污染氣團(tuán)掃描式FTIR被動遙測系統(tǒng)

焦 洋，徐 亮，高閩光，金 嶺，童晶晶，李 勝，魏秀麗

(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室，安徽合肥230031)

1 引言

傅里葉變換紅外光譜遙測技術(shù)(FTIR)是近年來迅速發(fā)展起來的一種綜合性探測技術(shù)，因其無需采集樣品、高靈敏度和高分辨率而廣泛應(yīng)用在污染氣體遠(yuǎn)程定量探測中［1］。隨著突發(fā)性污染事故的危害日趨增大，為了提高應(yīng)對能力，對污染氣團(tuán)的分布和擴(kuò)散態(tài)勢探測的需求日趨增強(qiáng)。但目前FTIR被動遙測多見于點探測應(yīng)用［2］，采集范圍僅限于探測器固定視場大小，無法對區(qū)域性污染氣團(tuán)的分布情況進(jìn)行有效探測。因此將FTIR被動遙測裝置與可見光采集裝置和二維掃描裝置相結(jié)合，期望通過將被動遙測裝置獲取的濃度數(shù)據(jù)與二維掃描裝置的位置分布參數(shù)結(jié)合生成污染氣團(tuán)的濃度二維分布數(shù)據(jù)，并最終獲得濃度分布偽彩色圖與可見光背景的融合圖。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于污染事故的應(yīng)急監(jiān)測，所以要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)果輸出迅速準(zhǔn)確，便于為后續(xù)應(yīng)對決策部分提供依據(jù)。

2 FTIR被動掃描遙測原理

在使用FTIR技術(shù)對污染氣團(tuán)進(jìn)行被動掃描遙測時，首先要進(jìn)行點探測，反演出濃度結(jié)果，才能通過掃描獲取二維濃度分布。在進(jìn)行點探測時，可建立三層輻射模型，模型示意圖如圖1。

圖1 被動遙測三層模型Fig.1 three layer model of passive remote sensing

第一層為污染氣團(tuán)到探測器之間的大氣輻射，第二層為污染氣團(tuán)的輻射，第三層為背景(大地、植被、建筑物)的輻射。如果用L表示各層對下一層的輻射亮度貢獻(xiàn)，用B表示各層自身溫度對應(yīng)的黑體輻射亮度，τ表示各層透過率，珋ν為對應(yīng)的波數(shù)，下標(biāo)數(shù)字表示層數(shù)。在該模型中，假設(shè)第二層中污染氣團(tuán)與周邊大氣環(huán)境處于熱平衡時有B=B1=B2，待測氣體濃度反演波段內(nèi)第一層大氣的透過率τ1≈1，可將三層大氣模型簡化為兩層模型，則根據(jù)輻射傳輸原理，探測器通過第一層大氣獲取的總的輻射貢獻(xiàn)可表示為:

根據(jù)式(1)可推導(dǎo)出污染氣團(tuán)透過率譜的表達(dá)式:

在式(2)中，L1(珋ν)可直接測得，要計算透過率譜，還需要獲取背景輻射亮度L3)和等效于目標(biāo)氣體層溫度的黑體輻射亮度B2)。常用的方法是用熱電偶等溫度探測器探測背景及目標(biāo)氣體層溫度或?qū)o污染氣體區(qū)域背景層進(jìn)行單獨(dú)掃描，但這些方法無法滿足系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)的需求。本文采用了一種光譜實時提取算法，根據(jù)800～1200 cm－1波段自然背景的輻射特性和650～690 cm－1波段CO2的吸收累積效應(yīng)，從測量光譜L1)中實時提取背景輻射亮度光譜和待測氣體層輻射亮度光譜［3］，利用一次遙測光譜生成透過率光譜，簡化了測量步驟，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

獲得透過率光譜后，可以使用Beer-Lambert定律對其進(jìn)行反演獲取污染氣體的濃度。反演的基本原理是通過多次迭代運(yùn)算，使得透過率光譜與通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫計算出的光譜之間有最小的均方差，表達(dá)式為:

