機(jī)載光纖式成像差分吸收光譜儀測量區(qū)域大氣污染應(yīng)用研究

張曉莉, 王 煜, *, 奚 亮, 周海金, 常 振, 司福祺

1. 安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院, 安徽 合肥 230031 2. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230031

引 言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 大氣污染呈現(xiàn)出區(qū)域性和復(fù)雜性等特性。 面臨日益嚴(yán)峻的大氣環(huán)境污染問題, 開展區(qū)域污染氣體的快速立體監(jiān)測, 及時了解大氣環(huán)境現(xiàn)狀、 研究分析影響大氣質(zhì)量的各種因素, 及時采取大氣污染控制措施刻不容緩。

差分吸收光譜技術(shù)[1](differential optical absorption spectroscopy, DOAS)作為一種測量大氣痕量氣體(SO2、 NO2等)的有效方法, 目前已廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域, 具有多組分同時測量、 非接觸式測量、 易于實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn)[6-9]。 成像差分吸收光譜技術(shù)(imaging differential optical absorption spectroscopy, IDOAS)是成像光譜技術(shù)和差分吸收光譜技術(shù)的結(jié)合, 通過成像技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)域的二維信息, 結(jié)合DOAS算法對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反演, 獲取痕量氣體二維濃度分布信息, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對痕量氣體濃度二維分布的可視化分析[10-16]。 近年來成像差分吸收光譜技術(shù)在地基、 機(jī)載和星載平臺均有較大的發(fā)展[1-3]。

目前, 國外成像DOAS技術(shù)主要應(yīng)用于地基掃描觀測、 機(jī)載和星載平臺觀測等領(lǐng)域, 主要分析污染氣體二維分布信息。 國內(nèi)安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所對成像DOAS技術(shù)進(jìn)行了深入研究并取得了進(jìn)展, 劉進(jìn)等[17-18]在機(jī)載和地基平臺進(jìn)行了污染痕量氣體二維分布的分析。 2020年, 奚亮等采用紫外可見高光譜成像光譜儀首次觀測得到高分辨率NO2地圖[20]。 2022年, 奚亮等采用權(quán)重變分模型去條帶算法提高了地基IDOAS觀測數(shù)據(jù)的可用性[21]。

以往機(jī)載成像差分吸收光譜儀采用整體式設(shè)計(jì), 需要占用飛機(jī)光學(xué)觀察窗口, 航空搭載需求苛刻、 應(yīng)用受限。 機(jī)載成像差分吸收光譜儀整體式差分吸收光譜儀子系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)上的安裝局限性以及機(jī)上密封艙適航需求等, 限制了DOAS技術(shù)的進(jìn)一步推廣[19], 因此, 探索采用光纖光譜儀設(shè)計(jì), 突破以往整體式成像差分吸收光譜儀在機(jī)上安裝的局限性。 利用光纖光譜儀的機(jī)載成像差分吸收光譜技術(shù), 設(shè)計(jì)了應(yīng)用于快速測量區(qū)域大氣痕量氣體空間分布的實(shí)驗(yàn), 搭載機(jī)載成像DOAS系統(tǒng)在蕪湖周邊進(jìn)行污染氣體濃度的探測, 通過DOAS反演算法快速獲取了航線上空的NO2和SO2的濃度分布, 實(shí)現(xiàn)了探測區(qū)域NO2、 SO2痕量氣體濃度二維分布的同時測量, 并實(shí)現(xiàn)了對飛行探測區(qū)域污染氣體區(qū)域進(jìn)行快速溯源。

1 機(jī)載成像DOAS系統(tǒng)

1.1 機(jī)載成像DOAS測量原理

機(jī)載成像DOAS探測技術(shù)原理如圖1所示。 儀器采用推掃方式工作, 同時獲取長方形條帶內(nèi)的各個視場的地氣散射/反射光譜信息。 通過飛機(jī)飛行, 實(shí)現(xiàn)對航線區(qū)域內(nèi)的圖譜測量。 儀器采用面陣CCD同時采集光譜、 空間信息。 探測光譜范圍選擇紫外波段, 覆蓋NO2、 SO2等多種成分的特征吸收波段。 采用差分吸收光譜算法, 可從測量光譜中解析出污染氣體的斜柱濃度(slant column density, SCD), 利用SCIATRAN大氣傳輸模型對大氣質(zhì)量因子AMF進(jìn)行計(jì)算, 將SCD轉(zhuǎn)化為與路徑無關(guān)的垂直柱濃度(vertical column density, VCD)。 最后結(jié)合機(jī)上POS系統(tǒng)獲得飛行路徑, 將污染濃度部分投影在地圖上, 實(shí)現(xiàn)污染物濃度二維分布可視化。

