SO2氣體排放的紫外成像遙感監(jiān)測

熊遠(yuǎn)輝，羅中杰，陳振威，于光保，段為民，劉林美，李發(fā)泉，武魁軍*

1. 中國地質(zhì)大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074 2. 中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北 武漢 430071

引 言

隨著全球工業(yè)化的進(jìn)一步推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)水平的提高，空氣質(zhì)量逐漸成為人民最為關(guān)心的生態(tài)環(huán)境問題。 大氣污染不僅影響人民的生活健康，而且由其引起的惡劣天氣會對國家造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 一直以來，工業(yè)固定源的污染氣體排放物是造成空氣污染的首要原因, 其中比例最多的、影響最為嚴(yán)重的污染氣體為SO2。 SO2氣體具有強(qiáng)烈的刺激性及明顯的促癌性，對人體危害很大； 而且，SO2容易被氧化生成毒性更強(qiáng)的SO3, 在大氣化學(xué)過程中產(chǎn)生酸雨，從而對生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞。

為監(jiān)測SO2氣體污染排放情況，多種機(jī)理的光學(xué)遙感技術(shù)被陸續(xù)提出，比如拉曼散射激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)、傅里葉變換紅外吸收光譜(FTIR)、差分吸收光譜儀(DOAS)、高分辨光譜成像等。 其中，拉曼散射激光雷達(dá)和差分吸收激光雷達(dá)屬于主動探測方式，可實(shí)現(xiàn)污染物空間立體檢測，具有距離分辨能力[1]，但設(shè)備龐大，不適合用于工廠等空間有限。 為了便攜性和工程性，被動監(jiān)測方式相繼出現(xiàn)，F(xiàn)TIR的高分辨率和傅里葉函數(shù)解析使得該方法具有多組分分析、測量范圍寬、分析速度快等特點(diǎn)[2]。 差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)具有響應(yīng)快、能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測，可同時監(jiān)檢測不同種類的氣體，降低了氣體測量的成本及復(fù)雜性[3-4]； 但由于非成像式檢測只有一維光譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)離散性大。 與之相比成像光譜儀具有高空間分辨率的特點(diǎn)，利用大視場接收的污染物吸收成像監(jiān)測方法，以利于降低隨機(jī)監(jiān)測離散度，提高定量測量的準(zhǔn)確性； 成像光譜儀可以同時獲取一維光譜信息及二維空間信息。 德國海德堡大學(xué)利用IDOAS研究泰埃特納火山化學(xué)組分以及火山羽流中SO2分布情況[5]； 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所劉文清院士等采用超光譜成像DOAS系統(tǒng)結(jié)合掃描轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)了對SO2和NO2的二維成像測量[6]。 然而，成像光譜儀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般需要機(jī)械掃描獲取圖像信息，時間分辨率通常較低。

近年來，一種更為簡單、更為精準(zhǔn)的紫外SO2相機(jī)成像探測方式得到迅速發(fā)展，紫外SO2相機(jī)的高時間分辨率允許觀測模擬煙囪羽流的動態(tài)趨勢； 同時具有高空間分辨率可以測量二維SO2光學(xué)厚度分布[7-9]。 2010年，德國Kern等分析了不同太陽高度角對太陽散射光譜以及濾光片放置鏡頭前不同入射角的濾光片透過率，利用紫外SO2相機(jī)觀測了火山SO2羽流[10]。 2013年，Christoph Kern等提出了濾光片放置鏡頭后對SO2濃度反演影響小，并對濾光片透過率曲線進(jìn)行了分析[11]。 2015年，Christoph Kern等對7種不同SO2相機(jī)和4種濾光片進(jìn)行了比較，分析了不同視場角下的火山羽流光學(xué)厚度[12]。 2015年，Christoph Kern等采用雙紫外SO2相機(jī)連續(xù)實(shí)時測量火山SO2濃度[13]。 2017年，Matías Osorio等實(shí)現(xiàn)了在多云天氣下對工廠煙囪尾氣SO2進(jìn)行了外場測量[14]。 2018年，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在實(shí)驗室內(nèi)通過氙燈以SO2為研究對象分析了紫外成像的線性響應(yīng)，響應(yīng)系數(shù)R2高達(dá)0.985，且不同成像區(qū)域的靈敏度變化差異僅為1%～3%[15]。 本工作主要從紫外SO2成像的工作機(jī)理及工程化實(shí)現(xiàn)著手，探討了該技術(shù)的測量原理、影響因素及反演算法，開展了基于紫外成像在SO2羽流測量中的應(yīng)用，并對實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對比分析。

