1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
利用差分吸收光谱技术（DOAS）反演了我国第二代星载大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI-Ⅱ）的SO2斜柱浓度（SCD），并通过辐射传输模型SCIATRAN建立了SO2大气质量因子（AMF）的查找表，经去条带处理后获得SO2的垂直柱浓度（VCD）。以2021年10月底拉帕尔马岛火山区域为研究对象，基于EMI-Ⅱ数据反演的SO2 VCD与国外同类型载荷TROPOMI的结果一致，相关性系数R分别为0.89、0.90、0.92。此外，还将汤加海底火山的SO2反演结果与TROPOMI的监测数据进行对比，结果表明，EMI-Ⅱ观测结果与TROPOMI一致，都观测到此次SO2羽流的自东向西的传输过程。结合风场数据，计算了2022年1月14—15日汤加海底火山爆发产生的SO2排放通量，结果表明，利用EMI-Ⅱ载荷反演的火山区域SO2 VCD可靠性高，可实现全球火山爆发预警。
大气光学 差分吸收光谱 EMI-Ⅱ SO2垂直柱浓度 汤加海底火山
1 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
成像差分吸收光谱技术 (IDOAS) 能够显示污染物的空间分布, 目前已成功运用于地基扫描、机载与星载等多个平台, 为环境监测及治理提供了有力支撑, 其中地基 IDOAS 主要运用于对某一污染源的探测。分析了成像系统基于“推扫”方式的工作原理, 并将此技术应用于城市大气边界层污染物分布的探测。为更高效使用差分吸收光谱技术 (DOAS) 反演各种痕量气体成分, 更精确地分析污染气体的时空分布特征, 对 QDoas 软件进行了源码级分析和优化。在 Windows 平台上, 使用 C++ 和 QT 对 QDoas 代码进行重组, 通过重新提取、整合、改写与优化代码, 实现了更快速便捷的反演功能模块。为检验模块的反演效果, 以大气中常见的污染物 NO2 和 SO2 为例, 于 2019 年 11 月 6 日在铜陵富鑫钢铁厂开展了现场观测实验。使用新编软件对观测数据进行数据反演后成功获得污染气体的二维分布信息图, 证实了该软件在实际大气环境监测中的适用性。
差分吸收光谱技术 数据反演 二维分布成像 软件研发 differential absorption spectroscopy data inversion two-dimensional distribution imaging software development 大气与环境光学学报
2022, 17(2): 249
中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
成像差分吸收光谱技术是成像光谱技术和差分吸收光谱技术的结合, 能够采集图谱合一的数据立方, 并通过光谱反演得到痕量气体浓度的二维分布信息。 地基IDOAS仪器通过安装平台的水平旋转实现摆扫成像, 可用于识别污染气体的排放源和监测气体的扩散情况。 然而和所有的成像光谱技术相类似, 地基IDOAS也容易出现条带噪声的问题, 会产生相应的伪结构, 影响后续的信息提取和数据分析。 目前星载和机载IDOAS中常见的条带噪声去除算法有均匀区域校正法、 传输模型模拟法、 傅里叶变换频域滤波法、 多项式拟合法等, 应用到地基仪器中均存在不适用的问题。 介绍了一种基于权重变分模型的条带噪声去除算法, 该算法首先通过分块自适应阈值分割得出表征遮挡区域的权重矩阵, 然后利用条带噪声的方向性和稀疏性建立各向异性的变分模型, 最后通过交替方向乘子算法迭代求解。 为检验去条带算法的可靠性, 使用稀疏、 稠密、 周期、 随机、 整行、 部分、 单行、 多行等多种模拟噪声进行了性能测试。 测试结果证明权重变分算法能够有效去除各种常见的条带噪声, 目视效果和四种全参考评价指标均有良好的表现。 地基IDOAS于2018年夏季在四川乐山进行了外场实验, 实验中仪器的水平扫描范围覆盖360°全方位角, 扫描间隔为1°, 垂直方向仪器同时采集0°~30°仰角内的光谱。 仪器的积分时间设置为500 ms, 每组全景扫描的工作时间约为15 min。 利用DOAS技术对采集到的太阳散射光谱进行反演, 最终得到的NO2和SO2气体的二维浓度分布图的像素大小为360×48。 从反演结果来看, 条带噪声对不同时间和不同气体的观测结果的影响大小均不同。 经权重变分算法处理后, 多组NO2和SO2浓度分布中的条带噪声情况得到极大的改善, 并且没有出现过度平滑的情况。 结果表明, 该算法适用于地基IDOAS数据的条带噪声去除。
成像差分吸收光谱 条带噪声 变分法 光学遥感 Imaging differential optical absorption spectroscopy Stripe noise Variation Optical remote sensing
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院 合肥 230601
静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测，针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10 min、高分辨率模式下探测周期小于1 h的要求，进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器，设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式，并合理设置了帧叠加数和像元合并数，达到优化成像周期的目的.1 s曝光时间条件下，该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515 s和3 315 s，图像信噪比均大于1 000，污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求，为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.
遥感探测 成像光谱仪 光谱图像 面阵CCD 时序设计 Remote sensing Imaging spectrometer Spectral image Array CCD Timing design
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
研究一种基于机载和车载被动差分吸收光谱(DOAS)技术测量大气污染气体排放通量的光学遥测方法。利用机载成像光谱仪和车载DOAS光谱仪对工业区进行同步走航观测,利用光谱反演获得区域NO2垂直柱浓度分布情况及扩散趋势,然后根据实时风场数据,结合NOx在大气中的衰减模型,推导出NOx衰减情况及氮氧化物各成分占比,进而获得污染源NOx的排放通量。所提方法修正了NOx在大气中的衰变,计算了该工业园区电厂和钢厂的NOx排放通量分别为3.3331×10 24 molecule·s -1和2.6138×10 24 molecule·s -1。结果表明:机载和车载观测结果的一致性较好,与未经修正NOx衰变获得的排放通量相比,所提方法获得的排放通量精度提高了约5%~20%。与车载或机载独立观测方式相比,所提方法结合了机载扫描范围大和车载探测空间分辨率高的优点,更有利于对污染扩散趋势的掌握,提高了探测精度。
大气光学 差分吸收光谱技术 车载光谱仪 机载光谱仪 氮氧化物 排放通量 排放比
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
3 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
针对多轴差分吸收光谱仪重建图像的时间分辨率较低的问题,将成像差分吸收光谱仪技术与非负最小二乘法相结合,提出了一种新的重建二氧化硫(SO2)气体的空间二维分布的方法。采用Savitzky-Golay滤波器对采样得到的柱浓度数据进行预处理,使用顺序坐标法进行重建,并利用克里金插值平滑重建图像。数值仿真结果表明,重建图像的接近度最低可达0.11。实验结果表明,所提方法从采集数据到完成图像重建的时间为52.37s,适用于捕捉烟羽截面的瞬态浓度,可实时重建SO2分布。
大气光学 光学遥感 环境光学 烟羽重建 顺序坐标法 成像差分吸收光谱仪
