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.     

QCLAS在JLMPGF6.5发动机CO体积分数测量中的应用

为了精确测量吸收光谱，并尽量减小温度与湍流波动对光谱测量结果的影响，采用谱线模拟仿真模拟和20kHz高频扫描的方法，选取中红外基频跃迁带内低温度敏感性谱线P(10)，进行了理论分析和实验验证，取得了发动机CO吸收光谱及其体积分数随时间变化的数据，变化范围为(153±123)×10-6。结果表明，P支谱线扫描范围内可降低48.28%目标气体温度变化对体积分数反演的影响。该方案能够为发动机尾气CO激光遥感测量提供一个高速、精准、实时的监测方案。     

原子法拉第效应器件稳频与鉴频测速的多普勒激光雷达

利用FADOF透射频谱曲线稳定而又可调谐的特点,设计了一种测速多普勒激光雷达,一方面用其对发射激光稳频,同时用同种原子的FADOF对回波光鉴频,使发射激光频率和鉴频曲线建立了相对稳定的关系,可有利于提高测速精度。试验系统采用Cs原子FADOF,在-40~+40m/s的测速范围内,测速误差为±0.74m/s。     

基于氧分子O2(a1Δg)O19P18发射谱线的平流层、中间层大气风场星载探测可行性探讨

提出并分析了以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O_2(a~1Δ_g,υ′=0)→O_2(X~3Σ_g,υ″=0)带的辐射传输模型,并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好,能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求,进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例,对以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析,结果表明40～70km高度范围内视线风速测量精度优于5m/s;适当放宽风速反演精度情况下,探测范围能够向40km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.     

星载长波红外测风干涉仪的热漂移效应

星载长波红外气辉成像干涉仪可实现对临近空间平流层区域大气风场信息的遥感观测。然而,长波红外对温度更加敏感,因此会给干涉仪引入更多的误差来源。鉴于此,借鉴平流层风场干涉仪（Stratospheric Wind Interferometer for Transport,SWIFT）的设计参数,在临边观测正演仿真的基础上,开展了关键部件的相位热漂移研究及背景辐射的热不稳定分析,给出了仪器温度变化引起的风场误差,提出了通过校准泡对光程差相位的监测减小测风误差的方案。不确定度分析表明,如果SWIFT仪器关键部件的温度变化率控制在10-3 K/s,Michelson干涉仪和F-P滤光片因热漂移产生的测风误差分别为37 m/s和20 m/s。当校准泡对光程差相位的监测精度达到10-3 rad时,热漂移引入的误差可降至1 m/s以内。该研究将为星载全天时临近空间长波红外测风干涉仪的设计及研制提供重要的理论指导。     

O3辐射源星载干涉仪测风不确定度分析

星载气辉成像干涉仪采用临边观测模式,可以获取全球范围内大气风场的空间分布信息及时间演化信息,是国际卫星遥感领域的研究热点。基于O3辐射源的Michelson星载成像干涉仪在红外波段工作,能够全天时探测平流层区域的大气风场,却存在更为复杂的测风不确定度。鉴于此,在临边观测正演仿真的基础上,开展了仪器热背景辐射研究及测量噪声分析,给出了大气信号测量噪声及仪器热背景噪声引起的大气风场速度误差数值,并通过表观量仿真及信噪比分析,得到了视向风的误差廓线。不确定度分析表明,基于O3辐射源的Michelson成像干涉仪在星载条件下可全天时探测15~45 km范围内的大气风场,反演精度优于1~2 m/s。该研究为基于红外辐射源的大气风场测量提供了重要的理论指导。同时对红外Michelson成像干涉仪的研制具有重大的工程意义和实践价值。     

火山SO2排放速率反演

SO₂紫外相机因在时间分辨率、空间分辨率、探测灵敏度以及探测精度等诸多方面均具有显著优势而成功应用于火山活动监测及其动力学研究。为解决紫外相机反演SO₂排放速率容易受烟羽湍流及图像低对比度影响等问题,提出了融入神经网络的光流算法。首先,基于大气紫外辐射传输特性,阐述了SO₂紫外相机的工作机理及SO₂浓度图像的反演方法;其次,将神经网络融入光流算法,实现了火山烟羽图像中SO₂排放速率的精确反演;最后,与传统光流法进行对比,论证了神经网络光流算法的科学性及优越性与精确性。实验结果表明：在图像低对比度及烟羽湍流效应的双重影响下,神经网络光流法可以把边缘反演的误差从94%降低至5%,显著提高了SO₂排放速率反演的精确性。     

基于O2分子1.27 μm气辉反演临近空间温度廓线的新方法

1.27 μm波段O₂（a¹?_g）气辉的辐射强度高、自吸收效应弱,是反演临近空间大气温度的理想目标源。基于O₂分子气辉光谱理论以及“剥洋葱”算法,利用扫描成像大气吸收光谱仪（SCIAMACHY）的近红外临边观测数据,成功反演50~100 km区域的大气温度廓线。与SABER、ACE-FTS及激光雷达的观测结果对比表明,在55~85 km的切线高度范围内温度测量误差优于±10 K,而在55 km以下与85 km以上空间区域,由于受到自吸收效应、大气散射以及OH气辉的光谱污染等干扰,温度反演结果出现显著偏差。     

O3辐射源Michelson测风成像干涉仪临边观测正演仿真

以O_3在8.823μm波段的辐射为探测源,通过干涉仪获取其精细光谱的多普勒频移反演,是平流层风场探测的重要途径。鉴于此,通过对O_3临边辐射光谱特性进行分析,确定了最佳的目标谱线;利用三级红外Fabry-Perot标准具联合滤光,实现了目标谱线的提取;通过建立Michelson干涉仪数值模型,得到了临边观测情况下白天及夜间工作时的四步进干涉图像;通过误差分析,论证了15～45km范围内,白天及晚上的视向风测量误差均在1～2m/s范围内。因此,以O_3辐射为探测源的Michelson干涉仪可以实现平流层风场的全球全天时探测。