污染氣體掃描成像紅外被動遙測系統實時數據處理研究?

焦洋 徐亮 高閩光 金嶺 童晶晶 李勝 魏秀麗

(中國科學院安徽光學精密機械研究所,中國科學院環境光學與技術重點實驗室,合肥 230031)

(2012年12月14日收到;2013年3月23日收到修改稿)

1 引言

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)遙測技術是近年來迅速發展起來的一種綜合性探測技術,因其無須采集樣品、高靈敏度和高分辨率而廣泛應用在污染氣體遠程定量探測中[1],該技術主要分為主動和被此其動具兩有種機方動式、[2]快,被速動和遙易測操不作需等人特工點紅,并外且光遙源測,因距離更長.傅里葉變換紅外光譜被動遙測技術主要應用于地基太陽光譜FTIR測量[3,4]、熱煙羽和化學蒸氣云團的FTIR被動測量[5,6].突發性氣體污染事件[7].應用傅里葉紅外被動遙測方法時,獲取背景光譜是進行污染物特征提取和定量解析的前提.但是被動遙感中探測的是目標氣體自身以及周圍環境背景的紅外輻射,其背景的扣除方法較為復雜,目前有多種方法可供使用.Theriault等[8]使用測量同條件下無污染氣體的背景光譜的方法,該方法實現簡單,但是時效性較低,無法達到需求中快速響應的目的;Dennis[9]和Wayne等[10]分別利用中分辨率大氣輻射傳輸模式(MODTRAN)和逐線計算的大氣傳輸軟件(FASCODE)根據測量環境模擬生成了背景輻射光譜,該方法雖然避免了對無污染背景的實測,但僅能模擬低仰角下的天空背景,適用范圍較小.高閩光等[11]采用測量熱煙羽上風口背景光譜的方法,該方法需要背景測量具有和污染氣體測量盡量接近的時間和區域.本文采用了一種從測量光譜中實時提取光譜的算法,可以從對污染氣體的測量光譜中實時提取出背景光譜和目標區域大氣輻射亮度光譜,實現了對污染氣體的實時被動遙測,并將濃度反演結果與位置分布參數結合,最終獲得以偽彩色圖像的方式實時直觀顯示的污染分布圖,拓展了遙測系統的適用范圍.

2 原理及算法

2.1 基本測量原理

紅外探測器視場內的大氣,在視場的徑向路徑上可看做多層均質層,見圖1.

每一層在局部熱力學平衡的條件下都接收到前一層的輻射并對下一層輸出輻射,則第i層輸出的光譜輻射亮度Li可表示為[12]

式中τi為第i層的大氣透過率,Bi為等于i層溫度的黑體輻射亮度,Li+1為前一層輸出的光譜輻射亮度,由(1)式可見每層的輸出包含了自身的輻射和前一層的輻射貢獻.在使用FTIR方法對污染物進行被動遙測時,考慮到污染物與一般大氣輻射特性的不同,可將多層模型簡化為三層輻射模型,如圖2.

圖1 被動遙測多層模型

圖2 被動遙測三層模型

圖2 中第三層為遠處背景(天空、大地、植被、建筑物)的輻射L3,第二層為目標區域污染層大氣的輻射L2,第二層透過率為τ2,第一層為目標區域到探測器之間的大氣輻射L1,第一層透過率為τ1.

根據輻射原理,如果用L3表示作為背景的第三層輻射亮度,則由(1)式可得第二層的輻射亮度為

同理,通過第一層大氣傳遞給探測器的最終輻射亮度可表示為

聯立(2),(3)兩式,可推導出關鍵參數污染層大氣的透過率τ2的表達式為

在該模型中,假設第二層中污染物為均勻分布,當第二層與周邊環境處于熱平衡時有B=B1=B2,實際測量時選取的波段內第一層大氣的透過率τ1≈1,由以上兩個條件(4)式可簡化為

至此,從(5)式中可看出要計算出透過率,需要獲得L1,B和L3,其中探測器最終接收到的輻射亮度L1可由探測器測出相對輻射量后經定標修正后獲得,等于待測區域溫度的黑體輻射亮度B和背景輻射亮度L3的獲得則有多種方法.計算出透過率后即可通過濃度反演算法反演目標區域污染氣體的柱濃度.

2.2 等于目標氣體層溫度的黑體輻射亮度B和背景輻射亮度L3的獲取

目前較為常用的一種方法是在假定熱平衡的條件下,L3和B可分別由測量同條件下的背景輻射亮度和測量室溫下的黑體輻射亮度獲得,對被動式FTIR測量而言,只有當測量到的目標氣體輻射的等效輻射溫度與背景光譜等效輻射溫度之差大于儀器的光譜噪聲等效溫差(NEΔT)時,才能定性定量的遙測大氣中的待測污染物.等效輻射溫度由普朗克公式給出：

式中h為普朗克常數,c為光速,k為玻爾茲曼常數,ν為波數表示的輻射頻率.這種方法的優勢在于數據處理簡單,所需數據均通過實測獲得.在前期研究發表的文獻[13]中正是基于此方法獲得了較為滿意的數據.但是在實際應用中,很多情況下沒有條件單獨測量背景輻射亮度和室溫下的黑體輻射亮度,這時就需要有一個不依賴前期輻射測量的數據處理方法.

