傅里叶变换红外光谱仪遥测污染云团的吸收光谱算法

　　1　引　言

　　随着工业及交通运输业的不断发展,大量的有害物质逸散到空气中造成空气污染,对人体、动植物以及物品、材料等产生了不利的影响。因此,加强空气质量监测和控制废气排放的监测是适应环境管理的迫切需要。大气的主要污染物(如CO2,SO2,CH4,NOX等)在红外波段都有各自的特征吸收,利用污染物的这一特性可选用遥感测定,它能为监测污染物的污染程度并获得其吸收光谱提供了极为引人注目的手段[1]。

　　遥感傅里叶变换红外光谱技术因其具有对污染源作无干扰监测、多组分的同时连续测定、区域性或大范围地区的测量等优点,因而已被越来越广泛的应用于遥感测量技术[2,3]。

　　本文选用了由D&P公司生产的便携式Model-101型傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪[4]来实时探测目标云团和背景,并在晴朗、无风的天气情况下进行了仿真实验研究,尽量减小目标与探测器之间大气影响。所以只考虑背景对探测结果的影响。运用了差谱法和发射光谱法对探测结果进行光谱分析,以获得扣除背景影响后的目标云团吸收光谱。

　　2　建立辐射模型

　　根据FTIR测量原理我们在建立系统红外辐射模型前,首先要考虑进入FTIR光谱仪的辐射能量[5—7]。如图1示,对地平天空为背景的情况,将进入仪器的辐射量以云团为界分三部分来处理:第一部分为大云团前方多种辐射源组成的背景Lbk的贡献;第二部分为云团自身辐射;假定云团前方无任何干扰物存在,云团分布均匀,以及云团与仪器之间大气水平均匀的,则第三部分为仪器到大气云团间的大气辐射Latm的贡献。

　　根据目标源是否充满光谱仪的视场,以下分三种情况建立目标辐射传输模型:

　　模型一:

　　当云团充满仪器的视场时(如图1示),根据辐射传输原理,则仪器接收到的光谱辐亮度为

式中:S为目标云团的光谱透过率;τatm为仪器与目标样品间的大气透过率;εb(λ)为背景光谱发射率;Latm(λ,Tatm)为大气温度为Tatm时的等效黑体辐亮度;Lbb(λ,TS)为云团温度为TS时的等效黑体辐亮度;Lbk(λ,Tbk)为温度为Tbk时的等效黑体辐亮度。

　　模型二:

　　当仪器视场中无云团时(图2),即仪器中只有背景的贡献。仪器接收到的光谱辐亮度表达式为

　　模型三:

　　当仪器视场内云团存在但未充满视场时(如图3示),即仪器中既有目标也有背景辐射的贡献,仪器接收到的光谱辐亮度表达式为

式中AS为目标云团的面积。

　　由于该模型仪器接收到的光谱辐亮度计算复杂,本次研究主要考虑前两种模型。假定我们每次实验选取的云团都足够大地充满视场,从而尽量避免该情形不予考虑。