圖1 機(jī)載成像探測技術(shù)原理圖

1.2 機(jī)載成像DOAS系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

機(jī)載成像DOAS系統(tǒng)包括光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng)、 光譜成像系統(tǒng)部分、 控制部分等, 其整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。 光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng)采集大視場范圍內(nèi)的太陽散射光譜, 匯聚到光譜成像部分。 光譜成像部分采用凸面光柵進(jìn)行色散分光, 凹面反射鏡完成準(zhǔn)直和聚焦, 最后利用CCD探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)化。 控制部分完成整機(jī)數(shù)據(jù)采集控制、 數(shù)據(jù)存儲、 溫控和供電。

圖2 機(jī)載成像DOAS結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng)

以往機(jī)載成像差分吸收光譜儀采用整體式設(shè)計(jì), 光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng)僅為單個大視場望遠(yuǎn)鏡, 直接連接到光譜儀本體上。 使用過程中, 為天底觀測到太陽散射光譜, 需要整機(jī)安裝到飛機(jī)光學(xué)觀察窗口。 考慮到航空作業(yè)飛機(jī)可能會搭載其他光學(xué)載荷, 另外部分密封艙未設(shè)計(jì)對地觀察光學(xué)窗口。 如果整體式機(jī)載成像差分吸收光譜儀外掛安裝, 對整機(jī)溫控、 航空安全性提出極高要求。 為解決以往設(shè)備航空搭載需求苛刻、 應(yīng)用受限的局限性, 提出了基于光纖的光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng), 采用光纖束傳輸方式, 分離望遠(yuǎn)鏡和光譜儀本體。 安裝過程中飛機(jī)改裝需求小, 極大的便利了機(jī)上安裝和調(diào)試, 適應(yīng)了適航設(shè)備認(rèn)證需求。

光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng)包括大視場紫外鏡頭和多芯光纖束。 紫外鏡頭采用多透鏡組結(jié)合設(shè)計(jì), 對地面反射光進(jìn)行整形, 因此紫外鏡頭可收集飛行航線上30°范圍內(nèi)的散射光, 并通過多芯光纖束將其精準(zhǔn)傳遞至面陣CCD。 多芯光纖束設(shè)計(jì)如圖3所示, 光纖芯兩端按照線列排布, 光纖芯束按順序一一對應(yīng)。 光纖束采用50根芯徑為180 μm, 包層厚度10 μm的多模光纖緊密排列, 光纖芯芯間的間距為200 μm, 光纖束整體排布寬度為10 mm。 多芯光纖束的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對散射光信號的高效率收集, 并同時具備了系統(tǒng)光譜成像分辨率高、 大視場以及與光譜儀孔徑更相匹配等優(yōu)點(diǎn), 光纖束的傳輸方式極大便利了機(jī)載成像DOAS系統(tǒng)在機(jī)載飛行探測中的安裝和調(diào)試。 設(shè)備采用特制多芯光纖束連接光譜儀, 具有光譜成像分辨率高、 大視場、 光學(xué)孔徑大等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 多芯光纖束設(shè)計(jì)圖

為高效采集太陽散射光譜, 并與光學(xué)導(dǎo)入光纖束數(shù)值孔徑進(jìn)行匹配, 設(shè)計(jì)了大視場紫外鏡頭。 紫外鏡頭采用透射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì), 采取反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 視場角30°, 能夠獲得較大的視場又可以保證光學(xué)系統(tǒng)輻射能量的有效利用率。