為了將每個掃描點的濃度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確呈現(xiàn)在可見光背景圖對應(yīng)位置，可在遠(yuǎn)場放置特征目標(biāo)，通過圖像識別的方法檢測特征目標(biāo)隨掃描裝置角位移在圖像中移動的像素數(shù)，從而建立二者的映射關(guān)系。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

遙測系統(tǒng)硬件如圖3所示，由被動遙測裝置、可見光裝置、掃描裝置與主控計算機(jī)相連接構(gòu)成。被動遙測裝置的望遠(yuǎn)鏡口徑230 mm，視場角為8 mrad，F(xiàn)TIR光譜儀分辨率1 cm－1，采集波段設(shè)置為4000～600 cm－1，系統(tǒng)噪聲等效輻射通量密度NESR 為 5.3 ×10－9W/cm2·Sr·cm－1?？梢姽庋b置采用1/3 in感光面、15倍光學(xué)變焦的彩色CCD攝像機(jī)，裝配時通過掃描遠(yuǎn)場高溫黑體的方法與紅外視場實現(xiàn)光軸平行校準(zhǔn)。掃描裝置的水平和豎直方向角分辨率分別為2.7×10－6rad和3.2×10－6rad，掃描范圍為水平360°、俯仰±15°，可實時提供兩個方向的角位移參數(shù)。經(jīng)特征目標(biāo)識別測試結(jié)果，掃描裝置水平或豎直移動8 mrad，在1024×768像素的可見光圖像中對應(yīng)同方向上85個像素點的位移。

圖2 (a)掃描成像式紅外被動遙測系統(tǒng);(b)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1－卡塞格倫式望遠(yuǎn)鏡;2－CCD攝像頭;3－FTIR光譜儀;4－掃描機(jī)構(gòu)Fig.2 (a)scanning imaging passive remote sensing infrared system;(b)block diagram of the system 1－Cassegrain telescope;2－CCD camera;3－FTIR spectrometer;4－scan system

3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

遙測系統(tǒng)軟件由自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理和保存模塊組成。軟件在Lab-VIEW環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，利用LabVIEW特有的狀態(tài)機(jī)技術(shù)結(jié)合隊列技術(shù)構(gòu)建了系統(tǒng)軟件運(yùn)行框架，各個功能模塊功能獨(dú)立開發(fā)，接口互通，設(shè)置了錯誤響應(yīng)機(jī)制［4］，實現(xiàn)了運(yùn)行后不管功能，可用于無人值守或遠(yuǎn)程值守的檢測系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 block diagram of system

軟件工作流程如圖3所示:(1)對三部分裝置進(jìn)行自檢;(2)設(shè)置FTIR光譜儀和可見光攝像機(jī)的采集參數(shù)，并在可見光圖像界面中框選掃描范圍，程序以掃描視場不重疊為原則自動規(guī)劃掃描裝置運(yùn)行參數(shù);(3)掃描裝置帶動系統(tǒng)運(yùn)行至預(yù)定掃描點時采集光譜數(shù)據(jù)和可見光圖像和位置參數(shù);(4)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)生成氣體濃度偽彩色分布融合圖，同時將圖片數(shù)據(jù)、濃度分布數(shù)據(jù)和位置信息以文件的方式存儲。步驟(3)和(4)由隊列技術(shù)控制運(yùn)行［5］，實現(xiàn)了掃描過程中濃度數(shù)據(jù)同步輸出和偽彩色融合圖動態(tài)更新。

系統(tǒng)采用的光譜儀在現(xiàn)有文獻(xiàn)報道中只能通過OPUS軟件來控制，這對于系統(tǒng)集成來說，是無法滿足自定義控制和采集需求的。本系統(tǒng)通過在Lab-VIEW中調(diào)用了OPUS的動態(tài)鏈接庫，獲取其定義方式，實現(xiàn)了脫離OPUS運(yùn)行環(huán)境對光譜儀進(jìn)行控制。

4 實驗及結(jié)果分析

系統(tǒng)集成后的人機(jī)界面如圖4所示，所有設(shè)備通過統(tǒng)一界面進(jìn)行控制。其中a部分為可見光攝像頭實時顯示界面，可在其中框選掃描范圍;b部分為濃度偽彩色圖與背景疊加顯示界面;c部分為氣體組分選擇界面;d部分為運(yùn)行參數(shù)設(shè)置界面;e部分為掃描點實時光譜圖顯示區(qū)域;f部分為濃度數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)域，為偽彩色圖提供精確的數(shù)據(jù)參考值。

