發(fā)布時間：2020-11-09 16:24

　　 近年來突發(fā)大氣污染事件頻發(fā),危害范圍廣、程度深,已經(jīng)對人們身體健康和生產(chǎn)造成了嚴重影響,及時掌握污染物排放的動態(tài)分布、擴散態(tài)勢對快速、有效進行污染控制是十分重要的。目前對污染源排放監(jiān)測主要采用在線采樣方式,難以獲得污染氣體分布、擴散情況。光譜成像測量技術作為一種光學遙測手段,能夠對污染氣體區(qū)域分布進行定性、定量遙測,已經(jīng)用于地基、機載等平臺,成為大氣監(jiān)測領域的一個熱門發(fā)展方向,而目前能夠針對污染物分布快速成像又經(jīng)濟可行的技術還十分缺乏。本文針對污染源排放大氣污染物快速成像的迫切需求,開展了污染氣體分布紫外-可見非色散快速成像技術研究,構建了基于濾光片分光的紫外-可見非色散系統(tǒng),結合面陣探測器(CCD)全幀成像,并通過定量分析技術獲取污染氣體二維分布圖。重點研究了污染氣體濃度二維分布定量解析方法、成像系統(tǒng)響應一致性修正方法、結合被動差分吸收光譜(DOAS)技術的系統(tǒng)現(xiàn)場實時標定方法,實現(xiàn)了對污染源煙羽SO2、NO2分布的高時間分辨率全幀成像。1)研究了基于濾光片作為分光元器件、結合面陣CCD探測器的污染氣體濃度二維分布定量解析方法。采用理論數(shù)值模擬開展了成像系統(tǒng)(成像鏡頭、濾光片等)參數(shù)仿真模擬優(yōu)化研究,結合響應因子、線性關系、檢測下限和準確性測試實驗迭代優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),使得成像系統(tǒng)的性能最佳。2)針對成像系統(tǒng)準確獲取污染氣體柱濃度二維分布的需求,研究了采用標準樣氣、數(shù)值模擬及耦合實測數(shù)據(jù)(多軸DOAS、CEMS)的系統(tǒng)標定方法,結合外場對比實驗優(yōu)化了系統(tǒng)標定方法。3)設計并構建了一套基于濾光片分光的紫外-可見非色散快速成像實驗系統(tǒng),實現(xiàn)了對源排放的快速全幀成像(秒級)。在實驗室對已知柱濃度的標準氣體進行成像測量驗證系統(tǒng)性能,相對誤差小于2%。4)開展了各類污染源(淮南某電廠、安慶船廠以及銅陵鋼廠)的外場觀測實驗。獲得了煙羽中的SO2、NO2柱濃度二維分布及排放通量,并與高斯煙羽模型模擬結果對比,驗證了成像系統(tǒng)外場應用的可靠性。本文研究表明,紫外-可見非色散快速成像技術作為一種光學遙測手段能夠提供污染氣體排放或泄漏點的位置、排放量、擴散態(tài)勢以及大氣污染評估等方面的信息,具有可視化、高時空分辨率且低成本等諸多優(yōu)勢,在各類污染源(固定、移動等)排放、散亂污企業(yè)篩查及突發(fā)大氣污染事故應急監(jiān)測中具有廣泛的應用前景。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：X831;TN23
【部分圖文】：

?第一章緒論???源還是自然光源，可以將其分為主動式成像系統(tǒng)和被動式成像系統(tǒng)。不管是何種??成像系統(tǒng)，都離不開以下三種［１４］最基本的成像方式：??（１）擺掃式成像：為了確定每個像素的光譜，需要按照特定的順序依次掃??描圖片場景中的所有像素，稱該掃描方式為擺掃式成像，見圖１．１。??—?［＼?１??——－＼??（?＇、．＇、、?＼＼??／??＼??、＼＼?＼??＾?＼＼￣??丨丨?—??Ｉ?＾??圖１．１擺掃式成像??鑒于這種成像方法必須對所有的像素單獨掃描，所以這種成像方式本身非常??緩慢。??（２）推掃式成像：對圖片場景中的列像素按序掃描，即在此方法中同一列??像素同時掃描，不同列像素按序掃描。稱這種掃描方式為推掃式成像，見圖１．２。??＼?、?，??Ｎ?＼??■?、—；－??、?Ｖ??—ｍ?ｖＴ?????、、＼??■?兔??圖１．２推掃式成像??由于圖片中每列像素的信息同時采集，因此要求幾百列像素的信息按序測??量。由此可知該方法僅需要一維掃描，掃描的機械裝置相對簡化。這種成像方法??的速度從理論上而言，比擺掃式成像方法快。實際應用時，由于目標對象被分割??成不同的列區(qū)域進行依次成像，所以這種成像方式并不比“擺掃式”成像方法快。??（３）全“直成像：在這種成像方式中，對整個圖片場景對應的像素按“直??３??

