污染气体扫描成像红外被动遥测技术研究.pdf

第32卷,第7期光谱学与光谱分析 ,,pp17541757
2012 年 7 月 SpectroscopyandSpectralAnalysis July,2012
污染气体扫描成像红外被动遥测技术研究
焦洋,徐亮,高闽光,冯明春,金岭,童晶晶,李胜
中国科学院环境光学与技术重点实验室,中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥 230031
摘要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***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***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。
关键词 FTIR;被动遥测;伪彩色;浓度分布图
中图分类号: 文献标识码:A 犇犗犐:.10000593(2012)07175404
过率,犅犻为等效于Ⅰ层温度的黑体辐射亮度,犔犻-1为前一层
引言的辐射亮度,ρ犻为Ⅰ层中所有物质的散射贡献。
突发性污染事故的危害日趋增大,例如化工厂爆炸污
染、自然灾害、恐怖事件和战争均可能使得有毒有害污染物
向大气排放。而传统的现场采样检测方式无法满足事故处置
部门对污染现场的快速定性和定量的远程遥测的需求。傅里
叶变换红外光谱具有非接触、高响应速度、高灵敏度和高分
辨率的特征,并且可应用于大气污染物被动遥测[1],因此犉犻犵1 犜犺犲犿狌犾狋犻狆犾犪狔犲狉犿狅犱犲犾狅犳狆犪狊狊犻狏犲狉犲犿狅狋犲
FTIR被动遥测装置配合二维扫描系统、数据采集处理软件,
首先可实现对污染气团不同部位的定性定量分析,进而将浓
度反演结果与位置分布参数结合,期望最终获得以伪彩***
像的方式实时直观显示的污染分布图。
1 辐射模型犉犻犵2 犜犺狉犲犲犾犪狔犲狉犿狅犱犲犾狅犳狆犪狊狊犻狏犲狉犲犿狅狋犲
对大气中污染物的被动遥测是基于对大气中各种分子的
而对于水平或低仰角测量,可采用简化的三层模型,如
红外吸收和辐射特性的分析。分析模型可将大气假设为多匀
图2。第三层为背景层,第二层为目标气体层,第一层为大
质层,如图1所示,每一匀质层对红外探测器贡献的光谱辐气层,光谱仪测得的辐射量包含了这三层的辐射特征。第
射亮度为自身光谱辐射亮度与前一层的光谱辐射亮度之和, 一、二层在物理和化学特质上都看做匀质层。该模型中光谱
考虑到匀质层中目标物质、干扰物、大气的透过率及散射,
仪接收孔径范围内接收到的辐射亮度如式(2)
总的光谱辐射亮度可表示为
犔1 = (1-τ1)犅1 +τ1[(1-τ2)犅2 +τ2犔3] (2)
犔犻= (1-τaτbτc)犅犻+τaτbτc犔犻-1 + 犻(1)
ρ式中τ犻为第犻层的透过率,犅犻为具有第犻层温度的黑体所发