胡運優(yōu) 徐亮 沈先春 束勝全 徐睆垚 鄧亞頌 徐寒揚 劉建國 劉文清

1)(中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院,安徽光學精密機械研究所,中國科學院環(huán)境光學與技術重點實驗室,合肥 230031)

2)(中國科學技術大學,合肥 230026)

天空向下熱紅外輻射具有隨時空變化而變化的特性,當掃描傅里葉變換紅外遙測成像系統(tǒng)以天空為背景對目標氣云進行成像掃描時,各掃描像素對應的背景輻射差異較大且沒有恒定的基線,因而影響目標氣云透過率的精確反演.針對這類問題,提出了基于大氣廓線合成背景的目標氣云透過率反演方法,首先采用實測地點的溫度、濕度、壓強和臭氧廓線及大氣模式生成天空紅外背景,以解決化工園區(qū)內(nèi)難以實時測量純凈天空紅外背景譜的問題,其次驗證了天空紅外背景與天頂角余弦逐波數(shù)存在連續(xù)可導的關系,使得少量具有天頂角梯度的天空紅外背景即可快速插值生成任意仰角位置的天空紅外背景譜.本文以中分辨率大氣輻射傳輸模型(MODTRAN)軟件仿真和SF6 氣體的遙測成像實驗進行了方法驗證,所提方法可以快速生成梯度仰角內(nèi)任意角度對應的天空紅外背景譜,準確反演出各掃描像素的目標氣云透過率,反演得到的SF6 柱濃度氣云分布與實際分布一致,相關性達到0.99979.

1 引言

掃描傅里葉變換紅外(FTIR)遙測成像技術[1?3]是具有空間和光譜維度探測能力的一種新型氣體成像技術,它具有遠距離、非接觸式采樣、高靈敏度和高分辨率等優(yōu)點,對于化工園區(qū)定點360 度覆蓋式氣體泄漏常態(tài)化監(jiān)測具有極大的應用價值.掃描FTIR 遙測成像技術在對場景目標成像過程中,由于儀器架設位置和目標監(jiān)測區(qū)域的高度等因素,經(jīng)常出現(xiàn)掃描像素對應的紅外背景來自天空輻射,天空紅外背景具有冷空特性,且各種大氣分子具有程輻射累積特征[4],因此與近地面的被測目標成分有較大的溫差,也使得從實測天空紅外輻射中提取目標特征的難度加大.

在掃描FTIR 遙測成像系統(tǒng)對目標的常態(tài)化監(jiān)測過程中,獲取背景光譜是對目標氣體特征提取、識別和定量分析[5?7]的前提條件,目前有多種背景提取方法可供參考或應用.Theriault[8]提出了測量同等條件下干凈背景譜的方法,該方法簡單有效,但在復雜場景下的實用性和實時性低.Flanigan[9]和Evans等[10]分別采用中分辨率大氣輻射傳輸模型(MODTRAN)和快速大氣信息程序(FASCODE)并結(jié)合測量環(huán)境模擬生成了背景光譜,該方法可確保仿真背景的純凈性,但僅能模擬低仰角下的天空背景且實時性低.高閩光等[11]提出了測量熱煙羽上風口背景譜的方法,該方法對時間和空間臨近要求很高.Harig等[12,13]認為被測氣體特征是線性疊加在背景光譜上的,通過目標、干擾物和背景基線擬合測量譜來提取氣體特征,這種方法的時間復雜度低,具有良好的實時性,但標準光譜僅能夠仿真設定的大氣狀態(tài)和觀測參數(shù).焦洋等[2]通過實測光譜實時提取背景的方法反演被測污染氣體透過率,該方法只適用于低平天空或?qū)Φ赜^測.Li等[14]使用ECMWF 廓線[15]計算低仰角(小于35°)下各種大氣條件的光譜特征,利用Lasso 算法[16]進行快速特征優(yōu)選,選擇最優(yōu)目標與背景組合重構(gòu)測量光譜,以提取目標特征,該方法實時性較高,然而相比于短時間臨近區(qū)域的實測背景依然存在較大差異,此外還需要建立包含各類場景的背景庫.上述背景提取算法對于單點測量或小范圍內(nèi)探測具有良好的效果,然而對于具有復雜工業(yè)環(huán)境、大范圍成像監(jiān)測等情況[17]適用程度低.