1.2.2 光譜成像系統(tǒng)部分

目標(biāo)區(qū)域來自地表的散射光通過導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)會聚進(jìn)入光譜成像系統(tǒng)的入射狹縫, 并利用光譜成像系統(tǒng)色散成像至面陣CCD上, 最后經(jīng)過面陣CCD的模數(shù)轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。 光譜成像系統(tǒng)采用Littow-offner結(jié)構(gòu), 主要由入射狹縫、 凹面反射鏡、 凸面光柵、 面陣CCD等組成, 數(shù)值孔徑與光纖匹配。 該結(jié)構(gòu)形式具有相對孔徑大、 固有像差小、 成像質(zhì)量高以及系統(tǒng)集光本領(lǐng)高等特點(diǎn)。 同時, 相較于傳統(tǒng)Offner型光學(xué)系統(tǒng), Littow-offner光譜成像系統(tǒng)具有更為簡單、 緊湊的結(jié)構(gòu), 更小的體積、 更輕的質(zhì)量以及更為簡便的裝配方式使其更適合機(jī)載系統(tǒng)的應(yīng)用。 光譜成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)圖如圖4所示。

表1 光譜成像系統(tǒng)部分參數(shù)

圖4 光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

利用ZEMAX仿真軟件模擬了光纖束作為光學(xué)導(dǎo)入源時, CCD焦面位置的成像情況。 輸入波長分別為300、 325、 350、 375和400 nm, 光纖束挑選了33根(兩端的32根和中心1根)。 圖5中給出了光纖成像光譜模擬情況, 水平方向?yàn)楣庾V維方向, 垂直方向?yàn)榭臻g維方向。 由模擬結(jié)果可看出, 光纖束作為狹縫端導(dǎo)入源時, 依然保持良好成像質(zhì)量, 全視場彌散斑均勻, 各個光纖芯成像可完全分辨, 避免不同光纖之間光信息的串?dāng)_。

圖5 光纖成像光譜模擬情況圖

1.2.3 整機(jī)集成

光纖式成像差分吸收光譜儀極大提高了機(jī)載平臺集成的靈活性。 整體系統(tǒng)進(jìn)行了集成化及輕量化設(shè)計(jì), 整體重量小于6 kg。

系統(tǒng)安裝示意圖如圖6所示, 儀器通過減震系統(tǒng)固定于飛機(jī)上, 接收鏡頭安裝于機(jī)載平臺腹部下方, 光纖排布方向垂直于飛行方向, 接收系統(tǒng)通過光纖束與整機(jī)集成系統(tǒng)連接。 本系統(tǒng)采用光纖連接式方案, 極大提高了機(jī)上集成的靈活性, 為機(jī)上光信號長距離的傳輸提供基礎(chǔ)。

圖6 系統(tǒng)安裝示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 探測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

光纖式光學(xué)導(dǎo)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 極大地提高了成像差分吸收光譜儀的安裝便利性。 為驗(yàn)證改進(jìn)措施對氣體反演精度的影響以及航空適應(yīng)性, 開展了技術(shù)校飛試驗(yàn)。 2021年6月6日, 光纖式成像差分吸收光譜儀系統(tǒng)搭載蕪湖中電科鉆石飛機(jī)平臺, 在蕪湖市及周邊地區(qū)上空進(jìn)行大氣污染觀測實(shí)驗(yàn)。

飛機(jī)于當(dāng)日上午10點(diǎn)40分在蕪宣機(jī)場起飛, 途徑蕪湖市區(qū)、 鳩江區(qū)清水創(chuàng)業(yè)園、 三山區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、 繁昌區(qū)繁陽鎮(zhèn)、 馬蕪銅經(jīng)濟(jì)區(qū)等, 整體測試飛行總時長為2 h 40 min。 在蕪湖市上空飛行高度約為3 000 m, 飛行速度約為56 m·s-1。 飛行航線設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對蕪湖市周邊重工業(yè)園等區(qū)域進(jìn)行并掃描, 航線如圖7所示。 系統(tǒng)探測采用推掃方式, 掃描幅寬約1 600 m, 空間分辨率約為34 m (垂直飛行方向) ×82 m (飛行方向) 。

