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(shù)作為一種光學遙測手段,能夠?qū)ξ廴練怏w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(lǐng)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(shù)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(shù)研究,構(gòu)建了基于濾光片分光的紫外-可見非色散系統(tǒng),結(jié)合面陣探測器(CCD)全幀成像,并通過定量分析技術(shù)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(yīng)一致性修正方法、結(jié)合被動差分吸收光譜(DOAS)技術(shù)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(jié)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(jié)合響應(yīng)因子、線性關(guān)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(jié)合外場對比實驗優(yōu)化了系統(tǒng)標定方法。3)設(shè)計并構(gòu)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(jié)果對比,驗證了成像系統(tǒng)外場應(yīng)用的可靠性。本文研究表明,紫外-可見非色散快速成像技術(shù)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(yīng)急監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。
【學位單位】：中國科學技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(shù)。目前較常用??的四種成像技術(shù)總結(jié)如下：??（１）色散型光譜成像技術(shù)??以太陽光、月光、星光等為光源的色散型光譜成像技術(shù)，如成像差分吸收光??譜技術(shù)（ＩＤＯＡＳ），根據(jù)選擇的測量波段及對應(yīng)的探測器，分為紅外和紫外成像??差分吸收光譜技術(shù)。該成像技術(shù)結(jié)合［１５］了成像技術(shù)和光譜技術(shù)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(jié)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)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