在復雜的化工園區(qū)和大范圍成像監(jiān)測前提條件下,本文提出了基于大氣廓線合成背景的目標氣云透過率反演方法,開展了天空紅外背景輻射與天頂角余弦關系的研究,通過實測地點的溫度、濕度、壓強和臭氧廓線及大氣模式預先生成隨天頂角梯度變化的少量天空紅外背景輻射,隨后通過逐波數(shù)插值生成掃描陣列中各個像素的紅外背景譜,反演各掃描像素的目標透過率.對于難以測得純凈的天空背景輻射與具有實時性需求等情況下,本研究可以確保實測氣云的柱濃度分布趨勢不會受到破壞,為化工園區(qū)氣體泄漏成像監(jiān)測提供了技術支撐.

2 基本原理

2.1 基本測量原理

掃描FTIR 遙測成像系統(tǒng)在對場景目標氣云成像的過程中,由于存在儀器架設位置較低和目標監(jiān)測區(qū)域較高等因素,系統(tǒng)的入瞳輻射亮度由大氣輻射、目標氣云紅外特征和天空背景輻射組成.圖1是天空場景下目標氣云被動遙測3 層輻射傳輸模型示意圖[4,18].

圖1 天空場景下的3 層輻射傳輸模型Fig.1.Three-layer radiative transfer model under sky background.

來自第3 層的天空背景輻射為

其中L3為第3 層的總輻射.在3 層輻射傳輸模型中,散射的貢獻可以忽略不計,FTIR 光譜儀的入瞳輻亮度L1可表示為

式中Bi為第i層對應溫度的黑體輻射亮度,τAi為第i層的大氣透過率,τT2為目標氣體云團透過率.一般情況下,氣體云團高度不超過50 m,因此大氣層溫度(T1)、目標氣云層(T2)和背景層溫度(Tbl)近似相等,可令T1T2Tbl,則B1B2Bbl,其中bl 為邊界層.(2)式可簡寫為

將第1 層和第2 層的大氣透過率合并為τA,并將(3)式化簡可得氣體云團透過率為

為計算目標氣云的透過率,需要獲取氣體云團不存在時的背景光譜,(4)式可以改寫為

式中,ε為發(fā)射率,C11.191×10-12W·cm-2·sr-1為第一輻射常數(shù),C21.4388 K·cm為第二輻射常數(shù),ν為波數(shù)(cm–1).

然而,在氣體泄漏的常態(tài)化監(jiān)測過程中,無法獲取到目標氣云后邊界到測量系統(tǒng)之間的距離,一般情況下遙測距離不超過1 km,大氣吸收較弱,因此(4)式改可寫為

進行全面規(guī)劃，應充分考慮長遠利益與當前利益，積極推進省內(nèi)重點水利工程建設，適時推動鄱陽湖水利樞紐工程建設；持續(xù)推進大型灌區(qū)續(xù)建配套工程，加強建設和改造中小型灌區(qū)，加快排灌泵站更新改造，不斷完善灌溉排澇系統(tǒng)；[2，3]大力開展縣級以上城市防洪排澇體系建設，以及山洪災害防治、中小河流治理和鄱陽湖蓄滯洪區(qū)安全建設，從而提高設防中心城市防洪標準。

式中,Lbg為天空背景輻射,混合透過率(τmix)是目標氣云透射比與大氣透射比的乘積.由(7)式可知,為計算混合透過率只需要獲取邊界層大氣溫度和天空背景輻射.

