LWIR高光(guang)譜成像技(ji)術應(ying)用於(yu)甲(jia)烷等(deng)痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)檢(jian)測(ce)

目前(qian)，環保部門(men)對(dui)在(zai)大(da)區(qu)域範圍(wei)內(nei)研(yan)究(jiu)甲(jia)烷痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)的(de)非(fei)正常(chang)排(pai)放的(de)歸(gui)屬(shu)和(he)量(liang)化(hua)方(fang)面存(cun)在(zai)很(hen)大(da)的(de)不(bu)確定(ding)性。尤(you)其在化(hua)工(gong)園(yuan)區(qu)、工業聚(ju)集區(qu)等存(cun)在(zai)潛在氣(qi)體(ti)汙(wu)染風(feng)險的(de)地(di)區(qu)，快速、靈(ling)敏地(di)定(ding)位(wei)汙(wu)染氣(qi)體(ti)泄(xie)漏(lou)源頭(tou)，量(liang)化(hua)氣(qi)體(ti)排(pai)量(liang)，監測氣(qi)體(ti)擴(kuo)散分(fen)布，對(dui)有(you)效(xiao)預防(fang)災(zai)害發(fa)生，降低(di)風(feng)險(xian)，保(bao)障人(ren)民生命財(cai)產(chan)安(an)全(quan)具(ju)有(you)重(zhong)要意(yi)義(yi)。

AisaOWL長(chang)波紅(hong)外(wai)高光(guang)譜成像技(ji)術，采(cai)用了(le)溫度(du)穩定(ding)的(de)LWIR成像光(guang)譜儀和(he)超(chao)高靈(ling)敏度(du)的(de)冷(leng)卻(que)MCT探(tan)測(ce)器(qi)技(ji)術，並(bing)內(nei)置(zhi)雙(shuang)黑(hei)體(ti)校(xiao)準(zhun)器(qi)，可為(wei)數(shu)據(ju)采(cai)集工(gong)作(zuo)提供了高穩定(ding)性能(neng)。該儀(yi)器(qi)結(jie)構(gou)緊(jin)湊，可以安(an)裝(zhuang)在(zai)小(xiao)型飛機上(shang)或(huo)者地面平(ping)臺(tai)上(shang)，對(dui)低(di)微(wei)濃(nong)度(du)、並(bing)具(ju)有(you)壹(yi)定(ding)溫度(du)差(cha)異(yi)的(de)痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)進(jin)行(xing)檢測(ce)識別(bie)。為客戶提供了壹(yi)種(zhong)滿足(zu)從(cong)7.7到12.3μm熱(re)紅(hong)外(wai)光(guang)譜範圍的(de)完(wan)整可用的(de)低(di)成本、高效(xiao)益(yi)的(de)遙(yao)感(gan)監測應(ying)用方(fang)案。

圖(tu)1：AisaOWL長(chang)波紅(hong)外(wai)高光(guang)譜成像儀（左）；不同(tong)羽流的(de)檢(jian)測（右(you)）（摘(zhai)自(zi)：Evaluation of thermal infrared hyperspectral imagery for the detection of onshore methane plumes: Significance for hydrocarbon exploration and monitoring.）

來(lai)自(zi)美(mei)國加(jia)州理工(gong)大學噴(pen)氣(qi)動力(li)實驗室(shi)的(de)Glynn C. Hulley等(deng)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)，通過對(dui)來(lai)自(zi)機(ji)載LWIR高光(guang)譜成像系統的(de)高空(kong)間(jian)分辨(bian)率數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)處(chu)理分(fen)析，並(bing)結合了新(xin)型熱紅(hong)外(wai)（TIR）遙(yao)感(gan)技(ji)術，成功開(kai)發(fa)出壹(yi)種(zhong)穩定(ding)可靠(kao)的(de)檢(jian)測方(fang)法(fa)，用於(yu)在挑(tiao)戰(zhan)和(he)復(fu)雜(za)環境(jing)條件下(xia)，檢測(ce)甲(jia)烷和(he)其他大(da)氣(qi)痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)排(pai)放(fang)和(he)廣域制圖(tu)，以允(yun)許(xu)直接(jie)找(zhao)尋(xun)歸屬(shu)來源。

