超光谱成像差分吸收光谱技术研究_司福祺

第57卷第9期2008年9月1000 3290 2008 57(09) 6018 06

物 理 学 报

ACTAPHYSICASINICA

Vol.57,No.9,September,2008

2008Chin.Phys.Soc.

超光谱成像差分吸收光谱技术研究

司福祺

1)

*

1)

谢品华

1)

Klaus PeterHeue

2)

刘 诚

3)

彭夫敏

1)

刘文清

1)(中国科学院环境光学与技术重点实验室,中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥 230031)

2)(环境物理研究所,德国海德堡大学,海德堡,德国)

3)(卫星研究小组,马普化学所,美因茨,德国)(2007年9月27日收到;2008年1月20日收到修改稿)

基于散射光的被动差分吸收(DOAS)技术利用气体的特性吸收谱线可实现对不同大气污染气体的定量测量,介绍了一种基于成像光谱仪的光学遥感系统,该系统运用被动DOAS原理实现了对大气污染气体的二维成像测量,并报道了该系统对实验室样品池一维测量与城市道路上方NO2组分的成像测量实验.基于成像光谱仪的被动DOAS系统利用太阳散射光可获取垂直方向一维的光谱信息,结合扫描装置,便可实现对污染气体的二维成像解析.

关键词:被动差分吸收光谱,成像光谱仪,污染气体,二维成像PACC:8670L

SCIAMACHY则需要三天.近年来,德国海德堡大学

1 引言

的研究人员对地基推扫方式工作的被动DOAS系统进行了相应的研究,成功的实现了对可见烟羽,如工厂烟囱、火山等的排放二维成像解析数据校正提供校准数据源.

因此,本文以基于成像光谱仪、推扫工作方式的超光谱DOAS系统为研究目标,介绍了该系统的构成,反演算法,报道了实验室样品池测量与城市道路上空NO2气体等的测量实验,通过实验,验证了算法的正确性,证实了该系统具有污染气体二维成像解析的功能.希望通过本项工作,促进超光谱被动DOAS系统的发展,解决相应的反演算法,在为环境监测提供实时、有效的光学遥感方法的同时为实现该技术的平台搭载奠定基础.

[9,10]

采用紫外、可见波段散射光、基于差分吸收光谱(DOAS)原理的大气痕量气体解析方法通常被称为被动DOAS技术,这种命名是相对于采用人工光源(如氙灯等)的主动DOAS技术而言的随着全球臭氧测量系统统

[6,7]

[5]

[1 4]

.地基系

统不仅是机载、星载的基础,同时也为机载、星载的

.近些年,

(globalozonemonitoring

experiment,GOME)、大气探测扫描差分吸收光谱系

(scanningimagingabsorptionspectrometerfor

[8]

atmosphericchartography,SCIAMACHY)以及天底观测光谱仪全球O3监测系统

(Dutch Finnishnadir

pointingspectrometerOMI)等星载大气成分探测系统的发射、运行成功,被动DOAS技术取得了长足的发展.相比主动DOAS技术,被动DOAS技术具有以下的优点:1)采用散射光作为光源,简化系统同时减少了系统的安装难题;2)相比主动系统,具有大范围监测的能力;3)易于实现平台搭载(如机载、星载等).

GOME,SCIAMACHY和OMI等都具有大气污染气体浓度二维成像解析功能,GOME与SCIAMACHY采用摆扫方式,而OMI工作在推扫方式下.推扫工作方式不仅减少了扫描装置,同时具有更佳的时间分辨率,如OMI一天便可实现全球覆盖,而

2 测量原理

2.1 超光谱成像

一般物体成像包含二维空间信息,而超光谱成像在包含空间信息的基础上同时记录了像元随波长变化而变化的辐射强度信息,像元具有三维的信息,

*国家高技术研究发展计划(863)(批准号:2007AA12Z109)和中国科学院知识创新工程重大项目(批准号:KZCX1 YW 06 01)资助的课题.E

9期司福祺等:超光谱成像差分吸收光谱技术研究

6019

即空间维,x,y与光谱维 .