?第一章緒論???源還是自然光源，可以將其分為主動式成像系統(tǒng)和被動式成像系統(tǒng)。不管是何種??成像系統(tǒng)，都離不開以下三種［１４］最基本的成像方式：??（１）擺掃式成像：為了確定每個像素的光譜，需要按照特定的順序依次掃??描圖片場景中的所有像素，稱該掃描方式為擺掃式成像，見圖１．１。??—?［＼?１??——－＼??（?＇、．＇、、?＼＼??／??＼??、＼＼?＼??＾?＼＼￣??丨丨?—??Ｉ?＾??圖１．１擺掃式成像??鑒于這種成像方法必須對所有的像素單獨掃描，所以這種成像方式本身非常??緩慢。??（２）推掃式成像：對圖片場景中的列像素按序掃描，即在此方法中同一列??像素同時掃描，不同列像素按序掃描。稱這種掃描方式為推掃式成像，見圖１．２。??＼?、?，??Ｎ?＼??■?、—；－??、?Ｖ??—ｍ?ｖＴ?????、、＼??■?兔??圖１．２推掃式成像??由于圖片中每列像素的信息同時采集，因此要求幾百列像素的信息按序測??量。由此可知該方法僅需要一維掃描，掃描的機械裝置相對簡化。這種成像方法??的速度從理論上而言，比擺掃式成像方法快。實際應用時，由于目標對象被分割??成不同的列區(qū)域進行依次成像，所以這種成像方式并不比“擺掃式”成像方法快。??（３）全“直成像：在這種成像方式中，對整個圖片場景對應的像素按“直??３??

?第一章緒論???同時采集光譜信息，該成像方式見圖１．３。??Ｆ￣１??＝ｅｅ＾＝＝５??Ｌ?Ｖ＂．?Ｉ＾ＪＴ??—＿?巧一?／??—＿?＾?１???＾?」——￣、、／￣￣??Ｉ?燊??圖１．３．幀成像方式??原理上該成像方法依據(jù)探測陣列決定每個像素的光譜，但實際上利用成像系??統(tǒng)探測器前面的波長選擇器（例如濾光片）采集連續(xù)的圖片確定光譜信息。由于??整幅圖像場景中所有的像素同時采集光譜信息，因此這種成像方式的時間分辨率??高，無需掃描裝置，成像系統(tǒng)便攜。??可以將以上三種最基本的成像方式與色散、非色散分光元器件聯(lián)合使用，再??結合自然光源或者人造光源，理論上存在大量的、可用的成像技術。目前較常用??的四種成像技術總結如下：??（１）色散型光譜成像技術??以太陽光、月光、星光等為光源的色散型光譜成像技術，如成像差分吸收光??譜技術（ＩＤＯＡＳ），根據(jù)選擇的測量波段及對應的探測器，分為紅外和紫外成像??差分吸收光譜技術。該成像技術結合［１５］了成像技術和光譜技術的優(yōu)點：具有良??好的空間分辨率和優(yōu)秀的光譜分辨率，ＩＤＯＡＳ的結果是三維信息，其中包括二??維的空間信息以及第三維的光譜信息。該成像技術多基于推掃式成像方式，因此??時間分辨率普遍偏低。鑒于這個原因，成像光譜儀器既需要成像光學裝置，也需??要光學分光裝置，至少還需要一個掃描裝置。ＩＤＯＡＳ技術自身的優(yōu)點是：能同??時測量多種痕量氣體，能研究煙羽的擴散和煙羽內(nèi)部的化學轉換；不需要外在的??校準裝置或者校準算法，可以直接計算出輻射傳輸?shù)挠绊懖⑦M行修正。如今??ＩＤＯＡＳ已經(jīng)成功用于多種平臺：星載平臺［１６，１７］、機載平臺［１８
【參考文獻】

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本文編號：2876680