基于大氣廓線合成背景的目標(biāo)氣云透過(guò)率反演*

胡運(yùn)優(yōu) 徐亮 沈先春 束勝全 徐睆垚 鄧亞頌 徐寒揚(yáng) 劉建國(guó) 劉文清

1)(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

天空向下熱紅外輻射具有隨時(shí)空變化而變化的特性,當(dāng)掃描傅里葉變換紅外遙測(cè)成像系統(tǒng)以天空為背景對(duì)目標(biāo)氣云進(jìn)行成像掃描時(shí),各掃描像素對(duì)應(yīng)的背景輻射差異較大且沒(méi)有恒定的基線,因而影響目標(biāo)氣云透過(guò)率的精確反演.針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題,提出了基于大氣廓線合成背景的目標(biāo)氣云透過(guò)率反演方法,首先采用實(shí)測(cè)地點(diǎn)的溫度、濕度、壓強(qiáng)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(shí)時(shí)測(cè)量純凈天空紅外背景譜的問(wèn)題,其次驗(yàn)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(dǎo)的關(guān)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(cè)成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了方法驗(yàn)證,所提方法可以快速生成梯度仰角內(nèi)任意角度對(duì)應(yīng)的天空紅外背景譜,準(zhǔn)確反演出各掃描像素的目標(biāo)氣云透過(guò)率,反演得到的SF6 柱濃度氣云分布與實(shí)際分布一致,相關(guān)性達(dá)到0.99979.

1 引言

掃描傅里葉變換紅外(FTIR)遙測(cè)成像技術(shù)[1?3]是具有空間和光譜維度探測(cè)能力的一種新型氣體成像技術(shù),它具有遠(yuǎn)距離、非接觸式采樣、高靈敏度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于化工園區(qū)定點(diǎn)360 度覆蓋式氣體泄漏常態(tài)化監(jiān)測(cè)具有極大的應(yīng)用價(jià)值.掃描FTIR 遙測(cè)成像技術(shù)在對(duì)場(chǎng)景目標(biāo)成像過(guò)程中,由于儀器架設(shè)位置和目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的高度等因素,經(jīng)常出現(xiàn)掃描像素對(duì)應(yīng)的紅外背景來(lái)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(cè)目標(biāo)成分有較大的溫差,也使得從實(shí)測(cè)天空紅外輻射中提取目標(biāo)特征的難度加大.

在掃描FTIR 遙測(cè)成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的常態(tài)化監(jiān)測(cè)過(guò)程中,獲取背景光譜是對(duì)目標(biāo)氣體特征提取、識(shí)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(yīng)用.Theriault[8]提出了測(cè)量同等條件下干凈背景譜的方法,該方法簡(jiǎn)單有效,但在復(fù)雜場(chǎng)景下的實(shí)用性和實(shí)時(shí)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(cè)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(shí)時(shí)性低.高閩光等[11]提出了測(cè)量熱煙羽上風(fēng)口背景譜的方法,該方法對(duì)時(shí)間和空間臨近要求很高.Harig等[12,13]認(rèn)為被測(cè)氣體特征是線性疊加在背景光譜上的,通過(guò)目標(biāo)、干擾物和背景基線擬合測(cè)量譜來(lái)提取氣體特征,這種方法的時(shí)間復(fù)雜度低,具有良好的實(shí)時(shí)性,但標(biāo)準(zhǔn)光譜僅能夠仿真設(shè)定的大氣狀態(tài)和觀測(cè)參數(shù).焦洋等[2]通過(guò)實(shí)測(cè)光譜實(shí)時(shí)提取背景的方法反演被測(cè)污染氣體透過(guò)率,該方法只適用于低平天空或?qū)Φ赜^測(cè).Li等[14]使用ECMWF 廓線[15]計(jì)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(jìn)行快速特征優(yōu)選,選擇最優(yōu)目標(biāo)與背景組合重構(gòu)測(cè)量光譜,以提取目標(biāo)特征,該方法實(shí)時(shí)性較高,然而相比于短時(shí)間臨近區(qū)域的實(shí)測(cè)背景依然存在較大差異,此外還需要建立包含各類(lèi)場(chǎng)景的背景庫(kù).上述背景提取算法對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量或小范圍內(nèi)探測(cè)具有良好的效果,然而對(duì)于具有復(fù)雜工業(yè)環(huán)境、大范圍成像監(jiān)測(cè)等情況[17]適用程度低.