圖7 飛行航線圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

圖8(a)為飛行測試中CCD采集到的太陽散射光譜強(qiáng)度信息。 可看出由于光纖的引入, 面陣CCD采集的圖像由連續(xù)分布變?yōu)闂l帶狀分布。 其中, 光譜縱向是空間維度, 每一個橫向條帶代表每根光纖在面陣CCD上的光譜信息。 圖8(b)為縱向光強(qiáng)分布圖, 可看出交替出現(xiàn)的明暗條紋。 對于原始光譜進(jìn)行預(yù)處理, 首先去除背景噪聲, 然后對明暗條紋進(jìn)行分割, 對明條紋進(jìn)行空間維像元合并, 對暗條紋進(jìn)行剔除, 得出每根光纖的光譜圖。

利用DOAS算法對原始光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)反演得出待測區(qū)域污染氣體的斜柱濃度SCD, 然后結(jié)合大氣質(zhì)量因子AMF, 將斜柱濃度SCD轉(zhuǎn)換為垂直柱濃度VCD, 最后結(jié)合飛行參數(shù)將污染情況投影至地圖。 流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程圖

選取蕪湖市西南方山區(qū)附近作為參考譜, 參考譜經(jīng)緯度(118.141 8°E, 31.205 0°N), 時間為飛行當(dāng)日12點(diǎn)11分43秒。 在擬合過程中, 測量譜需選擇相同CCD通道所采集到的參考譜。 圖10為一個光譜的NO2擬合效果圖, 測量光譜采集時間11點(diǎn)58分48秒, 經(jīng)緯度(118.160 5°E, 31.242 4°N), 合并數(shù)目為16, 選擇第9條測量譜以及對應(yīng)的參考譜進(jìn)行擬合, 擬合參數(shù)見表2。 反演可得NO2斜柱濃度SCD為2.08×1016molec·cm-2, 擬合殘差1.93×10-3。

表2 DOAS擬合參數(shù)

圖10 NO2擬合圖

由于斜柱濃度受觀測位置等其他條件的影響, 所以在進(jìn)行二維投影前需將斜柱濃度轉(zhuǎn)換成與觀測路徑無關(guān)的垂直柱濃度。 采用大氣輻射傳輸模型模擬計(jì)算大氣質(zhì)量因子, 根據(jù)式(1)計(jì)算得出垂直柱濃度VCD。

(1)

大氣質(zhì)量因子計(jì)算過程中, 需要輸入大氣氣溶膠、 氣體等參數(shù)。 結(jié)合當(dāng)天過境的MODIS 470 nm的氣溶膠產(chǎn)品, 以及邊界層均勻分布的氣體垂直廓線以及氣溶膠邊界層內(nèi)的均勻廓線, 利用標(biāo)量離散坐標(biāo)技術(shù), 建立輻射傳輸模型。 并利用該模型結(jié)合太陽角度、 觀測角度以及地表反射率等參數(shù), 計(jì)算AMF。 最后, 結(jié)合機(jī)上POS飛行數(shù)據(jù)、 以及飛機(jī)姿態(tài)信息, 將所得到的垂直柱濃度數(shù)據(jù)投影至地圖上, 得出飛行路線上的NO2濃度分布。

2.3 NO2、 SO2二維空間分布分析

機(jī)載成像差分吸收光譜儀采集地表反射的太陽輻射光譜, 經(jīng)過差分吸收算法反演可得到痕量氣體的SCD, 并根據(jù)計(jì)算的AMF數(shù)值, 得到了痕量氣體的垂直柱濃度。 結(jié)合機(jī)載平臺的經(jīng)緯數(shù)據(jù)信息和飛行姿態(tài)情況, 可精準(zhǔn)的將反演結(jié)果投影到地圖上, 圖11為飛行區(qū)域NO2濃度分布圖。 通過對NO2污染濃度結(jié)果分析, 航線中大部分區(qū)域較為潔凈, 觀察到多個顯著污染點(diǎn)。 NO2濃度最大值出現(xiàn)在污染點(diǎn)1附近, 其垂直柱濃度值可達(dá)2.6×1016molec·cm-2, 周邊包含多個重工業(yè)型企業(yè)。 飛行航線上污染點(diǎn)2、 3、 4附近均存在重工業(yè)型企業(yè)或貨輪碼頭等污染源。 污染數(shù)據(jù)呈向東北方向擴(kuò)散的趨勢, 且在污染點(diǎn)1與污染點(diǎn)3處呈現(xiàn)片狀分布。 結(jié)合當(dāng)天風(fēng)向(西風(fēng)與西南風(fēng)), 可看出污染物濃度順著風(fēng)源的方向向外擴(kuò)散。

