張強(qiáng); 謝品華; 徐晉; 李昂; 胡肇琨; 田鑫; 黃業(yè)園; 劉文清;
基于光譜遙測(cè)技術(shù)的煙羽二維分布快速成像研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 40(9):0930002.
01 大氣污染物檢測(cè)
隨著工業(yè)生產(chǎn)的擴(kuò)大,大氣污染物排放加劇,還記得每年秋冬時(shí)節(jié)的霧霾天嗎?大氣污染物,給美麗的天空蒙上了一層陰影,并威脅著每個(gè)人的健康。保護(hù)大氣,迫在眉睫。這些污染物到底是什么?能否對(duì)污染物中的成分進(jìn)行快速檢測(cè)?

答案是可以的。它就是——大氣污染物光譜遙測(cè)技術(shù)。
大氣污染物光譜遙測(cè)技術(shù)因其實(shí)時(shí)、非接觸、多組分同時(shí)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)成為一種能夠快速有效測(cè)量大氣污染物時(shí)空分布的光學(xué)方法,是當(dāng)前國內(nèi)外大氣監(jiān)測(cè)研究中的熱點(diǎn)。其中,基于CCD二維探測(cè)的光譜成像技術(shù),由于其具有高空間分辨率、高光譜分辨率等特點(diǎn),開始應(yīng)用于工業(yè)區(qū)、港口等區(qū)域的煙羽排放遙測(cè)研究。但是,對(duì)于復(fù)雜背景下污染物分布的快速遙測(cè)成像,尤其是受濃煙、障礙物遮擋等情況下的污染物分布的精確遙測(cè),仍是亟需解決的問題。02 污染物二維分布成像遙測(cè)系統(tǒng)
中科院合肥研究院安光所謝品華研究員課題組提出了一種污染物分布遙測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜背景條件下污染物濃度信息的精確提取。
這種方法結(jié)合了被動(dòng)光譜遙測(cè)成像差分吸收光譜技術(shù)和二維插值算法。首先,通過光譜遙測(cè)的方法獲得煙羽區(qū)域污染物濃度信息;其次,結(jié)合紫外、可見雙通道觀測(cè)結(jié)果、煙羽擴(kuò)散模型和曲面三次樣條插值算法對(duì)整個(gè)平面的濃度信息進(jìn)行優(yōu)化;最終獲得高分辨的污染物二維分布圖像信息。
污染物二維分布成像遙測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)方式示意圖如圖1所示。光學(xué)接收單元通過高精度掃描云臺(tái)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的精確掃描觀測(cè),通過“推掃”的方式獲取目標(biāo)區(qū)域的空間光譜信息,再利用差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)反演得到污染物的濃度,結(jié)合紫外、可見雙通道實(shí)現(xiàn)了污染物空間分布的精確探測(cè)。完成1次掃描所需要的時(shí)間小于1 min,可覆蓋光譜范圍290-430 nm,光譜分辨率優(yōu)于0.3 nm。
圖1 污染物二維分布成像遙測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)方式示意圖
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了紫外可見雙鏡頭通道,雙鏡頭采用移軸化設(shè)計(jì),耦合了紫外鏡頭和可見鏡頭實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的雙光路同步掃描,實(shí)現(xiàn)了濃度信息的空間可視化。紫外鏡頭光軸與可見鏡頭的光軸相距10 cm,可在距污染源10 m以上的距離測(cè)量。根據(jù)遙測(cè)目標(biāo)氣體與紫外遙測(cè)系統(tǒng)的距離,將可見區(qū)域的視場(chǎng)裁剪到紫外鏡頭視場(chǎng)的大小,從而完成可見與紫外視場(chǎng)的完全匹配。
為了提高圖像的分辨率,采用能夠提供最優(yōu)線性無偏估計(jì)的Kriging插值。根據(jù)空間分辨率的需求,選擇插入的像素個(gè)數(shù),在保證同等面積范圍內(nèi)污染物濃度相等的條件下,根據(jù)煙羽擴(kuò)散模型和克里金插值對(duì)分解出的每個(gè)像元進(jìn)行濃度插值,示意圖如圖2所示。

圖2 濃度插值示意圖
采用課題組研發(fā)的污染物二維分布成像遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)排放源進(jìn)行觀測(cè),分別在2019年4月和6月對(duì)工業(yè)園區(qū)火炬排口、港口近海船舶排放的煙羽進(jìn)行了掃描測(cè)量,獲得了火炬排口和船舶排放的NO2、SO2二維分布信息,觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 對(duì)工業(yè)園區(qū)火炬排口、港口近海船舶排放的煙羽觀測(cè)結(jié)果
03 后續(xù)工作展望
后續(xù)工作將進(jìn)一步優(yōu)化雙光路系統(tǒng),提高復(fù)雜背景下的光譜探測(cè)靈敏度,優(yōu)化圖形處理流程,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的時(shí)間和空間分辨率。
延伸閱讀:
1、王汝雯, 謝品華, 徐晉, 等. 基于近紅外差分吸收光譜技術(shù)的大氣中水汽柱濃度反演[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 39(2): 0201001.
4、闞瑞峰, 夏暉暉, 許振宇, 等. 激光吸收光譜流場(chǎng)診斷技術(shù)應(yīng)用研究與進(jìn)展[J].中國激光, 2018, 45(9):0911005.
5、胡順星, 陳亞峰, 劉秋武, 等. 差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)背景大氣SO2和NO2[J]. 中國激光, 2018, 45(9):0911009.
6、聶偉, 闞瑞峰, 楊晨光, 等. 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 中國激光, 2018, 45(9):0911001.
7、張雅琪, 王飛, 崔海濱. 基于固定波長(zhǎng)法吸收光譜技術(shù)的CO2溫度測(cè)量[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2019, 56(19):193001.
原文鏈接:《利用光譜遙測(cè)技術(shù)對(duì)煙羽快速成像 》
免責(zé)聲明:
網(wǎng)站內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng),由網(wǎng)絡(luò)編輯負(fù)責(zé)審查,目的在于傳遞信息,提供專業(yè)服務(wù),不代表本網(wǎng)站平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如因內(nèi)容、版權(quán)問題存在異議的,請(qǐng)與我們?nèi)〉寐?lián)系,我們將協(xié)調(diào)給予處理(按照法規(guī)支付稿費(fèi)或刪除),聯(lián)系方式:ahos@aiofm.ac.cn 。網(wǎng)站平臺(tái)將加強(qiáng)監(jiān)控與審核,一旦發(fā)現(xiàn)違反規(guī)定的內(nèi)容,按國家法規(guī)處理,處理時(shí)間不超過24小時(shí)。