在復(fù)雜的化工園區(qū)和大范圍成像監(jiān)測(cè)前提條件下,本文提出了基于大氣廓線合成背景的目標(biāo)氣云透過(guò)率反演方法,開(kāi)展了天空紅外背景輻射與天頂角余弦關(guān)系的研究,通過(guò)實(shí)測(cè)地點(diǎn)的溫度、濕度、壓強(qiáng)和臭氧廓線及大氣模式預(yù)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(guò)逐波數(shù)插值生成掃描陣列中各個(gè)像素的紅外背景譜,反演各掃描像素的目標(biāo)透過(guò)率.對(duì)于難以測(cè)得純凈的天空背景輻射與具有實(shí)時(shí)性需求等情況下,本研究可以確保實(shí)測(cè)氣云的柱濃度分布趨勢(shì)不會(huì)受到破壞,為化工園區(qū)氣體泄漏成像監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支撐.

2 基本原理

2.1 基本測(cè)量原理

掃描FTIR 遙測(cè)成像系統(tǒng)在對(duì)場(chǎng)景目標(biāo)氣云成像的過(guò)程中,由于存在儀器架設(shè)位置較低和目標(biāo)監(jiān)測(cè)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(biāo)氣云紅外特征和天空背景輻射組成.圖1是天空?qǐng)鼍跋履繕?biāo)氣云被動(dòng)遙測(cè)3 層輻射傳輸模型示意圖[4,18].

圖1 天空?qǐng)鼍跋碌? 層輻射傳輸模型Fig.1.Three-layer radiative transfer model under sky background.

來(lái)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(xiàn)可以忽略不計(jì),FTIR 光譜儀的入瞳輻亮度L1可表示為

式中Bi為第i層對(duì)應(yīng)溫度的黑體輻射亮度,τAi為第i層的大氣透過(guò)率,τT2為目標(biāo)氣體云團(tuán)透過(guò)率.一般情況下,氣體云團(tuán)高度不超過(guò)50 m,因此大氣層溫度(T1)、目標(biāo)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(jiǎn)寫(xiě)為

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

為計(jì)算目標(biāo)氣云的透過(guò)率,需要獲取氣體云團(tuán)不存在時(shí)的背景光譜,(4)式可以改寫(xiě)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(cè)過(guò)程中,無(wú)法獲取到目標(biāo)氣云后邊界到測(cè)量系統(tǒng)之間的距離,一般情況下遙測(cè)距離不超過(guò)1 km,大氣吸收較弱,因此(4)式改可寫(xiě)為

進(jìn)行全面規(guī)劃，應(yīng)充分考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)利益與當(dāng)前利益，積極推進(jìn)省內(nèi)重點(diǎn)水利工程建設(shè)，適時(shí)推動(dòng)鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程建設(shè)；持續(xù)推進(jìn)大型灌區(qū)續(xù)建配套工程，加強(qiáng)建設(shè)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(kāi)展縣級(jí)以上城市防洪排澇體系建設(shè)，以及山洪災(zāi)害防治、中小河流治理和鄱陽(yáng)湖蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)，從而提高設(shè)防中心城市防洪標(biāo)準(zhǔn)。

式中,Lbg為天空背景輻射,混合透過(guò)率(τmix)是目標(biāo)氣云透射比與大氣透射比的乘積.由(7)式可知,為計(jì)算混合透過(guò)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(chǔ)

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(xué)厚度,Tδ是光學(xué)厚度為δ對(duì)應(yīng)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(cè)為基準(zhǔn),假定大氣頂?shù)募t外輻射強(qiáng)度為0,則到達(dá)探測(cè)器上的天空向下熱紅外輻射為