目前通常采用二种技术获取超光谱成像,因获取三维信息的时间序列不同而有所区别.基于线阵探测器的摆扫方式一次只能获取单个空间像元的信息,剩下的二维信息均需要扫描来获取,这种工作方

式的时间分辨率较低;利用面阵探测器的推扫方式,一次可将一个空间方向成像,如图1所示的垂直方向,只需要对剩下的一维方向进行扫描(图中的水平方向)就可以完成超光谱成像测量,大大减少了总的测量时间

.

图1 超光谱成像测量原理(一次测量将垂直方向成像在面阵CCD探测器上进行色散,然后通过扫描完成水平方向信息的采集工作,最终实现物体的超光谱测量)

2 2 DOAS反演算法

DOAS技术基于痕量气体的指纹吸收原理反演痕量气体浓度,操作中将大气光学厚度分为快变化与慢变化部分,通过多项式拟和等去除由于瑞利散射、米散射等造成的慢变化部分,并将余下的由痕量气体造成快变化部分与标准截面进行拟和,得到痕量气体浓度.

DOAS系统接收到的光谱信号,根据Lambert beer吸收定律,有

I( )=I0( )e

-

I 0( )=I0( ) exp-

(

i,b

( )SCDi g( ).

(4)

那么,差分光学厚度D 为

D =ln(I 0( ) I( ))=

( ( )SCD).(5)

i

i

通过数字滤波去除随波长作慢变化的宽带光谱结构,保留光谱中的快变化部分,并与气体分子的标准参考光谱进行非线性最小二乘法拟合,从而得到各种气体的斜柱浓度(即污染气体沿光程的积分浓度).

在被动DOAS技术中,采用太阳散射光作为光源,需对太阳辐射的特征结构、大气效应等进行处理,以准确的获取污染气体斜柱浓度.被动DOAS技术中主要考虑的是太阳光夫琅和费结构与大气的Ring效应.

由于太阳光球原子的选择性吸收与发射造成的夫琅和费结构在太阳散射光中占重要的地位,尤其是在紫外和可见波段(300 600nm).在被动DOAS系统中夫琅和费结构占吸收光谱的30%左右

[11]

ii

( )SCD

i

g( ),(1)

其中,I( )为经过大气吸收后的接收光强, i( )是第i种气体分子的吸收截面,SCDi是第i种气体分子的斜柱浓度,g( )代表大气中的瑞利散射、米散射以及光学系统等造成的光强衰减.

DOAS光谱探测技术核心是采用差分的思想.将痕量气体分子的吸收截面变为随波长作慢变化的部分 b( )和快变化部分 i( ),即

i( )= b( )+ ).i(

因此(1)式可以表示为

I( )=I0( ) exp-(2)

,会

给污染气体的反演结果造成很大的影响,因此必须选择合适的方法加以消除,一般采用除以夫朗和费光谱来减少夫朗和费结构的影响.

( ( )SCD

i

i

+ b( )SCDi) g( ).

I)

(3)

当太阳辐射在大气传输时,由于旋转拉曼散射造成散射光的夫琅和费结构变浅的现象称为Ring

6020

物 理 学 报57卷

的影响,但是,如果只单独的考虑夫琅和费结构,而对Ring效应不做处理,则不能将夫琅和费结构的影响完全去除,会给反演结果带来偏差,特别是对浓度较低的污染气体.因此,测量光谱中如何考虑Ring效应的影响也是本项目的一项研究内容.本文采用

[12]

Fish推荐的方法获取Ring光谱,然后将它作为一种大气成分,在进行浓度反演时一同加以考虑,通过这种处理方法,降低Ring效应的影响

.

3.实验系统

超光谱成像DOAS系统结构如图2所示,系统由ATCON光谱仪、PI探测器、商用镜头、扫描镜片及计算机等组成.太阳散射光经过扫描镜片反射后被商用镜头接收,在镜头内完成汇聚、像差校正后经过入射狭缝进入ATCON 2300i光谱仪中,最终成像在PI面阵CCD上(512 2048像元),完成光信号到电信号转换及数字化后通过USB2 0传输到计算机中,同时该计算机具有控制扫描、改变积分时间等功能.