2.2 天空向下熱紅外輻射傳輸基礎

在平面平行大氣中,忽略散射的情況下,熱紅外輻射傳輸方程如下:

式中,μ為天頂角(θ)余弦,δ為光學厚度,Tδ是光學厚度為δ對應層的溫度,Iv(δ,μ)為單色光輻射亮度,Bv(Tδ)為輻射源函數(shù).在晴空大氣條件下,以地面觀測為基準,假定大氣頂?shù)募t外輻射強度為0,則到達探測器上的天空向下熱紅外輻射為

式中,δ*為大氣層總光學厚度.通過分析(9)式可知,在大氣層總光學厚度不變的前提下,天空向下熱紅外輻射與天頂角余弦有關,(9)式中與天頂角余弦相關部分如下:

式中,τv為單色透射比.(10)式部分在μ∈(0,1)定義域內(nèi)具有連續(xù)可導的特性,因此,(2)式相對于天頂角余弦也具有該特性.

2.3 天空背景輻射生成

8—14 μm 波段是大氣紅外窗口,也是氣體分子的指紋區(qū),在該波段內(nèi),到達地面探測器上的向下紅外輻射受到大氣分子、云、氣溶膠粒子等物質(zhì)的散射和吸收作用的影響[19].水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等大氣分子是斜程測量路徑上的主要吸收氣體,該波段內(nèi)由于氣體紅外吸收而引起的大氣總透射率是由這些氣體透過率的乘積組成.水汽在該波段產(chǎn)生連續(xù)吸收,在大氣中的含量也隨時間和空間的變化而變化.二氧化碳的含量低且變化較小,因而對到達地面探測器的向下紅外輻射的變化不大.大氣中臭氧含量很少,它主要位于離地面10—40 km 高度,特別是集中在20—30 km 高度上,因此在水平仰角下,臭氧的吸收作用可以忽略不計,但在斜程測量過程中需要考慮.在大氣中甲烷含量很低,且吸收中心位于8—14 μm 波段之外,在氣體被動遙測中可以忽略不計.此外,在8—14 μm波段內(nèi),紅外輻射與方位角無關,在固定測量區(qū)域,相同天頂角下,向下紅外輻射與水汽含量之間存在近似的線性關系[4].綜上考慮,溫度廓線與濕度廓線是紅外向下輻射需要考慮的首要因素.MODT RAN[18,20]提供了6 種通用大氣模式及用戶自定義大氣模式,表1 為MODTRAN 所含有的6 種標準大氣模式與下邊界層溫度,圖2 為MODTRAN中6 種標準大氣模式下的溫度廓線.通用大氣模式分為34 層,各層均包含壓強、溫度和12 種氣體分子的濃度(水汽(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、氮氧化物(N2O,NO和NO2)、氨(NH3)、氧氣(O2)、二氧化硫(SO2)和硝酸(HNO3))等數(shù)據(jù).如果選用自定義大氣模式,需要獲取大氣的溫濕壓廓線等作為輸入?yún)?shù),因為這些參數(shù)隨時間、空間變化較大,而其他氣體分子在全球分布均勻且隨時空變化較小,這些分子的廓線在各個大氣模式中是近乎一致的.

表1 MODTRAN 大氣模式Table 1.Atmospheric models of MODTRAN.

圖2 MODTRAN 中6 種大氣模式的溫度廓線Fig.2.Temperature profiles of six atmospheric models in MODTRAN.

氣體被動遙測時,很多情況需要低仰角觀測,觀測背景為低平天空時,觀測數(shù)據(jù)與近地面的大氣狀態(tài)相關,隨著測量仰角的增高,實測光譜受冷空背景的影響越來越大,不同天頂角下大氣溫度、濕度變化明顯.歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供了三維大氣狀態(tài)參數(shù)(0.25°×0.25°的空間分辨率,1 h 的時間分辨率),該三維大氣參數(shù)部分字段如表2 所列,將該數(shù)據(jù)輸入到MODTRAN 的用戶自定義模式即可仿真得到實測場景不同天頂角下的背景輻射光譜.

表2 ECMWF 部分數(shù)據(jù)字段Table 2.Some data fields of ECMWF.

2.4 天空背景輻射與天頂角余弦關系的仿真分析

圖3 在800.4976 cm–1 處的輻射亮度隨天頂角余弦值的變化Fig.3.Variation of radiance at 800.4976 cm–1 with the cosine of zenith angle.