本文采用的方法正是一種從測量光譜L1中實時提取背景輻射亮度光譜和等于目標氣體層溫度的黑體輻射亮度光譜的算法.在800—1200 cm-1波段大氣透過率很高,可看作透明.同時很多自然背景例如建筑物外墻、森林植被等在該波段都具有一個較高且幾乎不變的發射率,所以背景在測量光譜的亮溫譜中表現為一個恒定的基線,由該基線所對應的輻射亮溫即為背景溫度,因此可用與該溫度相同的黑體輻射亮度光譜來模擬背景光譜L3.對于長度大于100 m的測量光程,在650—690 cm-1波段附近由于CO2的吸收累積效應,大氣可看作是不透明的,因此在這個波段的光譜對應的亮溫譜上的最低溫度可認為僅由待測區域目標大氣溫度貢獻,同溫度的黑體輻射亮度即為B.

獲得透過率光譜后,可以使用Beer-Lambert定律對其進行反演獲取污染氣體的柱濃度[14].反演的基本原理是通過多次迭代運算,使得透過率光譜與通過標準數據庫計算出的光譜之間有最小的均方差,表達式為

其中τ′(v)為多次迭代后計算出的透過率光譜,τ(v)為根據測量結果計算出的透過率光譜.(7)式成立時所采用的柱濃度參數即為反演結果.

3 實驗裝置

實驗系統如圖3所示,掃描成像式紅外被動遙測系統由FTIR光譜儀、卡塞格倫式望遠鏡、CCD攝像頭,掃描系統和數據采集處理系統構成.系統凝視視場由卡式望遠鏡確定,望遠鏡口徑230 mm視場角為8 mrad;FTIR光譜儀光譜分辨率設置為4 cm-1,采集波段設置為4000—600 cm-1,探測器為液氮制冷型MCT探測器,可見光背景圖由CCD攝像頭采集,攝像頭采用1/3英寸CCD感光面,15倍光學變焦;掃描系統由旋轉臺和俯仰臺構成;數據采集處理系統軟件控制掃描機構運轉,并連接光譜儀和攝像頭實時采集光譜數據和可見光視場圖像,進行分析計算最終反演出視場范圍內的目標氣體濃度分布圖.

圖3 (a)掃描成像式紅外被動遙測系統 1,卡塞格倫式望遠鏡;2,CCD攝像頭;3,FTIR光譜儀;4,掃描機構;(b)系統結構圖

4 實驗結果與討論

探測背景為285 m遠處的環境背景,背景中包含建筑物和植被,目標氣體為壓力容器中釋放的六氟化硫氣體,掃描點數為9×4共36個.首先在實驗室中對儀器進行定標,獲取定標參數.根據實測大氣環境溫度11.5°C測量了該溫度下的黑體輻射光譜,目標氣體釋放前測量了背景輻射光譜.目標氣體在位于探測器280 m遠處釋放.計算了目標區域六氟化硫氣體的透過率譜,最后利用非線性最小二乘法反演透過率譜獲得目標區域六氟化硫氣體的柱濃度.

4.1 實驗儀器定標

使用HFY-302B型號黑體為黑體輻射源對FTIR光譜儀進行了定標,在黑體溫度為5°C,15°C測量了輻射譜,并根據黑體輻射普朗克公式計算出上述溫度的理論輻射譜,以10°C時測量的光譜為待校準光譜s(υ),根據兩點定標法[15]對待校準光譜進行修正,最后計算了理論譜線和修正后的校準譜線之間的殘差,結果見圖4.

由圖4可知,校準譜和理論譜符合得很好,兩者的殘差譜在長波和短波段都非常平穩,且遠小于系統的噪聲等效輻射亮度,說明該定標方法能較好地對待校準光譜進行定標,為下一步準確獲得透過率譜提供了必要條件.

圖4 (a)使用兩點法對20°C定標的理論譜和校準譜;(b)(a)圖中理論譜和校準譜的殘差譜

4.2 獲取待測區域污染氣體透過率譜并進行濃度反演

通過對實測光譜進行定標后,為了提取背景輻射亮度光譜和等于目標氣體層溫度的黑體輻射亮度,在600—1200 cm-1波段對每一點通過普朗克輻射公式反推輻射亮溫,式中v的單位為cm-1：

某掃描點測得光譜經定標后利用(8)式計算出的輻射亮溫譜如圖5所示,在650—690 cm-1波段可見明顯的CO2吸收,該段最低輻射亮溫為284 K,在800—1200 cm-1波段有最高輻射亮溫304.5 K,其中在950 cm-1波段附近可見明顯的六氟化硫特征吸收.因此分別取溫度為284 K和304.5 K的黑體輻射亮度曲線作為等于目標大氣溫度的黑體輻射亮度光譜和背景輻射亮度光譜,見圖6.