系统使用的C T结构的ACTON PI光谱探测系统可以工作光谱与成像模式下,当探测器垂直于光谱仪时(如图2所示)光谱探测系统工作在光谱模式,此时系统拥有最佳的光谱分辨率(1200线光栅,约0 3nm),而成像效果一般,由中间向两边效果逐渐变差,通过改变光谱仪与探测器的夹角可以获得最佳的成像效果.在系统测试中,我们发现,在光谱模式下约有10nm范围内的光谱具有很好的成像效果,满足对NO2的分析要求,因此,系统并没有另外设计转接装置来改善成像效果,在以后的实验中,系统将使用转接装置来获取较佳的成像光谱以便同时解析更多的污染气体.

在实验室,系统在没有适用扫描装置的情况下对样品池进行了一维测量,得到NO2浓度随高度变化的柱状图.实验中将超光谱成像DOAS系统置于稳定的平台上,在其前方47cm处放置用支撑架固定的圆形NO2标气样品池(浓度0 9%),如图3(a)

图2 超光谱成像DOAS系统结构示意图

系统采用商用数码相机镜头作为光学导入系统收集散射光,该镜头焦距及视场角可调,在实验中,我们将垂直视场角调整到45 并固定,此时水平视场角约为1 .

4 结果与讨论

4 1 实验室样品池实验

图3 (a)实验室测量系统示意图;(b)NO

2浓度反演结果

9期司福祺等:超光谱成像差分吸收光谱技术研究

6021

3

所示,该样品池直径3cm,厚度0 6cm,中心与商用镜头的中心高度相差8cm.

实验中使用430 440nm解析NO2浓度,同时采用移走样品池时的散射光作为参考光谱来去除夫朗和费线的影响.图3(b)为NO2柱浓度图,从图上可以清楚看出由于样品池造成的高浓度区域.样品池与测量系统距离为47cm,垂直视场角45 ,因此,水平测量高度为39cm,对应中心19 5cm,从图3(b)可以看出,测量结果的最大值位于27 5cm附近,与实际样品池与镜头的高度差一致.根据最大测量结果1 26 10mol cm,与样品池厚度0 6cm,计算得

17

2

到样品池浓度8 4 10ppm,误差6 7%.4.2 城市道路上方NO2监测实验

2007年7月19日,超光谱成像DOAS系统在德国海德堡大学环境物理研究所的楼顶对城市道路上方的NO2进行了扫描测量,如图4所示.在结合扫描装置的条件下,系统对距离100m的Berliner路进

行了测量,扫描距离约750m.为了增加时间分辨率,系统采用一次测量不加多次平均的工作方式,时间分辨率为2s,本次实验以道路上方NO2为监测目标,对应的垂直分辨率1 6m,水平分辨率2

m.

图4 道路上方NO2监测实验示意图

超光谱成像系统安装距离地面大约31m,距离公路100m,根据垂直视场角45 ,可得理论测量高度为82 8m,但是因为探测系统安装距离31m的限制,导致测量高度降为72 4m,探测器最下面的12个像元没有探测到有效信号.测量系统位于海德堡大学环境物理研究所楼顶,该建筑在楼顶的四周安装有1m高的水泥防护墙,测量系统放置于离防护墙1m的地方,其透镜高度比防护墙高约0 19m.,面的散射光无法到达探测系统,经计算,道路上方12m以下的散射光无法被探测系统接收.

图5为本次外场扫描实验的测量结果,由图上可以清楚地看出NO2的垂直分布.由于楼顶防护墙的影响,限制了系统视场角,无法解析近地面的污染气体浓度,所以在12m以下的数据不能反映道路上方的情况,该数据仅能有限地反映楼顶情况,因为楼顶散射被探测器接收的光,在被楼顶散射以前,经过