圖11 NO2垂直柱濃度分布圖

圖12為飛行航線上SO2污染氣體濃度分布。 飛行航線上空整體較為潔凈, 僅在污染點(diǎn)1和污染點(diǎn)2處有少量SO2污染氣體, 柱濃度值可達(dá)2.8×1016molec·cm-2, 周邊均存在重工業(yè)型企業(yè), 探測結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖12 SO2垂直柱濃度分布圖

污染氣體機(jī)載遙感、 星載遙感都采用天底觀測, 機(jī)載平臺非常適用于衛(wèi)星產(chǎn)品校驗(yàn), 也評估了衛(wèi)星數(shù)據(jù)、 機(jī)載數(shù)據(jù)的交叉校驗(yàn)精度。 相比于大部分星載傳感器, TROPOMI具有更高的空間分辨率, 空間分辨率5.5 km×3.5 km, 因此, 選取飛行當(dāng)天TROPOMI測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。 經(jīng)對比可看出機(jī)載數(shù)據(jù)與TROPOMI數(shù)據(jù)的污染濃度地點(diǎn)及污染濃度變化趨勢一致性較高, 在所有污染點(diǎn)附近均出現(xiàn)污染高值。 衛(wèi)星具有觀測范圍大的優(yōu)勢, 機(jī)載則具有超高空間分辨率的優(yōu)勢, 更加適用于大氣污染源定位和定量化監(jiān)管的需求。 如圖13所示, 6月6日在蕪湖市上空NO2濃度分布在衛(wèi)星地圖上的投影分布圖, 濃度單位為molec·cm-2。

圖13 TROPOMI與機(jī)載NO2垂直柱濃度分布圖

選取衛(wèi)星數(shù)據(jù)、 機(jī)載數(shù)據(jù)的重合點(diǎn), 評估了二者交叉校驗(yàn)精度。 選取飛行區(qū)間所經(jīng)過的TROPOMI 45個地面像元, 像元點(diǎn)內(nèi)的所有機(jī)載數(shù)據(jù)平均化處理。 TROPOMI與機(jī)載NO2濃度對比分析如圖14所示, 可發(fā)現(xiàn)在飛行區(qū)域內(nèi)NO2污染氣體濃度分布趨勢吻合度較高, 機(jī)載觀測數(shù)據(jù)整體低于TROPOMI。 機(jī)載光纖成像DOAS測試數(shù)據(jù)與TROPOMI當(dāng)日數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)為0.77, 二者測試結(jié)果呈現(xiàn)正相關(guān), 且具有較高的線性相關(guān)性。

圖14 TROPOMI與機(jī)載NO2濃度對比分析圖

3 結(jié) 論

介紹了光纖式成像差分吸收光譜儀的設(shè)計(jì)方案, 具有良好性能的同時, 極大提高了設(shè)備安裝便利性。 光纖式成像差分吸收光譜系統(tǒng)在蕪湖周邊上空附近進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探測, 利用推掃的工作方式, 快速獲取了飛行航線污染區(qū)域范圍大氣污染分布變化情況, 實(shí)現(xiàn)了探測區(qū)域NO2、 SO2氣體濃度二維分布的同時測量, 以及區(qū)域范圍內(nèi)的污染氣體的快速溯源, 且評估了機(jī)載與TROPOMI衛(wèi)星的交叉檢驗(yàn)精度。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對痕量氣體的高分辨率探測, 驗(yàn)證了機(jī)載光纖式成像差分吸收光譜系統(tǒng)在航空平臺的應(yīng)用適應(yīng)性, 建立了對應(yīng)的機(jī)載痕量氣體反演算法, 彌補(bǔ)了地面站點(diǎn)監(jiān)測在空間尺度上以及衛(wèi)星測試方面在時間尺度上的不足之處。