根據由(4)式簡化獲得的(5)式可計算出目標區域六氟化硫氣體的透過率光譜,針對簡化的兩個前提條件需要說明的是：1)當目標氣體與周圍環境未達到熱平衡時,文中實時提取等于目標氣體層溫度的黑體輻射亮度光譜算法不再適用,此時可通過分析目標氣體分子轉動振動光譜結構特征獲取其溫度值并反演出所需光譜,這部分研究將在后續工作中開展;2)使用MODTRAN計算了實驗環境下的大氣透過率譜,計算條件為高度10 m,水平傳輸距離285 m,溫度11°C,計算結果表明在800—1200 cm-1波段透過率非常均勻,濃度反演波段均值為0.98,標準差為0.027,根據比爾定律估算出此時取透過率近似為1對濃度反演結果影響小于1%.

圖5 測量光譜的亮溫譜和相應最高和最低溫度的黑體亮溫譜

圖6 測量的輻射亮度光譜,用最高和最低亮溫黑體輻射亮度光譜生成的背景輻射亮度光譜和等于目標氣體層溫度的黑體輻射亮度光譜

在圖7中950 cm-1波段附近可見明顯的六氟化硫特征吸收峰.使用非線性最小二乘法對該透過率光譜在900—1000 cm-1波段內進行濃度反演計算,經過10次迭代后獲得擬合譜與實測光譜的最小均方差,其值為2.1%,濃度反演結果為10.2 ppm/m.圖7為透過率譜、反演后獲得的擬合譜及殘差譜,如圖所見殘差值較小,擬合結果與測量光譜吻合良好.表1為行方向9個探元、點列方向6個探元形成共36個測量點,根據測量結果反演后獲得的濃度數據列表,單位為ppm/m.

圖7 透過率譜、反演計算后的擬合譜和兩者的殘差譜

圖8 所示為紅外被動掃描獲得的原始濃度數據分布偽彩色圖與背景圖像的融合圖,以及對原始數據進行3次雙線性插值后做出的融合圖.從圖8(a)和(b)的對比效果可見,若探測器視場角不足夠小的情況下,對原始數據進行插值后再做出的偽彩色圖可提高圖中污染氣體的分布態勢可見性.圖中紅色表示較高柱濃度,藍色表示較低柱濃度,色度表見圖右側.該融合圖將柱濃度數據以可視化方式呈現在可見光背景圖中,能夠非常清晰直觀地獲知目標氣體濃度分布態勢.圖中可見目標氣體自視場左側向右下側擴散,符合測試現場風向條件及目標氣體密度大于空氣的特征,同時壓力容器釋放口可見較高目標氣體柱濃度.由此表明該系統應用于氣態污染物分布態勢遙測方面有良好的直觀性.

為了驗證該算法的有效性,將使用該方法獲取的數據與前期工作所得數據進行了比較.在前期工作中采用了將同條件下的測量的背景輻射亮度和測量環境溫度下的黑體輻射亮度光譜作為L3和B的方法,本文通過實時提取算法獲得的氣體層溫度284 K,與當時實測環境溫度284.5 K結果較為接近,但稍偏低,我們認為是由于系統誤差導致.圖9為濃度反演波段實測的背景光譜與實時算法提取出的背景光譜,兩條光譜的線性相關系數平方值為0.99,說明在濃度反演波段實時提取背景光譜的算法可以有效取代對背景光譜的實測.

表1 反演后獲得的濃度數據表(單位ppm/m)

圖8 濃度分布偽彩色圖與背景圖像的融合圖,色度表值為0.01到119.25 (a)原始數據圖;(b)插值圖

圖9 實時光譜提取算法提取出的背景輻射亮度光譜和同條件下實測的背景輻射亮度光譜

圖10 使用實時提取光譜算法反演出的濃度值CL1與使用實測背景光譜反演出的濃度值CL2的線性比較圖

將濃度反演算法獲得的各掃描點柱濃度數據與前期工作所得柱濃度數據做逐點線性比較,如圖10橫坐標為使用實測光譜方法反演獲得的各點柱濃度CL1,縱坐標為使用實時提取光譜算法獲得的各點柱濃度CL2,兩者線性相關系數平方值達到0.99.

5 結論

以上討論表明,應用污染氣體掃描成像紅外遙測系統中的實時光譜提取算法可實時提取背景輻射亮度光譜和目標區域大氣輻射亮度光譜,提取出的背景光譜與實測背景光譜在濃度反演波段相關系數平方值達到0.99,提取出的目標區域大氣光譜的輻射亮溫與實測溫度差距小于1 K,最終濃度反演值數據列與實測光譜方法獲取的數據列相關系數平方值達到0.99.這種方法不需要實時測量背景,在熱平衡條件下,利用二層輻射傳輸假設,使得系統在測量中直接獲取背景溫度,從而提高了污染氣體掃描成像紅外被動遙測系統的響應速度和適用范圍,在突發性氣態污染事件快速應對方面有廣泛應用前景.

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