1 成像測量原理

SO2相機(jī)由紫外靈敏相機(jī)和窄帶濾光片組成，SO2相機(jī)有兩片中心波長不同的濾光片，通過兩濾光通道內(nèi)的氣體分子對太陽散射光吸收率不同實(shí)現(xiàn)SO2濃度的反演。

1.1 基本原理

無論是工廠煙囪、船舶尾氣，還是火山噴發(fā)，其氣團(tuán)中除了SO2，通常還有顆粒物，顆粒物的消光作用及米散射作用會對SO2的探測產(chǎn)生不良影響，因此雙濾光片可以很好解決顆粒物對SO2濃度反演的影響。 帶通濾光片A和B的透過曲線、SO2的吸收截面以及太陽光的散射光譜如圖1所示，濾光片A通道覆蓋SO2吸收光譜及太陽散射光譜的交疊波段； 濾光片B通道接近濾光片A通道但不采集SO2的光譜信息。 通過濾光片A通道采集到的圖像信息反演得到SO2氣體的吸收率及顆粒物的消光系數(shù)，再利用濾光片B通道扣除顆粒物的消光系數(shù)，從而獲取純SO2氣體的排放圖像。

當(dāng)相機(jī)視場中沒有污染氣體羽流時，太陽散射光到達(dá)相機(jī)感光面的光強(qiáng)可表示為[10]

I0(λ)=IS(λ)T(λ)Q(λ)

(1)

其中，I0(λ)為太陽散射光到達(dá)感光面的光強(qiáng)，IS(λ)為太陽散射光強(qiáng)，T(λ)為濾光片透過率，Q(λ)為相機(jī)的量子效率。

圖1 帶通濾光片A和B的透過曲線、SO2的吸收截面以及太陽光的散射光譜

Fig.1TransmissioncurvesofbandpassfiltersAandB,absorptioncross-sectionofSO2,andscatteringspectraofsunlight

當(dāng)相機(jī)視場中存在污染氣體羽流時，A濾光片通道接收到的太陽散射光將受到SO2吸收及顆粒物消光的雙重影響，根據(jù)朗伯比爾定律有

IA(λ)=IA0(λ)exp(-σ(λ)S(λ)-τm)

(2)

其中，IA0(λ)和IA(λ)分別為穿過氣團(tuán)前后的光強(qiáng)，σ(λ)是SO2的吸收截面，τm是氣團(tuán)中顆粒物對散射光的消光率，紫外相機(jī)獲得的光強(qiáng)變化是沿視線方向氣團(tuán)中所有SO2吸收效應(yīng)的綜合效果，在視線方向沒有空間分辨能力，因而此處的S(λ)的是柱濃度，其單位為ppm·m，表示氣團(tuán)中SO2濃度沿視線方向有效光路L的濃度積分。

對于B濾光片通道，由于避開了SO2吸收光譜，因此其透射信號僅受顆粒物對散射光的消光作用

IB(λ)=IB0(λ)exp(-τm)

(3)

其中，IB0(λ)和IB(λ)是穿過顆粒物前后的光強(qiáng)。

兩濾光片通道光學(xué)厚度進(jìn)行綜合處理可獲得SO2的光學(xué)厚度，可表示為

(4)

其中，τ是SO2的光學(xué)厚度，SO2吸收截面σ(λ)可根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫獲取，通常根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)濃度的SO2定標(biāo)泡來獲取SO2的光學(xué)厚度與SO2濃度之間的定標(biāo)曲線，從而根據(jù)定標(biāo)曲線來確定出紫外相機(jī)SO2濃度。

1.2 濾光片影響

光學(xué)成像系統(tǒng)中，不可能所有散射光線都垂直照射濾光片，對于非垂直照射濾光片表面的光線，濾光片透射窗口的有效中心波長和透過率會發(fā)生變化。 因而導(dǎo)致SO2相關(guān)靈敏度曲線也將發(fā)生變化。 所以濾光片校準(zhǔn)是檢測SO2濃度反演準(zhǔn)確性至關(guān)重要一步。

對于小于20°的入射角θ，濾光片透射窗口的中心波長λC可表示為[11]

(5)

其中，nF為濾光片材料的折射率，n為空氣折射率，λC取決于濾光片中心波長λF及其折射率nF，λC隨著入射角θ的增加向短波方向移動。

SO2相機(jī)使用的帶通濾光片光譜透過率T(λ)，可近似用高斯線性G表示[11]

(6)