本(ben)研(yan)究(jiu)使(shi)用基爾(er)霍(huo)夫定(ding)律(lv)，將半(ban)球型定(ding)向反(fan)射率(lv)表(biao)達為(wei)定(ding)向輻(fu)射(she)率(lv)的(de)函數(shu)(ρλ= 1−eλ)，並(bing)將傳(chuan)感器(qi)輻(fu)射(she)表(biao)達為(wei)無(wu)羽(yu)流(off-plume)的(de)晴空(kong)輻(fu)射(she)率(lv),(Loffλ)如(ru)下(xia)：

 Loffλ(θ)=Lgndλτatmλ +L↑λ

上(shang)式(shi)中的(de)光(guang)譜輻(fu)射(she)包(bao)括(kuo)大氣(qi)輻(fu)射(she)、散射(she)和(he)大氣(qi)成分的(de)吸(xi)收。

圖(tu)2：加州死亡谷的(de)高光(guang)譜數(shu)據(ju)立(li)方(fang)體(ti)，右(you)邊(bian)垂(chui)直切(qie)片(pian)中的(de)輻(fu)射(she)已(yi)根(gen)據大氣(qi)透(tou)射和(he)路徑輻(fu)射(she)校(xiao)正

為(wei)了(le)隔離(li)離(li)開地面(mian)的(de)地(di)表(biao)輻(fu)射(she)和(he)分離(li)地表(biao)溫度(du)和(he)光(guang)譜發射率，本(ben)研(yan)究(jiu)從(cong)觀(guan)測(ce)中去(qu)除了這(zhe)些(xie)大氣(qi)效(xiao)應(ying)。對(dui)於(yu)有(you)羽(yu)流像素（on-plume）的(de)觀(guan)測，大(da)氣(qi)補(bu)償(chang)除了(le)降低(di)羽(yu)流強度(du)對(dui)波長(chang)的(de)依賴外(wai)，還(hai)隔離(li)了離(li)開地面(mian)的(de)地(di)表(biao)輻(fu)射(she)的(de)貢(gong)獻(xian)。有(you)效(xiao)提高了(le)氣(qi)體(ti)羽(yu)流的(de)整(zheng)體(ti)觀(guan)測(ce)精(jing)度(du)及(ji)可靠(kao)性。

圖(tu)3：左圖(tu)描(miao)述了(le)氣(qi)體(ti)羽(yu)流的(de)熱(re)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)傳(chuan)輸(shu)的(de)各種(zhong)組(zu)成部分(fen)，Lsurfλ是(shi)地(di)表(biao)輻(fu)射(she)，Lpλ是(shi)羽(yu)流熱輻(fu)射(she)，L↑λ大(da)氣(qi)路(lu)徑輻(fu)射(she)，ρλL↓λ是(shi)反(fan)射下(xia)行光(guang)輻(fu)射(she)，τatmλ是(shi)大(da)氣(qi)透(tou)射率，τpλ是羽(yu)流透射率(lv)，θ是(shi)觀察(cha)角度(du)，和(he)p(*)的(de)氣(qi)壓(ya)水平(ping)。右(you)圖(tu)為從(cong)HITRAN2012數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong)提取的(de)H2O、CH4、NO2、H2S、SO2、NH3的(de)歸(gui)壹(yi)化(hua)吸(xi)收光(guang)譜，並卷積(ji)得(de)到7.4-12μm熱(re)紅(hong)外(wai)區(qu)不同(tong)波長(chang)範(fan)圍(wei)的(de)光(guang)譜響(xiang)應函數(shu)

本(ben)研(yan)究(jiu)還(hai)引入了(le)壹(yi)種(zhong)混(hun)合雜波匹(pi)配濾(lv)波（CMF）和(he)羽流擴張算(suan)法(fa)應用於(yu)高光(guang)譜成像觀測(ce)，以有效(xiao)地(di)檢(jian)測(ce)和(he)表(biao)征CH4、H2S、NH3、NO2和(he)SO2排放的(de)羽(yu)流空(kong)間(jian)結構(gou)。該算(suan)法用於(yu)提供定(ding)性信(xin)息，以幫(bang)助(zhu)將排(pai)放屬(shu)性歸(gui)為特定(ding)的(de)源類(lei)型和(he)源位(wei)置(zhi)。CMF也(ye)可以被(bei)調整，以檢測(ce)更多擴(kuo)散的(de)CH4增(zeng)強可能(neng)是(shi)來自(zi)壹(yi)個(ge)特定(ding)來(lai)源的(de)下(xia)風口處(chu)進壹(yi)步對(dui)流的(de)結(jie)果(guo)。

