基于被动FTIR的区域污染气体分布层析成像重构方法的研究

随着社会经济的发展，在城市和工业区形成了大量具有区域排放特征的污染源。目前的点式测量方法难以满足区域监测的需求，急需区域化的大气污染时空分布监测与可视化的新方法。本项目拟以被动傅立叶变换红外光谱（FTIR）遥测方法为基础，结合计算机层析成像（CT）技术，提出一种监测复杂成分区域污染气体的新途径：通过搭建FTIR扫描光路，覆盖大面积监测区域，FTIR采用被动工作方式获取污染气体红外特征光谱，精确反演气体在光学路径上的全光程线积分浓度。在扇束射线几何构型下，以积分浓度为投影，选择合适的CT算法重构区域污染气团，形成可视化的二维浓度轮廓图，更直观、形象的获取污染气体区域时空分布信息。以此方法为基础，可实时掌握较大区域排放源清单，协助定位排放源，估计排放总量，明确排放比例分摊；还可根据污染气体的浓度分布图研究污染物的大气传输、扩散和沉降过程，用来修正污染物的输送模型，为环境的综合治理提供科学依据。

傅里叶红外光谱技术结合层析成像是用于区域污染气体监测的新方法，项目针对高斯烟羽扩散特性，就FTIR光学遥感层析成像开展深入研究：根据被动FTIR扫描方式下遥测光路结构形成的有限投影数据、扇束射线几何构型，针对高架连续点源气体扩散，提出一组新的迭代重建算法，在迭代步骤中引入先验矩阵和相应的滤波策略来获取气体空间分布重构信息。算法能更为准确的定位波峰，完成较长尾峰的重建，并且具有较强的抗噪性。项目还开发了用于气体扩散层析成像重建的分析测试系统，可对不同源强、风速、大气稳定度等扩散条件下的污染气体扩散模拟重建，同时优化重构参数，分析重建误差，进行重建质量评估。项目还研究了FTIR光谱定量分析校准谱的模拟计算，根据逐线积分气体吸收模型计算理想高分辨率光谱卷积仪器线型，模拟计算用于FTIR光谱定量分析的合成校准谱；整合气体分子高分辨率光谱信息，建立特征光谱信息系统存储、管理和分析气体分子谱线参数、吸收截面等数据，作为合成校准谱集的数据基础和支持；并进行非线性光谱拟合方法研究，利用非线性拟合方法拟合理论计算的校准谱集与测量谱，建立非线性方程组，求解最优化的气体浓度参数。项目的研究成果不仅能实现区域污染气体空间分布信息的可视化，有助于光学遥感技术在环境监测领域的进一步发展，还可以为验证、修正污染物的大气传输模型，提供数据支持和科学依据。