6022

物 理 学 报57卷

图5 道路上方NO2测量结果与扫描区域鸟瞰地图

反之则不行.从12m以上,从图上可以看出NO2的浓度随高度的增加而降低,大约在15m左右达到其峰值.另外,我们看到在水平方向666m处,NO2相比其余位置其浓度较低,在这里,我们想是Neckar河造成的影响,因为该处扫描正好通过这条河流(汽车在桥上时,大多快速通过,而在其他地方,由于红绿灯的影响,很多时候处于等待状态,排放较河流桥上多,另外,测量结果并不全是公路的贡献,公路周围的设施也有贡献,相对河流周围无排放的情况,周边道路的周围情况较复杂,一般存在并行道路或交叉道路的情况,这也是造成河流上排放低的原因),该处12m以下的数据也较其余地方偏低的原因,是因为该处的反射光经过河流上空,河流上方的NO2浓度相比其他地方低,因此666m处12m以下NO2浓度也低于其他地方.实验时间为德国当地时间13时,测量在雨后进行,风速1 48m s,方向北偏东70 ,因此,造成污染物在低空测量的水平方向(南

北)扩散不明显.

5 结 论

本文介绍了基于成像光谱仪的超光谱成像DOAS系统的原理及构成,并报道了利用该系统进行的实验室样品池实验与城市上方NO2排放扫描监测实验,通过实验初步验证了该系统对污染气体的二维成像解析功能.通过本项研究,促进了超光谱被动DOAS系统的发展,初步解决了相应的反演算法,为环境监测提供实时、有效的光学遥感方法,同时也为实现该技术的平台搭载奠定了一定的基础.

同时,超光谱成像DOAS系统在遥感测量领域有着较为广泛的应用,如可见烟羽的扫描测量(烟囱、火山等);工厂、设备泄漏的测量;在已知风廓线的情况下,点源、面源污染气体排放通量的精确解析;机载、星载遥感测量等.

[1]PlattU,PernerD1979J.Geophys.Res.846329[2]PlattU,PernerD1980J.Geophys.Res.857453

9期

[3][4][5][6][7]

司福祺等:超光谱成像差分吸收光谱技术研究

QiF,LiuWQ,ZhouBetal2003ActaPhys.Sin.522197(inChinese)[齐 峰、刘文清、周 斌等2003物理学报522197]SiFQ,LiuJG,XiePHetal2006ActaPhys.Sin.553165(inChinese)[司福祺、刘建国、谢品华等2006物理学报553165]KonovalovIB,BeekmannMR,VautardJPetal2005Atmos.Chem.Phys.5169

JacobiH,KaleschkeL,RichterAetal2006J.Geophys.Res.111D15309

AfeOT,RichterA,SierkBetal2004Geophys.Res.Lett.31

[12][11][9][10][8]

L24113

6023

BoersmaKF,EskesHJ,VeefkindJP2006AtmosphericChemistryandPhysicsDiscussions612301

FalkoL,GerdH,UlrichP2004AppliedOptics434711BobrowskiN,HonningerG,LohbergerFetal2006JournalofVolcanologyandGeothermalResearch150329

HonningerG,FriedeburgC,PlattU2004Atmos.Chem.Phys.4231

FishD,JonesRL1995GeophysicalResearchLetters22811

Hyperspectralimagingdifferentialopticalabsorptionspectroscopy*

SiFu Qi

1)

XiePin Hua Klaus PeterHeue Liu Cheng PengFu Min1) LiuWen Qing1)

1)2)3)

1)(KeyLaboratoryofEnvironmentalOptics&Technology,AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Hefei 230031,China)

2)(InstituteofEnvironmentalPhysics(IUP),UniversityofHeidelberg,Heidelberg,Germany)

3)(SatelliteGroupMainz Heidelberg,MaxPlanckInstitutf rChemie,Mainz,Germany)

(Received27September2007;revisedmanuscriptreceived20January2008)

Abstract

Thetechniqueofpassivedifferentialopticalabsorptionspectroscopy(DOAS)isbasedonfingerprintabsorptionofprobedgasspecies,whichenablessimultaneousmonitoringofavarietyofpollutantsfoundintheatmosphereusingscatteringlightaslightsource.Wedescribeanopticalremote sensinginstrumentwhichisbasedonimagingspectrometerthatpermitsspatiallyresolvedmappingofatmospherictracegasesbypassiveDOASmethod.Theapplicationsofonespatialdimensionalmeasurementofgascellandimagingofthenitrogendioxideovercitymainroadwerealsoreportedinthispaper.Withscatteredsunlightasthelightsource,thesystembasedonimagingspectrometersimultaneouslyacquiringspectralinformationinonespatialdimension,thesecondspatialdimensionisscannedbyamovingmirror.