其中T0是歸一化因子，σF是透過率帶寬參數(shù)，λF為濾光片的中心波長。 入射角θ低于20°時，濾光片有效最大透過率TC(θ)=TF(1-2%)θ。

如果濾光片放置鏡頭前面，入射角等于視場角； 而當(dāng)濾光片放置鏡頭后面時，入射角可表示為[11]

θ(r,φ)=arctan{f-1[f2tan2(Ma)+r2-

2frtan(Ma)cosφ]1/2}

(7)

其中，r是鏡頭上某一點(diǎn)到鏡頭中心的距離，φ的方向是相對于水平x軸，f是鏡頭焦距，M為物鏡的角度放大率，α為視場角。

濾光片有效透過率可表示為[11]

(8)

其中，R為鏡頭半徑。 濾光片有效透過率曲線及太陽輻射譜如圖2所示，入射角分別為0°，10°和15°，實(shí)線為濾光片放置鏡頭后有效透過率曲線，虛線為濾光片放置鏡頭前有效透過率曲線，圖中紅線是輻射傳輸模型模擬在沒有羽流下的太陽輻射光譜，黑線是在羽流下的太陽輻射光譜。

圖2 濾光片有效透過率曲線及太陽輻射譜

通過對比可以知道，濾光片放置鏡頭前有效中心波長向短波方向移動，且有效透過率隨著入射角θ的增加而降低； 而濾光片放置鏡頭后，濾光片透過率隨入射角增大而降低，但中心波長及有效透過率基本無變化。 相機(jī)系統(tǒng)對SO2靈敏度與視場角關(guān)系如圖3所示，與濾光片放置鏡頭前相比，濾光片放置鏡頭后可大大降低相機(jī)系統(tǒng)邊緣對SO2靈敏度變化，因此選擇濾光片放置鏡頭后面可有利于反演SO2濃度。

圖3 相機(jī)系統(tǒng)對SO2的靈敏度與視場角關(guān)系

1.3 太陽高度角影響

在紫外波長區(qū)域, 到達(dá)地球表面的散射光譜強(qiáng)度取決于太陽高度角(SZA)。 臭氧吸收截面和不同高度角下太陽散射光譜強(qiáng)度如圖4所示，其中紅線表示高度角為0°時太陽散射光譜強(qiáng)度，黑線表示高度角為20°時太陽散射光譜強(qiáng)度，綠線表示高度角為40°時太陽散射光譜強(qiáng)度。 臭氧(O3)吸收截面在紫外短波方向急劇增加。 太陽高度角越大，太陽散射通過臭氧層的平均光程路徑要越長，散射光譜強(qiáng)度受光程長度影響越大，使得相同濃度的SO2氣體會在不同太陽高度角下測量得到不同的光學(xué)厚度。

圖4 臭氧吸收截面及不同高度角下太陽散射光譜強(qiáng)度

圖5所示為在入射角為0°，太陽高度角分別為0°和40°時濾光片A通道的光譜強(qiáng)度，藍(lán)線和紅線分別表示背景太陽散射光譜和SO2吸收后的太陽散射光譜

太陽高度角的變化會引起太陽散射光譜的變化，從而導(dǎo)致實(shí)驗測得的SO2光學(xué)厚度隨之改變。 圖6所示為不同太陽高度角下，SO2光學(xué)厚度與濃度之間的函數(shù)關(guān)系。 由圖可見，SO2濃度反演定標(biāo)曲線受太陽高度角影響非常大。 因此通過標(biāo)準(zhǔn)泡實(shí)時獲取不同太陽高度角下的SO2光學(xué)厚度與SO2濃度反演校準(zhǔn)曲線，是精確測量SO2濃度的必不可少的一環(huán)。