圖4 78.5°天頂角下的仿真譜與生成譜(插值生成譜進行了平移)Fig.4.Simulated spectrum and the generated spectrum with a zenith angle of 78.5°(the interpolation generated spectrum has been shifted).

圖5 78.5°天頂角下的仿真譜與生成譜的差譜Fig.5.Difference spectrum between the simulated spectrum and the generated spectrum at a zenith angle of 78.5°.

通過預先仿真得到與各梯度天頂角相對應的輻射亮度曲線,通過插值方式得到84.5°,78.5°,71.5°和64.5°下的生成譜,并與同天頂角下的仿真譜,計算差譜,得到均方根如表3 所列,其中Nan代表數(shù)據(jù)為空.通常來說,如果信號高于噪聲RMS的5 倍,誤警率則低至1/500000[18,20].從表3 可知,插值生成的背景譜與仿真背景譜之間的差異很小,低于儀器自身的噪聲等效輻射亮度(NESR),可用于仿真背景的替代品.

表3 插值生成譜與仿真譜的均方根(單位:10–10 W/(cm2·sr·cm1))Table 3.Root mean square error between the generated spectrum by interpolation and the simulated spectrum(unit:10–10 W/(cm2·sr·cm1)).

3 實驗系統(tǒng)及遙測放氣實驗

3.1 實驗系統(tǒng)

掃描FTIR 遙測成像系統(tǒng)(圖6)由FTIR 干涉儀、反射式望遠鏡、工業(yè)相機、2 自由度(2-DOF)云臺、GPS、九軸陀螺儀、干涉圖數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)及臺式電腦等部件組成.該光譜儀的光譜范圍為600—1800 cm–1,最大光譜分辨率為1 cm–1,采集4 cm–1光譜的掃描速率為10 spectra/s.反射式望遠鏡的最大探測距離為5 km,視場為7.5 mrad.掃描云臺的角分辨率為0.01°,可掃描范圍為360°×60°.

圖6 掃描FTIR 遙測成像系統(tǒng)與測試場景Fig.6.Scanning FTIR remote sensing imaging system and test scene.

掃描FTIR 遙測成像系統(tǒng)可以測量立體氣云的二維投影,系統(tǒng)根據(jù)用戶預設的采樣陣列,利用紅外光譜儀對監(jiān)測空間進行掃描和可視化.每個像素的輻射光譜由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集并傳輸?shù)接嬎銠C進行成分識別、半定量分析和可視化.

3.2 實驗過程

為驗證天頂角余弦與天空紅外背景光譜之間逐波數(shù)連續(xù)可導的關系,分析基于實測地點溫濕壓廓線和結(jié)合大氣模式仿真的背景譜對目標透氣云過率譜反演的影響,因此,進行了一次外場放氣遙測實驗,如圖6 所示,將含有SF6的壓力氣瓶放置于小平層樓頂上,掃描系統(tǒng)與樓房之間的距離約為82 m.放氣實驗前,首先對參考區(qū)域進行掃描,得到15 行1 列的參考光譜及各掃描像素的仰角.放氣實驗過程中,分為兩步,首先放氣前對放氣掃描區(qū)域進行背景采集,其次對鋼瓶內(nèi)的六氟化硫氣體以連續(xù)點源的方式進行釋放并進行掃描測量,掃描陣列為5 行10 列.此外,對目標氣體掃描時也需要測量各掃描像素的仰角.圖7 為參考區(qū)域與放氣掃描區(qū)域內(nèi)各掃描像素的仰角.

圖7 像素光譜對應的測量姿態(tài)仰角(a)參考區(qū)域各像素位置仰角;(b)掃描區(qū)域各像素位置仰角Fig.7.Measured elevation corresponding to the pixel spectrum:(a)The elevation of each pixel in the reference area;(b)the elevation of each pixel in the scanning area.

