左右的波动。     

FTIR光谱遥测红外药剂的燃烧温度

本文利用遥感FTIR光谱，对红外药剂的燃烧特性进行了研究。在分辨率为4cm^-1时，收集4700－740cm^-1波段的光谱。从HF等燃烧产物发射的分子振转基带精细结构的谱线强度分布，可以对燃烧温度进行遥感测定，并给出了燃烧温度随时间的变化关系，实验结果表明燃烧表面附近温度梯度很大，存在着急剧的变化温度场，同时也说明，在不干扰火焰温度场的情况下，利用遥感FTIR光谱对剧烈的、非稳态快速燃烧的火焰温度进行连续实时的遥感测量，是一种快速、准确、灵敏度高的测温方法，显示了它在燃烧温度测量、产物浓度测试以及燃烧机理研究等方面的应用前景。