下(xia)圖(tu)為加(jia)利福尼(ni)亞(ya)貝(bei)克斯菲(fei)爾(er)德(de)附近(jin)的(de)Kern Front和(he)Kern River油(you)田(tian)的(de)凝(ning)析油(you)儲罐(guan)上(shang)，使(shi)用LWIR高光(guang)譜成像系統檢測到的(de)持(chi)續(xu)的(de)CH4羽(yu)流的(de)例子(zi)。2014年(nian)7月(yue)至(zhi)2015年2月(yue)，在(zai)（a）和(he)（b）圖(tu)元中(zhong)檢(jian)測(ce)到A4源，在(zai)（c）和(he)（d）圖(tu)元中(zhong)檢(jian)測(ce)到B1源。

圖(tu)4：使(shi)用CMF方(fang)法疊(die)加地(di)表(biao)溫度(du)圖(tu)像增強顯示(shi)CH4羽(yu)流

為(wei)了(le)闡(chan)明Kern River油(you)田(tian)區(qu)域的(de)甲(jia)烷羽(yu)流從(cong)與(yu)蒸(zheng)汽驅(qu)產(chan)生的(de)水分(fen)之間(jian)的(de)區(qu)別能力(li)，下(xia)圖(tu)顯示(shi)了(le)從(cong)井(jing)墊(dian)上(shang)方(fang)檢測到的(de)有(you)羽流和(he)無羽流像素中(zhong)提取的(de)7.5-8μm範(fan)圍的(de)亮度(du)溫度(du)譜。右(you)圖(tu)顯示(shi)了(le)CMF疊(die)加結(jie)果(guo)，並突(tu)出(chu)顯(xian)示(shi)了(le)有羽流和(he)無羽流像素。除(chu)了沒有跡象表(biao)明CH4吸(xi)收之外(wai)，無羽(yu)流的(de)像素在(zai)光(guang)譜形(xing)狀和(he)量(liang)級等方(fang)面與(yu)有羽流的(de)像素相(xiang)似(si)。這(zhe)兩個(ge)光(guang)譜均(jun)清(qing)晰(xi)地顯(xian)示(shi)了(le)環境(jing)大(da)氣(qi)中(zhong)水汽含量(liang)在(zai)7.55-7.76和(he)7.85 - 7.9μm區(qu)域的(de)強吸(xi)收特征。與此(ci)同(tong)時，在7.65-7.7μm區(qu)域*的(de)CH4吸(xi)收特征，僅(jin)在有(you)羽流的(de)像素上(shang)可以觀察(cha)到，與(yu)無(wu)羽(yu)流像素相(xiang)差(cha)約10K。在(zai)高分(fen)辨率(lv)的(de)LWIR高光(guang)譜數(shu)據(ju)中(zhong)，可以清(qing)楚(chu)地(di)顯(xian)示(shi)有(you)羽流像素的(de)H2O和(he)CH4吸(xi)收特征之間(jian)的(de)差(cha)異。

圖(tu)5：左圖(tu)為LWIR高光(guang)譜成像在7.5-8μm範(fan)圍的(de)亮度(du)溫度(du)圖(tu)譜，右(you)圖(tu)為2014年(nian)7月(yue)Kern River油(you)田(tian)上(shang)空(kong)羽(yu)流的(de)CMF溫度(du)覆(fu)蓋(gai)圖(tu)。

下(xia)圖(tu)用不(bu)同(tong)顏(yan)色(se)標註(zhu)了(le)LWIR高光(guang)譜成像檢測(ce)的(de)五(wu)種(zhong)痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)（CH4、NO2、NH3、H2S和(he)SO2），並疊(die)加在(zai)地表(biao)溫度(du)灰度(du)圖(tu)上(shang)高亮顯(xian)示(shi)。三個(ge)不同(tong)區(qu)域的(de)樣例結(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)由(you)壹(yi)系列(lie)相(xiang)鄰像素組(zu)成的(de)同(tong)壹(yi)氣(qi)體(ti)羽(yu)流中，同(tong)時檢測(ce)到了(le)兩種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)氣(qi)體(ti)。在(zai)煉油(you)廠(chang)a.1/a.2處(chu)檢測到NH3和(he)NO2，在天然氣(qi)發(fa)電廠(chang)，分(fen)別(bie)在(zai)b.1/b.2位(wei)置(zhi)和(he)c.1/c.2位置(zhi)檢(jian)測(ce)到NH3和(he)H2S。圖(tu)中也(ye)可清(qing)楚(chu)地(di)看(kan)到從(cong)電(dian)廠(chang)區(qu)域排放(fang)的(de)小(xiao)縷的(de)SO2羽(yu)流（藍色(se)），而在(zai)煉油(you)廠(chang)的(de)東(dong)南(nan)部發(fa)現了(le)壹(yi)縷明(ming)顯(xian)的(de)CH4羽(yu)流。