圖8 為4 行7 列的實測背景譜和SF6目標譜,該像素測量姿態(tài)仰角為12.1°.從圖8 可知,700—1300 cm–1內(nèi)含有天空背景的水汽累積發(fā)射光譜及臭氧結(jié)構(gòu)特征,若無背景光譜,很難從測量譜中準確地提取出目標光譜特征,將目標光譜與實測背景光譜作差,使得SF6吸收結(jié)構(gòu)清晰顯現(xiàn)出來.

圖8 4行7 列像素位置的實測背景光譜、目標光譜及差譜Fig.8.Measured background spectrum,target spectrum and difference spectrum of pixel position in 4 row and 7 column.

4 結(jié)果與討論部分

4.1 基于參考區(qū)域生成背景的透過率反演與精度分析

將圖7 中測量光譜的姿態(tài)仰角換算為天頂角的余弦值,采用三次樣條插值算法[21],以參考區(qū)域的天空紅外背景光譜為基準逐波數(shù)進行插值,得到放氣掃描區(qū)域內(nèi)各個像素位置的天空背景光譜,稱之為基于參考區(qū)域生成的背景.圖9 為4 行7 列處基于參考區(qū)域生成的背景譜與實測天空背景光譜,從逼近程度來看,在800—950 cm–1波段存在微小偏移,但是其結(jié)構(gòu)完全一致.此外,造成基于參考區(qū)域生成背景譜與實測背景譜之間的偏差,很大程度來自于九軸陀螺儀傳感器測量角精度的影響.

圖9 基于參考區(qū)域生成的背景譜與實測背景譜Fig.9.Background spectrum generated based on reference area and measured background spectrum.

為驗證基于參考區(qū)域生成的背景譜對半定量分析的影響,將像素同位置的實測背景與基于參考區(qū)域生成的背景均用于目標氣云透過率反演,反演方法基于(7)式,反演的透過率如圖10 所示,從反演的SF6透過率可知,以天空為背景進行氣體測量時,具有更高的信噪比,吸收峰更為純凈.

圖10 SF6 透過率Fig.10.SF6 transmittance.

采用非線性最小二乘法將反演的透過率與標準參考光譜進行擬合,計算出SF6氣云柱濃度,實測背景與基于參考區(qū)域生成的背景反演的柱濃度關系曲線如圖11 所示,Y軸為基于參考區(qū)域生成背景反演的目標氣云柱濃度值,X軸為實測背景反演的目標氣云柱濃度值,兩種背景計算的SF6氣云濃度值相關性達到0.99965,從半定量結(jié)果的精度來看,基于參考區(qū)域生成的背景完全可以代替實測背景,可確保氣云分布趨勢與實際分布一致.

圖11 兩種背景反演的SF6 柱濃度擬合分析結(jié)果Fig.11.Fitting analysis results of SF6 column concentration of two backgrounds.

圖12 為基于參考區(qū)域生成背景反演的柱濃度圖像,為方便觀察和分析氣云分布,圖12(a)和圖12(b)分別設置19.6 mg·m–2和163.0 mg·m–2為SF6氣云分布假彩色圖像的最大顯示閾值,從圖12(a)可看出SF6氣云分布趨勢,自右向左進行擴散,第4 行末尾4 個像素的濃度值均高于顯示閾值,從圖12(b)只能大致觀察到幾個高濃度值點及高值的擴散羽流.

圖12 基于參考區(qū)域生成背景反演的柱濃度圖像(a)低閾值顯示的SF6 柱濃度圖像;(b)高閾值顯示的SF6 柱濃度圖像Fig.12.Column concentration images based on background generated by the reference area:(a)SF6 column density image displayed at a low threshold;(b)SF6 column density image displayed at a high threshold.

4.2 基于ECMWF 廓線合成背景的透過率反演與精度分析

圖13 為試驗地點、臨近時間的ECMWF 廓線,利用大氣模式與ECMWF 廓線仿真生成背景光譜,如圖14 所示,第4 行第7 列處ECMWF廓線仿真生成的背景光譜與實測背景光譜的各個水汽吸收峰相匹配.由于本工作關注的重點是目標氣云空間濃度分布,圖7(b)給出了各個像素光譜的仰角,基于ECMWF 廓線仿真背景與天頂角余弦的連續(xù)可導關系,對11°—14°,以0.3°為仰角梯度,仿真生成11 條不同仰角的背景光譜,并以此為基礎,通過三次樣條插值算法逐波數(shù)插值生成各個像素對應的背景光譜,稱之為基于ECMWF 廓線合成的背景.

