利用光谱遥测技术对烟羽快速成像

封面文章| 封面故事:张强;谢品华;徐晋;李昂;胡肇琨;田鑫;黄业园;刘文清; 基于光谱遥测技术的烟羽二维分布快速成像研究[J].光学学报, 2020, 40(9):0930002.

随着工业生产的扩大，大气污染物排放加剧，还记得每年秋冬时节的雾霾天吗？大气污染物，给美丽的天空蒙上了一层阴影，并威胁着每个人的健康。保护大气，迫在眉睫。这些污染物到底是什么？能否对污染物中的成分进行快速检测？

答案是可以的。它就是——大气污染物光谱遥测技术。

大气污染物光谱遥测技术因其实时、非接触、多组分同时测量等优势成为一种能够快速有效测量大气污染物时空分布的光学方法，是当前国内外大气监测研究中的热点。其中，基于CCD二维探测的光谱成像技术，由于其具有高空间分辨率、高光谱分辨率等特点，开始应用于工业区、港口等区域的烟羽排放遥测研究。但是，对于复杂背景下污染物分布的快速遥测成像，尤其是受浓烟、障碍物遮挡等情况下的污染物分布的精确遥测，仍是亟需解决的问题。

中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所谢品华研究员课题组提出了一种污染物分布遥测方法，实现了对复杂背景条件下污染物浓度信息的精确提取。

这种方法结合了被动光谱遥测成像差分吸收光谱技术和二维插值算法。首先，通过光谱遥测的方法获得烟羽区域污染物浓度信息；其次，结合紫外、可见双通道观测结果、烟羽扩散模型和曲面三次样条插值算法对整个平面的浓度信息进行优化；最终获得高分辨的污染物二维分布图像信息。

污染物二维分布成像遥测系统观测方式示意图如图1所示。光学接收单元通过高精度扫描云台系统驱动实现对目标区域的精确扫描观测，通过“推扫”的方式获取目标区域的空间光谱信息，再利用差分光学吸收光谱技术反演得到污染物的浓度，结合紫外、可见双通道实现了污染物空间分布的精确探测。完成1次扫描所需要的时间小于1 min，可覆盖光谱范围290-430 nm，光谱分辨率优于0.3 nm。

图1 污染物二维分布成像遥测系统观测方式示意图

系统设计了紫外可见双镜头通道，双镜头采用移轴化设计，耦合了紫外镜头和可见镜头实现对目标区域的双光路同步扫描，实现了浓度信息的空间可视化。紫外镜头光轴与可见镜头的光轴相距10 cm，可在距污染源10 m以上的距离测量。根据遥测目标气体与紫外遥测系统的距离，将可见区域的视场裁剪到紫外镜头视场的大小，从而完成可见与紫外视场的完全匹配。

为了提高图像的分辨率，采用能够提供最优线性无偏估计的Kriging插值。根据空间分辨率的需求，选择插入的像素个数，在保证同等面积范围内污染物浓度相等的条件下，根据烟羽扩散模型和克里金插值对分解出的每个像元进行浓度插值，示意图如图2所示。

图2浓度插值示意图

采用课题组研发的污染物二维分布成像遥测系统对重点排放源进行观测，分别在2019年4月和6月对工业园区火炬排口、港口近海船舶排放的烟羽进行了扫描测量，获得了火炬排口和船舶排放的NO2、SO2二维分布信息，观测结果如图3所示。

图3 对工业园区火炬排口、港口近海船舶排放的烟羽观测结果

后续工作将进一步优化双光路系统，提高复杂背景下的光谱探测灵敏度，优化图形处理流程，进一步提高系统的时间和空间分辨率。

延伸阅读：

[1] 王汝雯, 谢品华, 徐晋, 等. 基于近红外差分吸收光谱技术的大气中水汽柱浓度反演[J]. 光学学报, 2019, 39(2): 0201001.

[2] 刘文清, 陈臻懿, 刘建国, 等. 环境监测领域中光谱学技术进展[J].光学学报, 2020, 40(5):0500001.

[3] 杨东上, 曾议, 奚亮, 等. 基于机载与便携式车载DOAS同步观测的污染源NOx排放通量分析及研究[J]. 光学学报, 2020, 40(5):0501002.

[4] 阚瑞峰, 夏晖晖, 许振宇, 等. 激光吸收光谱流场诊断技术应用研究与进展[J].中国激光, 2018, 45(9):0911005.

[5] 胡顺星, 陈亚峰, 刘秋武, 等. 差分吸收激光雷达系统探测背景大气SO2和NO2[J]. 中国激光, 2018, 45(9):0911009.

[6] 聂伟, 阚瑞峰, 杨晨光, 等. 可调谐二极管激光吸收光谱技术应用研究进展[J]. 中国激光, 2018, 45(9):0911001.

[7] 张雅琪, 王飞, 崔海滨. 基于固定波长法吸收光谱技术的CO2温度测量[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(19):193001.