式中,δ*為大氣層總光學(xué)厚度.通過(guò)分析(9)式可知,在大氣層總光學(xué)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(guān),(9)式中與天頂角余弦相關(guān)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(dǎo)的特性,因此,(2)式相對(duì)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(dá)地面探測(cè)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(cè)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(guò)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(shí)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(duì)到達(dá)地面探測(cè)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(jì),但在斜程測(cè)量過(guò)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(dòng)遙測(cè)中可以忽略不計(jì).此外,在8—14 μm波段內(nèi),紅外輻射與方位角無(wú)關(guān),在固定測(cè)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)大氣模式與下邊界層溫度,圖2 為MODTRAN中6 種標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)、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?yàn)檫@些參數(shù)隨時(shí)間、空間變化較大,而其他氣體分子在全球分布均勻且隨時(shí)空變化較小,這些分子的廓線在各個(gè)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(dòng)遙測(cè)時(shí),很多情況需要低仰角觀測(cè),觀測(cè)背景為低平天空時(shí),觀測(cè)數(shù)據(jù)與近地面的大氣狀態(tài)相關(guān),隨著測(cè)量仰角的增高,實(shí)測(cè)光譜受冷空背景的影響越來(lái)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(yù)報(bào)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(shí)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(shí)測(cè)場(chǎng)景不同天頂角下的背景輻射光譜.

表2 ECMWF 部分?jǐn)?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(guān)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(jìn)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(guò)預(yù)先仿真得到與各梯度天頂角相對(duì)應(yīng)的輻射亮度曲線,通過(guò)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(jì)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(lái)說(shuō),如果信號(hào)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及遙測(cè)放氣實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

掃描FTIR 遙測(cè)成像系統(tǒng)(圖6)由FTIR 干涉儀、反射式望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)相機(jī)、2 自由度(2-DOF)云臺(tái)、GPS、九軸陀螺儀、干涉圖數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)及臺(tái)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(yuǎn)鏡的最大探測(cè)距離為5 km,視場(chǎng)為7.5 mrad.掃描云臺(tái)的角分辨率為0.01°,可掃描范圍為360°×60°.

圖6 掃描FTIR 遙測(cè)成像系統(tǒng)與測(cè)試場(chǎng)景Fig.6.Scanning FTIR remote sensing imaging system and test scene.

掃描FTIR 遙測(cè)成像系統(tǒng)可以測(cè)量立體氣云的二維投影,系統(tǒng)根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的采樣陣列,利用紅外光譜儀對(duì)監(jiān)測(cè)空間進(jìn)行掃描和可視化.每個(gè)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?jì)算機(jī)進(jìn)行成分識(shí)別、半定量分析和可視化.

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為驗(yàn)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(dǎo)的關(guān)系,分析基于實(shí)測(cè)地點(diǎn)溫濕壓廓線和結(jié)合大氣模式仿真的背景譜對(duì)目標(biāo)透氣云過(guò)率譜反演的影響,因此,進(jìn)行了一次外場(chǎng)放氣遙測(cè)實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)前,首先對(duì)參考區(qū)域進(jìn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中,分為兩步,首先放氣前對(duì)放氣掃描區(qū)域進(jìn)行背景采集,其次對(duì)鋼瓶?jī)?nèi)的六氟化硫氣體以連續(xù)點(diǎn)源的方式進(jìn)行釋放并進(jìn)行掃描測(cè)量,掃描陣列為5 行10 列.此外,對(duì)目標(biāo)氣體掃描時(shí)也需要測(cè)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(duì)應(yīng)的測(cè)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(shí)測(cè)背景譜和SF6目標(biāo)譜,該像素測(cè)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(wú)背景光譜,很難從測(cè)量譜中準(zhǔn)確地提取出目標(biāo)光譜特征,將目標(biāo)光譜與實(shí)測(cè)背景光譜作差,使得SF6吸收結(jié)構(gòu)清晰顯現(xiàn)出來(lái).

