污染源气体分布的紫外可见成像技术研究

发布时间：2020-11-09 16:24

　　 近年来突发大气污染事件频发,危害范围广、程度深,已经对人们身体健康和生产造成了严重影响,及时掌握污染物排放的动态分布、扩散态势对快速、有效进行污染控制是十分重要的。目前对污染源排放监测主要采用在线采样方式,难以获得污染气体分布、扩散情况。光谱成像测量技术作为一种光学遥测手段,能够对污染气体区域分布进行定性、定量遥测,已经用于地基、机载等平台,成为大气监测领域的一个热门发展方向,而目前能够针对污染物分布快速成像又经济可行的技术还十分缺乏。本文针对污染源排放大气污染物快速成像的迫切需求,开展了污染气体分布紫外-可见非色散快速成像技术研究,构建了基于滤光片分光的紫外-可见非色散系统,结合面阵探测器(CCD)全帧成像,并通过定量分析技术获取污染气体二维分布图。重点研究了污染气体浓度二维分布定量解析方法、成像系统响应一致性修正方法、结合被动差分吸收光谱(DOAS)技术的系统现场实时标定方法,实现了对污染源烟羽SO2、NO2分布的高时间分辨率全帧成像。1)研究了基于滤光片作为分光元器件、结合面阵CCD探测器的污染气体浓度二维分布定量解析方法。采用理论数值模拟开展了成像系统(成像镜头、滤光片等)参数仿真模拟优化研究,结合响应因子、线性关系、检测下限和准确性测试实验迭代优化系统参数,使得成像系统的性能最佳。2)针对成像系统准确获取污染气体柱浓度二维分布的需求,研究了采用标准样气、数值模拟及耦合实测数据(多轴DOAS、CEMS)的系统标定方法,结合外场对比实验优化了系统标定方法。3)设计并构建了一套基于滤光片分光的紫外-可见非色散快速成像实验系统,实现了对源排放的快速全帧成像(秒级)。在实验室对已知柱浓度的标准气体进行成像测量验证系统性能,相对误差小于2%。4)开展了各类污染源(淮南某电厂、安庆船厂以及铜陵钢厂)的外场观测实验。获得了烟羽中的SO2、NO2柱浓度二维分布及排放通量,并与高斯烟羽模型模拟结果对比,验证了成像系统外场应用的可靠性。本文研究表明,紫外-可见非色散快速成像技术作为一种光学遥测手段能够提供污染气体排放或泄漏点的位置、排放量、扩散态势以及大气污染评估等方面的信息,具有可视化、高时空分辨率且低成本等诸多优势,在各类污染源(固定、移动等)排放、散乱污企业筛查及突发大气污染事故应急监测中具有广泛的应用前景。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X831;TN23
【部分图文】：

?第一章绪论???源还是自然光源，可以将其分为主动式成像系统和被动式成像系统。不管是何种??成像系统，都离不开以下三种［１４］最基本的成像方式：??（１）摆扫式成像：为了确定每个像素的光谱，需要按照特定的顺序依次扫??描图片场景中的所有像素，称该扫描方式为摆扫式成像，见图１．１。??—?［＼?１??——－＼??（?＇、．＇、、?＼＼??／??＼??、＼＼?＼??＾?＼＼￣??丨丨?—??Ｉ?＾??图１．１摆扫式成像??鉴于这种成像方法必须对所有的像素单独扫描，所以这种成像方式本身非常??缓慢。??（２）推扫式成像：对图片场景中的列像素按序扫描，即在此方法中同一列??像素同时扫描，不同列像素按序扫描。称这种扫描方式为推扫式成像，见图１．２。??＼?、?，??Ｎ?＼??■?、—；－??、?Ｖ??—ｍ?ｖＴ?????、、＼??■?兔??图１．２推扫式成像??由于图片中每列像素的信息同时采集，因此要求几百列像素的信息按序测??量。由此可知该方法仅需要一维扫描，扫描的机械装置相对简化。这种成像方法??的速度从理论上而言，比摆扫式成像方法快。实际应用时，由于目标对象被分割??成不同的列区域进行依次成像，所以这种成像方式并不比“摆扫式”成像方法快。??（３）全“直成像：在这种成像方式中，对整个图片场景对应的像素按“直??３??