Keywords:passiveDOAS,imagingspectrometer,pollutedgases,imagingoftwodimensionPACC:8670L

*ProjectsupportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(GrantNo.2007AA12ZA109)andtheKnowledgeInnovationProgramoftheChineseAcademyofSciences(GrantNo.KZCX1 YW 06 01). E mail:[email protected]

第57卷第9期2008年9月1000 3290 2008 57(09) 6018 06

物 理 学 报

ACTAPHYSICASINICA

Vol.57,No.9,September,2008

2008Chin.Phys.Soc.

超光谱成像差分吸收光谱技术研究

司福祺

1)

*

1)

谢品华

1)

Klaus PeterHeue

2)

刘 诚

3)

彭夫敏

1)

刘文清

1)(中国科学院环境光学与技术重点实验室,中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥 230031)

2)(环境物理研究所,德国海德堡大学,海德堡,德国)

3)(卫星研究小组,马普化学所,美因茨,德国)(2007年9月27日收到;2008年1月20日收到修改稿)

基于散射光的被动差分吸收(DOAS)技术利用气体的特性吸收谱线可实现对不同大气污染气体的定量测量,介绍了一种基于成像光谱仪的光学遥感系统,该系统运用被动DOAS原理实现了对大气污染气体的二维成像测量,并报道了该系统对实验室样品池一维测量与城市道路上方NO2组分的成像测量实验.基于成像光谱仪的被动DOAS系统利用太阳散射光可获取垂直方向一维的光谱信息,结合扫描装置,便可实现对污染气体的二维成像解析.

关键词:被动差分吸收光谱,成像光谱仪,污染气体,二维成像PACC:8670L

SCIAMACHY则需要三天.近年来,德国海德堡大学

1 引言

的研究人员对地基推扫方式工作的被动DOAS系统进行了相应的研究,成功的实现了对可见烟羽,如工厂烟囱、火山等的排放二维成像解析数据校正提供校准数据源.

因此,本文以基于成像光谱仪、推扫工作方式的超光谱DOAS系统为研究目标,介绍了该系统的构成,反演算法,报道了实验室样品池测量与城市道路上空NO2气体等的测量实验,通过实验,验证了算法的正确性,证实了该系统具有污染气体二维成像解析的功能.希望通过本项工作,促进超光谱被动DOAS系统的发展,解决相应的反演算法,在为环境监测提供实时、有效的光学遥感方法的同时为实现该技术的平台搭载奠定基础.

[9,10]

采用紫外、可见波段散射光、基于差分吸收光谱(DOAS)原理的大气痕量气体解析方法通常被称为被动DOAS技术,这种命名是相对于采用人工光源(如氙灯等)的主动DOAS技术而言的随着全球臭氧测量系统统

[6,7]

[5]

[1 4]

.地基系

统不仅是机载、星载的基础,同时也为机载、星载的

.近些年,

(globalozonemonitoring

experiment,GOME)、大气探测扫描差分吸收光谱系

(scanningimagingabsorptionspectrometerfor

[8]

atmosphericchartography,SCIAMACHY)以及天底观测光谱仪全球O3监测系统

(Dutch Finnishnadir

pointingspectrometerOMI)等星载大气成分探测系统的发射、运行成功,被动DOAS技术取得了长足的发展.相比主动DOAS技术,被动DOAS技术具有以下的优点:1)采用散射光作为光源,简化系统同时减少了系统的安装难题;2)相比主动系统,具有大范围监测的能力;3)易于实现平台搭载(如机载、星载等).