圖13 實驗場景的ECMWF 廓線(a)溫度廓線;(b)相對濕度廓線;(c)臭氧廓線;(d)海拔Fig.13.ECMWF profiles of experimental scenarios:(a)Temperature profile;(b)relative humidity profile;(c)ozone profile;(d)altitude.

圖14 實測背景與ECMWF 廓線仿真背景Fig.14.Measured background and ECMWF profile simulation background.

將各個像素背景光譜結(jié)合(7)式反演目標透過率,生成目標透過率如圖15 所示,反演的透過率依然存在部分水汽吸收峰,因此對目標氣體半定量反演時,需要將水汽吸收峰也代入擬合計算.將ECMWF 廓線合成背景反演的柱濃度與實測背景反演的柱濃度進行相關性分析,如圖16 所示,Y軸為基于ECMWF 廓線合成背景反演的目標氣云柱濃度值,X軸為實測背景反演的目標氣云柱濃度值,兩種背景計算的SF6氣云濃度值相關性達到0.99979,基于ECMWF 廓線合成的各個背景完全可以用于代替實測天空背景.

圖15 基于ECMWF 廓線合成背景提取的SF6 目標光譜Fig.15.SF6 target spectrum extracted by the synthesis background based on ECMWF profiles.

圖16 兩種背景反演的SF6 柱濃度擬合結(jié)果Fig.16.Fitting analysis results of SF6 column concentration of two backgrounds.

圖17 為基于ECMWF 廓線合成背景反演的柱濃度圖像.圖17(a)和圖17(b)為SF6氣云分布假彩色圖像,為了便于觀察設置了不同的最大閾值,其SF6氣云分布與圖12(a)和圖12(b)趨勢一致,滿足空間分布的一致性,因此采用基于ECMWF廓線合成的背景與基于參考區(qū)域生成的背景,對目標氣云透過率反演的結(jié)果精度是等效的.盡管基于ECMWF 廓線合成的背景與實測純凈背景存在差異,實測背景基本可以將大氣中的分子吸收扣除干凈,而ECMWF 廓線合成背景則因為大氣模式及廓線等具有的自身精度因素,不能將大氣中的水汽分子吸收等扣除干凈,但是將水汽吸收與目標光譜一塊進行擬合,其效果也逼近于實測背景.對于復雜場景中,無法采集純凈天空背景譜,且需要滿足實時性的情況下,采用基于ECMWF 廓線合成背景譜來代替各個像素位置的實測背景光譜是一種非常具有應用前景的有效方法.

圖17 基于ECMWF 廓線 合成背 景反演 的柱濃度圖 像(a)低閾值顯示的SF6 柱濃度圖像;(b)高閾值顯示的SF6 柱濃度圖像Fig.17.Column concentration images based on ECMWF profiles synthesis background:(a)SF6 column concentration image displayed at a low threshold;(b)SF6 column concentration image displayed at a high threshold.

5 結(jié)論

本文通過MODTRAN 的6 種大氣模式和SF6遙測實驗驗證了天空向下紅外背景輻射與天頂角余弦逐波數(shù)具有連續(xù)可導的關系,可以采用少量具有天頂角梯度的天空背景譜逐波數(shù)插值生成梯度范圍內(nèi)任意角度的天空背景輻射光譜,并提出了基于大氣廓線合成背景的目標氣云透過率反演方法.通過SF6氣云柱濃度分布趨勢和半定量精度,驗證了基于ECMWF 廓線合成的背景與實測背景對目標氣云反演精度是近乎相同的效果.本文所提方法可以有效提升了天空紅外背景輻射生成效率,確保了目標氣云透過率反演的準確性.