圖5 紫外相機(jī)濾光片A通道的光譜強(qiáng)度

圖6 不同太陽高度角下，SO2光學(xué)厚度與濃度之間關(guān)系

2 成像遙感實(shí)驗

2.1 裝置

由上述理論分析可知，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計對于紫外成像實(shí)驗的SO2濃度反演準(zhǔn)確性極其關(guān)鍵，濾光片放置鏡頭后，可有效減小入射角對濾光片透過率曲線的影響； 其次相機(jī)系統(tǒng)對SO2的敏感度受入射角影響較小，有利于減小濾光片透射譜型對SO2濃度反演結(jié)果的影響。 根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計的成像系統(tǒng)實(shí)驗裝置如圖7所示。 系統(tǒng)中使用的非制冷型紫外相機(jī)(PHOTOMETRICS公司，Prime95B)的量子效率為40%@310 nm，最大信噪比為49 dB，有效成像面積為22.5mm(H)×22.5 mm(V)，該相機(jī)能夠以41幀·s-1(16位數(shù)字化)的幀速采集1 200×1 200像素圖像，可以同時獲取較高的時間分辨率與空間分辨率。 對于模擬工業(yè)煙囪尾氣監(jiān)測應(yīng)用中，紫外相機(jī)的紫外鏡頭(美國UNIVERSE KOGAKU公司)光學(xué)設(shè)計的視場角為9.8°，F(xiàn)數(shù)為4.0，鏡頭透過率約為85%； 太陽散射光經(jīng)過煙囪尾氣后的信號，通過光學(xué)鏡頭和雙窄帶濾光片(日本Asahi公司，XBPA310 Bandpass Filter/310 nm 25 mm，XBPA330 Bandpass Filter/330 nm 25 mm)被紫外相機(jī)采集。 使用紫外相機(jī)對成像氣體進(jìn)行定量測量需要整套成像系統(tǒng)的兩通道采集信號保持一致。 在紫外成像實(shí)驗裝置中，中間添加了光譜通道可同時采集光譜信息，同時反演出SO2濃度結(jié)果可與紫外成像實(shí)驗結(jié)果對比。 實(shí)驗裝置中紫外相機(jī)、接收鏡頭、帶通濾光片及高分辨光譜儀參數(shù)如表1所示。

表1 儀器參數(shù)

2.2 實(shí)驗結(jié)果

SO2紫外成像遙感儀器與煙囪尾氣模擬裝置距離約20 m，相機(jī)視場對準(zhǔn)模擬煙囪尾氣，如圖7(a)所示。 圖8為紫外成像實(shí)驗數(shù)據(jù)原始，圖8(a)為310 nm濾光通道采集到的尾氣圖像，圖8(b)為330 nm濾光通道采集到的尾氣圖像。

除圖像信號外，該裝置還可以同時獲取尾氣的光譜數(shù)據(jù)，用于對比圖像方法反演結(jié)果。 圖9所示為光譜通道實(shí)驗數(shù)據(jù)結(jié)果，SO2吸收截面主要集中在310 nm波段，由于太陽散射在300 nm左右往短波方向波段無透過，因此SO2吸收信號在300 nm的長波方向才有信號。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 圖像處理

兩通道信號對紫外線的吸收率的差值可以準(zhǔn)確提取SO2信號； 獲取背景圖像的均勻性可以提高通道信號的光學(xué)厚度從而影響SO2濃度反演的準(zhǔn)確性。 在煙囪氣體發(fā)射信號中，背景圖像應(yīng)該是羽流后面的光強(qiáng)度圖像，在氣體存在的情況下，不可能從觀測點(diǎn)直接獲得背景圖像。 獲取背景的典型方式是轉(zhuǎn)動相機(jī)，改變觀察方向獲取天空均勻的無煙圖像，這種方法稱為四像法(4-IM)[18]。 如果沒有云層存在，背景觀察方向上的照度近似等于羽流背后的照度，那么四像法就能很好的工作，因為到達(dá)相機(jī)的光線取決于太陽的高度角和方位角。 為了減少圖像數(shù)量，使天空背景接近均勻，通過在羽流部分插值構(gòu)造人工背景，這種方法稱為二像法(2-IM)[18]。 如圖10(a)和(b)所示為通過圖像匹配后裁剪原始數(shù)據(jù)圖像得到的同視場圖像，對其進(jìn)行氣體羽流區(qū)域扣除并人工生成的背景圖像，人工背景圖像合成方法借鑒2-IM法，如圖10(c)和(d)所示。

圖7 成像遙感實(shí)驗裝置圖(a)和(b)

圖8 實(shí)驗數(shù)據(jù)原始信號圖

圖9 光譜通道實(shí)驗數(shù)據(jù)結(jié)果

圖10 圖像匹配裁剪后的原始信號(a)和(b)及人工生成的背景圖像(c)和(d)

利用人工擬合出的背景圖像對兩通道信號進(jìn)行處理得到兩通道光學(xué)厚度如圖11所示，圖11(a)為310 nm通道光學(xué)厚度，圖11(b)為330 nm通道光學(xué)厚度，可以看出310 nm通道光學(xué)厚度相較于330 nm通道光學(xué)厚度大，兩通道光學(xué)厚度圖像中顯示出人工擬合出的天空背景呈現(xiàn)均勻性，顯示出接近于零的光學(xué)厚度。