GOME,SCIAMACHY和OMI等都具有大气污染气体浓度二维成像解析功能,GOME与SCIAMACHY采用摆扫方式,而OMI工作在推扫方式下.推扫工作方式不仅减少了扫描装置,同时具有更佳的时间分辨率,如OMI一天便可实现全球覆盖,而

2 测量原理

2.1 超光谱成像

一般物体成像包含二维空间信息,而超光谱成像在包含空间信息的基础上同时记录了像元随波长变化而变化的辐射强度信息,像元具有三维的信息,

*国家高技术研究发展计划(863)(批准号:2007AA12Z109)和中国科学院知识创新工程重大项目(批准号:KZCX1 YW 06 01)资助的课题.E

9期司福祺等:超光谱成像差分吸收光谱技术研究

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即空间维,x,y与光谱维 .

目前通常采用二种技术获取超光谱成像,因获取三维信息的时间序列不同而有所区别.基于线阵探测器的摆扫方式一次只能获取单个空间像元的信息,剩下的二维信息均需要扫描来获取,这种工作方

式的时间分辨率较低;利用面阵探测器的推扫方式,一次可将一个空间方向成像,如图1所示的垂直方向,只需要对剩下的一维方向进行扫描(图中的水平方向)就可以完成超光谱成像测量,大大减少了总的测量时间

.

图1 超光谱成像测量原理(一次测量将垂直方向成像在面阵CCD探测器上进行色散,然后通过扫描完成水平方向信息的采集工作,最终实现物体的超光谱测量)

2 2 DOAS反演算法

DOAS技术基于痕量气体的指纹吸收原理反演痕量气体浓度,操作中将大气光学厚度分为快变化与慢变化部分,通过多项式拟和等去除由于瑞利散射、米散射等造成的慢变化部分,并将余下的由痕量气体造成快变化部分与标准截面进行拟和,得到痕量气体浓度.

DOAS系统接收到的光谱信号,根据Lambert beer吸收定律,有

I( )=I0( )e

-

I 0( )=I0( ) exp-

(

i,b

( )SCDi g( ).

(4)

那么,差分光学厚度D 为

D =ln(I 0( ) I( ))=

( ( )SCD).(5)

i

i

通过数字滤波去除随波长作慢变化的宽带光谱结构,保留光谱中的快变化部分,并与气体分子的标准参考光谱进行非线性最小二乘法拟合,从而得到各种气体的斜柱浓度(即污染气体沿光程的积分浓度).

在被动DOAS技术中,采用太阳散射光作为光源,需对太阳辐射的特征结构、大气效应等进行处理,以准确的获取污染气体斜柱浓度.被动DOAS技术中主要考虑的是太阳光夫琅和费结构与大气的Ring效应.

由于太阳光球原子的选择性吸收与发射造成的夫琅和费结构在太阳散射光中占重要的地位,尤其是在紫外和可见波段(300 600nm).在被动DOAS系统中夫琅和费结构占吸收光谱的30%左右

[11]

ii

( )SCD

i

g( ),(1)

其中,I( )为经过大气吸收后的接收光强, i( )是第i种气体分子的吸收截面,SCDi是第i种气体分子的斜柱浓度,g( )代表大气中的瑞利散射、米散射以及光学系统等造成的光强衰减.

DOAS光谱探测技术核心是采用差分的思想.将痕量气体分子的吸收截面变为随波长作慢变化的部分 b( )和快变化部分 i( ),即

i( )= b( )+ ).i(

因此(1)式可以表示为

I( )=I0( ) exp-(2)

,会

给污染气体的反演结果造成很大的影响,因此必须选择合适的方法加以消除,一般采用除以夫朗和费光谱来减少夫朗和费结构的影响.

( ( )SCD

i

i

+ b( )SCDi) g( ).

I)

(3)

当太阳辐射在大气传输时,由于旋转拉曼散射造成散射光的夫琅和费结构变浅的现象称为Ring

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的影响,但是,如果只单独的考虑夫琅和费结构,而对Ring效应不做处理,则不能将夫琅和费结构的影响完全去除,会给反演结果带来偏差,特别是对浓度较低的污染气体.因此,测量光谱中如何考虑Ring效应的影响也是本项目的一项研究内容.本文采用

[12]

Fish推荐的方法获取Ring光谱,然后将它作为一种大气成分,在进行浓度反演时一同加以考虑,通过这种处理方法,降低Ring效应的影响

.