圖4 系統(tǒng)的人機(jī)界面Fig.4 human machine interface of system

實驗通過在距系統(tǒng)285m遠(yuǎn)處釋放六氟化硫氣體模擬污染氣體突發(fā)泄露事件，視場背景中包含建筑物和植被。圖5為軟件界面中a部分截圖，方框為手動選取的測量區(qū)域，系統(tǒng)自動規(guī)劃掃描點數(shù)為9×4共36個，圓框為氣體釋放口位置。氣體釋放17 s后在掃描視場中檢出六氟化硫成分。

圖5 六氟化硫氣體釋放位置示意圖(黑色方框為測量區(qū)域;黑色圓框為氣體釋放口)Fig.5 location of SF6release point signed by black circle and the measurement area signed by black pane

系統(tǒng)完成開始一幀9×4掃描點的測試運(yùn)行時間為2 min，利用LabVIEW的“性能和內(nèi)存信息”工具對軟件進(jìn)行分析，結(jié)果顯示耗時主要在于光譜儀采集光譜過程和掃描機(jī)構(gòu)從一個掃描點運(yùn)行至下一掃描點的過程，前者每點耗時2 s，后者每次運(yùn)行耗時1.3 s，數(shù)據(jù)處理時間小于0.2 s，在掃描裝置移動過程中即可完成對上一掃描點數(shù)據(jù)的處理。所以若要獲取更高實時性的污染氣團(tuán)分布數(shù)據(jù)，主要通過降低系統(tǒng)分辨率或使用更高速的光譜儀和二維掃描機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，最長測試時間為連續(xù)運(yùn)行8 h。使用了隊列狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件確保了數(shù)據(jù)采集和處理過程中不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理過慢帶來的數(shù)據(jù)溢出的問題，也不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集過慢帶來的浪費(fèi)處理器等待時間的問題。

實驗中某掃描點獲取的譜線如圖6所示，在波數(shù)947 cm 附近的吸收峰與六氟化硫吸收特征相符。根據(jù)式(2)和實時提取背景輻射亮度光譜和待測氣體層輻射亮度光譜的算法計算了目標(biāo)區(qū)域六氟化硫氣體的透過率譜，并根據(jù)反演算法獲得目標(biāo)區(qū)域六氟化硫氣體的濃度，反演波段選取為900～1000 cm－1。圖為某點六氟化硫透過率譜、擬合譜及殘差譜，如圖所見擬合效果良好，殘差值較小。

圖8所示左圖和右圖分別為掃描過程中和一幀掃描結(jié)束后獲得的濃度分布偽彩色圖與背景圖像的融合圖，掃描過程中未掃部分以黑色半透顯示，六氟化硫氣團(tuán)濃度范圍為0.01到126.59 ppm·m。從融合圖可以準(zhǔn)確判讀出六氟化硫濃度分布態(tài)勢，符合氣體泄露位置和現(xiàn)場風(fēng)向，表明系統(tǒng)可有效應(yīng)用于污染氣團(tuán)濃度分布檢測。同時，從左右兩幅圖對比可見系統(tǒng)的動態(tài)刷新特性，該特性可提高污染氣體泄漏實時檢測和預(yù)警的響應(yīng)速度，并為觀測者提供更準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。

5 結(jié)論

掃描式被動FTIR遙測系統(tǒng)通過將點探測光譜儀與二維掃描機(jī)構(gòu)和可見光采集裝置相結(jié)合，對系統(tǒng)各部分的精確控制，采集了光譜、可見光和空間位置信息，成功實現(xiàn)了對目標(biāo)區(qū)域污染氣團(tuán)濃度分布態(tài)勢的實時檢測，并動態(tài)輸出污染氣團(tuán)濃度分布與可見光背景偽彩色融合圖。系統(tǒng)控制軟件具有運(yùn)行穩(wěn)定，交互性好的特性。該系統(tǒng)在突發(fā)性氣態(tài)污染事件快速應(yīng)對方面有良好的應(yīng)用前景，通過提高光譜儀和掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行時效。

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