通過圖像信號擬合出人工背景，根據(jù)朗伯比爾定律解析出煙囪SO2氣體光學(xué)厚度，通常使用標(biāo)準(zhǔn)泡定標(biāo)，可以獲得SO2光學(xué)厚度與濃度之間關(guān)系曲線，然后通過反演獲得的SO2光學(xué)厚度確定SO2濃度大小，反演出SO2氣體柱濃度圖像如圖12所示，圖像顏色代表SO2柱濃度大小。 該結(jié)果是利用2-IM法獲得人工背景，實(shí)驗結(jié)果中背景非常均勻。

3.2 光譜處理

太陽光的光信號經(jīng)過尾氣吸收衰減后，到達(dá)光譜儀。 根據(jù)朗伯比爾定律對實(shí)驗光譜進(jìn)行分析得到信號經(jīng)過尾氣SO2后的吸收曲線。 為了校準(zhǔn)SO2路徑濃度，對光譜儀采集的暗電流進(jìn)行扣除，則用DOAS方法計算光譜可表示為

圖11 光學(xué)厚度

圖12 SO2濃度實(shí)驗結(jié)果

(9)

其中，Aλ是關(guān)于波長函數(shù)的吸收率，Sλ，Rλ和Dλ分別是信號光譜，背景光譜和暗噪聲強(qiáng)度。 對光譜分析得到的SO2吸收率實(shí)驗結(jié)果如圖13所示，通過數(shù)據(jù)擬合及光譜理論算法得到的SO2吸收率曲線，分別用藍(lán)線和紅線表示。 利用式(9)DOAS方法可以計算得到SO2在紫外圖像中對應(yīng)視場的濃度信息。

圖13 光譜儀實(shí)驗結(jié)果與理論結(jié)果

該實(shí)驗裝置可實(shí)現(xiàn)光譜儀與紫外成像實(shí)驗結(jié)果的對比。 圖14所示為紫外成像實(shí)驗結(jié)果與光譜儀實(shí)驗結(jié)果在不同時刻的對比，紫外相機(jī)實(shí)驗結(jié)果用紅線表示，光譜儀實(shí)驗結(jié)果用藍(lán)線表示。 該結(jié)果表明紫外成像實(shí)驗結(jié)果與光譜儀實(shí)驗結(jié)果趨勢相一致。

圖14 紫外成像實(shí)驗結(jié)果與光譜儀實(shí)驗結(jié)果對比

4 結(jié) 論

研究了SO2氣體紫外成像遙感監(jiān)測技術(shù)及其在模擬煙囪尾氣檢測中的應(yīng)用，介紹了獲取SO2濃度圖像的測量原理，論證了濾光片放置鏡頭后能夠減小SO2濃度反演的系統(tǒng)誤差，分析了太陽高度角對SO2濃度反演的影響，闡明了實(shí)時定標(biāo)SO2濃度反演曲線的必要性。

基于SO2在310 nm波段紫外吸收，通過理論分析設(shè)計了一種用于測量煙囪羽流中的二維SO2分布的新型監(jiān)測技術(shù)，采用了雙濾光片通道的紫外成像技術(shù)，分別獲得信號圖像和本底圖像，并利用2-IM法擬合了人工天空背景，結(jié)果顯示通過去除羽流擬合生成人工背景更加接近真實(shí)背景，均勻性更好，且2-IM法過程中相機(jī)始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，指向SO2發(fā)射源的方向，可以更好的研究SO2排放隨時間的變化。 該實(shí)驗在利用紫外成像技術(shù)獲取SO2濃度圖像的同時，也采用了DOAS技術(shù)獲得圖像中對應(yīng)光譜儀視場角的SO2濃度信息； 兩種不同機(jī)理的測量技術(shù)獲得的濃度信息隨時間演化規(guī)律表現(xiàn)出良好的一致性。 但通過DOAS法計算的SO2濃度與紫外相機(jī)反演出來的濃度對比發(fā)現(xiàn)，由于光譜儀視場角很小，不具備成像能力，所測得的濃度信息只是所對應(yīng)SO2紫外相機(jī)視場中的空間某一點(diǎn)位置的濃度信息，而紫外相機(jī)通過二維圖像更加直觀顯示出煙囪尾氣中SO2的濃度信息及其空間分布，這是DOAS技術(shù)所無法比擬的。

紫外相機(jī)的高空間分辨率和高時間分辨率，在測量SO2濃度圖像方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，在工廠煙囪及船舶尾氣污染排放遙感監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。