3.实验系统

超光谱成像DOAS系统结构如图2所示,系统由ATCON光谱仪、PI探测器、商用镜头、扫描镜片及计算机等组成.太阳散射光经过扫描镜片反射后被商用镜头接收,在镜头内完成汇聚、像差校正后经过入射狭缝进入ATCON 2300i光谱仪中,最终成像在PI面阵CCD上(512 2048像元),完成光信号到电信号转换及数字化后通过USB2 0传输到计算机中,同时该计算机具有控制扫描、改变积分时间等功能.

系统使用的C T结构的ACTON PI光谱探测系统可以工作光谱与成像模式下,当探测器垂直于光谱仪时(如图2所示)光谱探测系统工作在光谱模式,此时系统拥有最佳的光谱分辨率(1200线光栅,约0 3nm),而成像效果一般,由中间向两边效果逐渐变差,通过改变光谱仪与探测器的夹角可以获得最佳的成像效果.在系统测试中,我们发现,在光谱模式下约有10nm范围内的光谱具有很好的成像效果,满足对NO2的分析要求,因此,系统并没有另外设计转接装置来改善成像效果,在以后的实验中,系统将使用转接装置来获取较佳的成像光谱以便同时解析更多的污染气体.

在实验室,系统在没有适用扫描装置的情况下对样品池进行了一维测量,得到NO2浓度随高度变化的柱状图.实验中将超光谱成像DOAS系统置于稳定的平台上,在其前方47cm处放置用支撑架固定的圆形NO2标气样品池(浓度0 9%),如图3(a)

图2 超光谱成像DOAS系统结构示意图

系统采用商用数码相机镜头作为光学导入系统收集散射光,该镜头焦距及视场角可调,在实验中,我们将垂直视场角调整到45 并固定,此时水平视场角约为1 .

4 结果与讨论

4 1 实验室样品池实验

图3 (a)实验室测量系统示意图;(b)NO

2浓度反演结果

9期司福祺等:超光谱成像差分吸收光谱技术研究

6021

3

所示,该样品池直径3cm,厚度0 6cm,中心与商用镜头的中心高度相差8cm.

实验中使用430 440nm解析NO2浓度,同时采用移走样品池时的散射光作为参考光谱来去除夫朗和费线的影响.图3(b)为NO2柱浓度图,从图上可以清楚看出由于样品池造成的高浓度区域.样品池与测量系统距离为47cm,垂直视场角45 ,因此,水平测量高度为39cm,对应中心19 5cm,从图3(b)可以看出,测量结果的最大值位于27 5cm附近,与实际样品池与镜头的高度差一致.根据最大测量结果1 26 10mol cm,与样品池厚度0 6cm,计算得

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到样品池浓度8 4 10ppm,误差6 7%.4.2 城市道路上方NO2监测实验

2007年7月19日,超光谱成像DOAS系统在德国海德堡大学环境物理研究所的楼顶对城市道路上方的NO2进行了扫描测量,如图4所示.在结合扫描装置的条件下,系统对距离100m的Berliner路进

行了测量,扫描距离约750m.为了增加时间分辨率,系统采用一次测量不加多次平均的工作方式,时间分辨率为2s,本次实验以道路上方NO2为监测目标,对应的垂直分辨率1 6m,水平分辨率2

m.

图4 道路上方NO2监测实验示意图

超光谱成像系统安装距离地面大约31m,距离公路100m,根据垂直视场角45 ,可得理论测量高度为82 8m,但是因为探测系统安装距离31m的限制,导致测量高度降为72 4m,探测器最下面的12个像元没有探测到有效信号.测量系统位于海德堡大学环境物理研究所楼顶,该建筑在楼顶的四周安装有1m高的水泥防护墙,测量系统放置于离防护墙1m的地方,其透镜高度比防护墙高约0 19m.,面的散射光无法到达探测系统,经计算,道路上方12m以下的散射光无法被探测系统接收.