圖8 4行7 列像素位置的實(shí)測(cè)背景光譜、目標(biāo)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(guò)率反演與精度分析

將圖7 中測(cè)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(zhǔn)逐波數(shù)進(jìn)行插值,得到放氣掃描區(qū)域內(nèi)各個(gè)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(shí)測(cè)天空背景光譜,從逼近程度來(lái)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(shí)測(cè)背景譜之間的偏差,很大程度來(lái)自于九軸陀螺儀傳感器測(cè)量角精度的影響.

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

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

圖10 SF6 透過(guò)率Fig.10.SF6 transmittance.

采用非線性最小二乘法將反演的透過(guò)率與標(biāo)準(zhǔn)參考光譜進(jìn)行擬合,計(jì)算出SF6氣云柱濃度,實(shí)測(cè)背景與基于參考區(qū)域生成的背景反演的柱濃度關(guān)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(biāo)氣云柱濃度值,X軸為實(shí)測(cè)背景反演的目標(biāo)氣云柱濃度值,兩種背景計(jì)算的SF6氣云濃度值相關(guān)性達(dá)到0.99965,從半定量結(jié)果的精度來(lái)看,基于參考區(qū)域生成的背景完全可以代替實(shí)測(cè)背景,可確保氣云分布趨勢(shì)與實(shí)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(shè)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(shì),自右向左進(jìn)行擴(kuò)散,第4 行末尾4 個(gè)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(gè)高濃度值點(diǎn)及高值的擴(kuò)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(guò)率反演與精度分析

圖13 為試驗(yàn)地點(diǎn)、臨近時(shí)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(shí)測(cè)背景光譜的各個(gè)水汽吸收峰相匹配.由于本工作關(guān)注的重點(diǎn)是目標(biāo)氣云空間濃度分布,圖7(b)給出了各個(gè)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(dǎo)關(guān)系,對(duì)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(chǔ),通過(guò)三次樣條插值算法逐波數(shù)插值生成各個(gè)像素對(duì)應(yīng)的背景光譜,稱之為基于ECMWF 廓線合成的背景.

圖13 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的ECMWF 廓線(a)溫度廓線;(b)相對(duì)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(shí)測(cè)背景與ECMWF 廓線仿真背景Fig.14.Measured background and ECMWF profile simulation background.

將各個(gè)像素背景光譜結(jié)合(7)式反演目標(biāo)透過(guò)率,生成目標(biāo)透過(guò)率如圖15 所示,反演的透過(guò)率依然存在部分水汽吸收峰,因此對(duì)目標(biāo)氣體半定量反演時(shí),需要將水汽吸收峰也代入擬合計(jì)算.將ECMWF 廓線合成背景反演的柱濃度與實(shí)測(cè)背景反演的柱濃度進(jìn)行相關(guān)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(biāo)氣云柱濃度值,X軸為實(shí)測(cè)背景反演的目標(biāo)氣云柱濃度值,兩種背景計(jì)算的SF6氣云濃度值相關(guān)性達(dá)到0.99979,基于ECMWF 廓線合成的各個(gè)背景完全可以用于代替實(shí)測(cè)天空背景.

圖15 基于ECMWF 廓線合成背景提取的SF6 目標(biāo)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(shè)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(shì)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(duì)目標(biāo)氣云透過(guò)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(shí)測(cè)純凈背景存在差異,實(shí)測(cè)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?yàn)榇髿饽Ｊ郊袄€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(biāo)光譜一塊進(jìn)行擬合,其效果也逼近于實(shí)測(cè)背景.對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景中,無(wú)法采集純凈天空背景譜,且需要滿足實(shí)時(shí)性的情況下,采用基于ECMWF 廓線合成背景譜來(lái)代替各個(gè)像素位置的實(shí)測(cè)背景光譜是一種非常具有應(yīng)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(guò)MODTRAN 的6 種大氣模式和SF6遙測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dǎo)的關(guān)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(biāo)氣云透過(guò)率反演方法.通過(guò)SF6氣云柱濃度分布趨勢(shì)和半定量精度,驗(yàn)證了基于ECMWF 廓線合成的背景與實(shí)測(cè)背景對(duì)目標(biāo)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(biāo)氣云透過(guò)率反演的準(zhǔn)確性.