圖(tu)6：壹(yi)個(ge)基於(yu)LWIR高光(guang)譜成像檢測(ce)多種(zhong)類(lei)氣(qi)體(ti)的(de)例子(zi)，在(zai)谷歌(ge)地球影像（中圖(tu)）上(shang)顯(xian)示(shi)的(de)加(jia)拿(na)大(da)埃爾(er)塞貢(gong)多附(fu)近區(qu)域的(de)壹(yi)個(ge)煉油(you)廠(chang)（粉(fen)紅(hong)線(xian)）和(he)天然氣(qi)發(fa)電廠(chang)（黃(huang)線(xian)）

本(ben)研(yan)究(jiu)證(zheng)明(ming)了在(zai)具有(you)代表(biao)性的(de)野(ye)外(wai)條件下(xia)，LWIR高光(guang)譜成像技(ji)術能(neng)夠(gou)以高空(kong)間(jian)分辨(bian)率在大區(qu)域（100km2）範圍(wei)內(nei)檢測和(he)表(biao)征單(dan)個(ge)排放(fang)源的(de)多種(zhong)痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)（CH4、H2S、NH3、NO2和(he)SO2）的(de)大(da)氣(qi)羽(yu)流。LWIR可以在高光(guang)譜分辨率和(he)空(kong)間(jian)分辨(bian)率上(shang)生成寬帶熱紅(hong)外(wai)（TIR）圖(tu)像，並在(zai)機載TIR高光(guang)譜遙(yao)感(gan)測量(liang)方(fang)面取得(de)了重(zhong)大(da)進(jin)展(zhan)。

基於(yu)LWIR高光(guang)譜成像的(de)甲(jia)烷和(he)其他痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)羽(yu)流的(de)高空(kong)間(jian)分辨(bian)率成像檢測(ce)技(ji)術，結(jie)合高分(fen)辨率(lv)風力數(shu)據(ju)，將有(you)助(zhu)於彌(mi)補(bu)衛(wei)星觀測技(ji)術的(de)低(di)分辨(bian)率(lv)、低精(jing)度(du)和(he)長(chang)周期缺點，將在(zai)未(wei)來用於(yu)定(ding)量(liang)反(fan)演(yan)甲(jia)烷排(pai)放(fang)源及(ji)排(pai)放通量(liang)估算。該技(ji)術為(wei)有(you)效(xiao)監測甲(jia)烷等(deng)痕(hen)量(liang)氣(qi)體(ti)，改(gai)善(shan)與汙(wu)染氣(qi)體(ti)排(pai)放(fang)源有(you)關(guan)的(de)科學管(guan)理和(he)決(jue)策提供了新(xin)工具。

易(yi)科泰(tai)生態技(ji)術公司（北京）、光(guang)譜成像與無(wu)人(ren)機(ji)遙(yao)感(gan)研(yan)究(jiu)中(zhong)心（西安(an)）提供環境(jing)汙(wu)染排(pai)放、有害易(yi)爆(bao)氣(qi)體(ti)排(pai)放(fang)全面(mian)監測技(ji)術方(fang)案：

1）AisaOWL LWIR長(chang)波段紅(hong)外(wai)高光(guang)譜成像技(ji)術方(fang)案

2）FX50 MWIR中(zhong)波段紅(hong)外(wai)高光(guang)譜成像技(ji)術方(fang)案

3）WIRIS高分(fen)辨率(lv)紅(hong)外(wai)熱成像與RGB成像

4）EcoGIS安(an)防(fang)與(yu)環(huan)境(jing)汙(wu)染監測技(ji)術方(fang)案

5）EcoProbe空(kong)氣(qi)汙(wu)染與(yu)可燃危險氣(qi)體(ti)檢(jian)測(ce)系統

6）Ecodrone無(wu)人(ren)機(ji)遙(yao)感(gan)空(kong)氣(qi)汙(wu)染監測技(ji)術方(fang)案