?第一章绪论???源还是自然光源，可以将其分为主动式成像系统和被动式成像系统。不管是何种??成像系统，都离不开以下三种［１４］最基本的成像方式：??（１）摆扫式成像：为了确定每个像素的光谱，需要按照特定的顺序依次扫??描图片场景中的所有像素，称该扫描方式为摆扫式成像，见图１．１。??—?［＼?１??——－＼??（?＇、．＇、、?＼＼??／??＼??、＼＼?＼??＾?＼＼￣??丨丨?—??Ｉ?＾??图１．１摆扫式成像??鉴于这种成像方法必须对所有的像素单独扫描，所以这种成像方式本身非常??缓慢。??（２）推扫式成像：对图片场景中的列像素按序扫描，即在此方法中同一列??像素同时扫描，不同列像素按序扫描。称这种扫描方式为推扫式成像，见图１．２。??＼?、?，??Ｎ?＼??■?、—；－??、?Ｖ??—ｍ?ｖＴ?????、、＼??■?兔??图１．２推扫式成像??由于图片中每列像素的信息同时采集，因此要求几百列像素的信息按序测??量。由此可知该方法仅需要一维扫描，扫描的机械装置相对简化。这种成像方法??的速度从理论上而言，比摆扫式成像方法快。实际应用时，由于目标对象被分割??成不同的列区域进行依次成像，所以这种成像方式并不比“摆扫式”成像方法快。??（３）全“直成像：在这种成像方式中，对整个图片场景对应的像素按“直??３??

?第一章绪论???同时采集光谱信息，该成像方式见图１．３。??Ｆ￣１??＝ｅｅ＾＝＝５??Ｌ?Ｖ＂．?Ｉ＾ＪＴ??—＿?巧一?／??—＿?＾?１???＾?」——￣、、／￣￣??Ｉ?燊??图１．３．帧成像方式??原理上该成像方法依据探测阵列决定每个像素的光谱，但实际上利用成像系??统探测器前面的波长选择器（例如滤光片）采集连续的图片确定光谱信息。由于??整幅图像场景中所有的像素同时采集光谱信息，因此这种成像方式的时间分辨率??高，无需扫描装置，成像系统便携。??可以将以上三种最基本的成像方式与色散、非色散分光元器件联合使用，再??结合自然光源或者人造光源，理论上存在大量的、可用的成像技术。目前较常用??的四种成像技术总结如下：??（１）色散型光谱成像技术??以太阳光、月光、星光等为光源的色散型光谱成像技术，如成像差分吸收光??谱技术（ＩＤＯＡＳ），根据选择的测量波段及对应的探测器，分为红外和紫外成像??差分吸收光谱技术。该成像技术结合［１５］了成像技术和光谱技术的优点：具有良??好的空间分辨率和优秀的光谱分辨率，ＩＤＯＡＳ的结果是三维信息，其中包括二??维的空间信息以及第三维的光谱信息。该成像技术多基于推扫式成像方式，因此??时间分辨率普遍偏低。鉴于这个原因，成像光谱仪器既需要成像光学装置，也需??要光学分光装置，至少还需要一个扫描装置。ＩＤＯＡＳ技术自身的优点是：能同??时测量多种痕量气体，能研究烟羽的扩散和烟羽内部的化学转换；不需要外在的??校准装置或者校准算法，可以直接计算出辐射传输的影响并进行修正。如今??ＩＤＯＡＳ已经成功用于多种平台：星载平台［１６，１７］、机载平台［１８
【参考文献】

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本文编号：2876680