图5为本次外场扫描实验的测量结果,由图上可以清楚地看出NO2的垂直分布.由于楼顶防护墙的影响,限制了系统视场角,无法解析近地面的污染气体浓度,所以在12m以下的数据不能反映道路上方的情况,该数据仅能有限地反映楼顶情况,因为楼顶散射被探测器接收的光,在被楼顶散射以前,经过

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物 理 学 报57卷

图5 道路上方NO2测量结果与扫描区域鸟瞰地图

反之则不行.从12m以上,从图上可以看出NO2的浓度随高度的增加而降低,大约在15m左右达到其峰值.另外,我们看到在水平方向666m处,NO2相比其余位置其浓度较低,在这里,我们想是Neckar河造成的影响,因为该处扫描正好通过这条河流(汽车在桥上时,大多快速通过,而在其他地方,由于红绿灯的影响,很多时候处于等待状态,排放较河流桥上多,另外,测量结果并不全是公路的贡献,公路周围的设施也有贡献,相对河流周围无排放的情况,周边道路的周围情况较复杂,一般存在并行道路或交叉道路的情况,这也是造成河流上排放低的原因),该处12m以下的数据也较其余地方偏低的原因,是因为该处的反射光经过河流上空,河流上方的NO2浓度相比其他地方低,因此666m处12m以下NO2浓度也低于其他地方.实验时间为德国当地时间13时,测量在雨后进行,风速1 48m s,方向北偏东70 ,因此,造成污染物在低空测量的水平方向(南

北)扩散不明显.

5 结 论

本文介绍了基于成像光谱仪的超光谱成像DOAS系统的原理及构成,并报道了利用该系统进行的实验室样品池实验与城市上方NO2排放扫描监测实验,通过实验初步验证了该系统对污染气体的二维成像解析功能.通过本项研究,促进了超光谱被动DOAS系统的发展,初步解决了相应的反演算法,为环境监测提供实时、有效的光学遥感方法,同时也为实现该技术的平台搭载奠定了一定的基础.

同时,超光谱成像DOAS系统在遥感测量领域有着较为广泛的应用,如可见烟羽的扫描测量(烟囱、火山等);工厂、设备泄漏的测量;在已知风廓线的情况下,点源、面源污染气体排放通量的精确解析;机载、星载遥感测量等.

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Hyperspectralimagingdifferentialopticalabsorptionspectroscopy*

SiFu Qi

1)

XiePin Hua Klaus PeterHeue Liu Cheng PengFu Min1) LiuWen Qing1)

1)2)3)

1)(KeyLaboratoryofEnvironmentalOptics&Technology,AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Hefei 230031,China)

2)(InstituteofEnvironmentalPhysics(IUP),UniversityofHeidelberg,Heidelberg,Germany)

3)(SatelliteGroupMainz Heidelberg,MaxPlanckInstitutf rChemie,Mainz,Germany)

(Received27September2007;revisedmanuscriptreceived20January2008)

Abstract

Thetechniqueofpassivedifferentialopticalabsorptionspectroscopy(DOAS)isbasedonfingerprintabsorptionofprobedgasspecies,whichenablessimultaneousmonitoringofavarietyofpollutantsfoundintheatmosphereusingscatteringlightaslightsource.Wedescribeanopticalremote sensinginstrumentwhichisbasedonimagingspectrometerthatpermitsspatiallyresolvedmappingofatmospherictracegasesbypassiveDOASmethod.Theapplicationsofonespatialdimensionalmeasurementofgascellandimagingofthenitrogendioxideovercitymainroadwerealsoreportedinthispaper.Withscatteredsunlightasthelightsource,thesystembasedonimagingspectrometersimultaneouslyacquiringspectralinformationinonespatialdimension,thesecondspatialdimensionisscannedbyamovingmirror.

Keywords:passiveDOAS,imagingspectrometer,pollutedgases,imagingoftwodimensionPACC:8670L

*ProjectsupportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(GrantNo.2007AA12ZA109)andtheKnowledgeInnovationProgramoftheChineseAcademyofSciences(GrantNo.KZCX1 YW 06 01). E mail:[email protected]