生物气溶胶云团的红外被动遥测定量分析方法研究

高致病性生物气溶胶可随空气传播，严重危害着生态环境和人类健康，而当前对生物气溶胶的监测大多采用现场采样后离线分析的方法,缺乏生物气溶胶污染实时信息的获取手段。鉴于此，本项目提出一种生物气溶胶红外被动遥测的定量分析新方法，针对传统红外遥测方法难以探测生物气溶胶的红外光谱特征的问题，通过实验和理论分析，研究不同散射背景下生物气溶胶的红外辐射特性，探索仪器效应、外界辐射和气体吸收干扰导致光谱发生展宽和漂移等非线性变化的影响机制，构建生物气溶胶红外遥测辐射传输模型，在此基础上，结合仿真生物气溶胶消光系数，研究生物气溶胶云团浓度的反演算法，实现生物气溶胶云团的实时在线精确遥测。通过本项目的研究，为生物气溶胶污染的实时监测和突发性事件的应急遥测奠定方法基础。

当前对于生物气溶胶的检测大多采用离线分析方法，难以实时获取污染现场状况。鉴于此，本项目提出一种基于傅里叶红外光谱技术的生物气溶胶红外被动遥测方法，通过实验和理论分析，研究了气溶胶红外光谱特性，探索了吸收气体干扰和仪器效应非线性影响机制，构建了生物气溶胶红外遥测辐射传输模型，在此基础上，结合典型气溶胶的复折射率指数和粒径分布计算仿真生物气溶胶消光系数，研究了生物气溶胶云团浓度的反演算法，实现生物气溶胶云团的实时在线精确遥测。最后利用集成实验系统进一步通过现场实验对算法进行仿真验证。其主要研究内容如下：.本项目首先在传统的三层辐射传输模型基础上，研究了水平或低仰角观测条件下的生物气溶胶光谱辐射特性和遥测理论模型，并深入探讨了仪器效应对测量光谱的非线性作用机制，提出基于辐射传输模型遥测标定算法，分析了校准质量影响因素，在此基础上，设计了一套可同时获取生物气溶胶红外光谱和粒径参数的室内仿真测试系统。.其次，通过傅里叶变换红外光谱技术分析了枯草芽孢杆菌的质量消光截面，获取了气溶胶的红外消光特性，提出了基于KK关系快速求解复折射率的方法。结果表明，枯草芽孢杆菌的吸收带在970-1190cm-1，处在红外遥测的大气长波窗口区，通过傅里叶变换红外光谱方法可以有效获取生物气溶胶的特征光学参数，该数据对生物气溶胶的红外光谱法预警和遥测提供了特征数据支持。.最后，本项目开展云团遥测系统外场实验和性能测试，建立了一套可成像的红外光谱扫描测量系统，用于对泄漏的多种气态和生物气溶胶成分进行远程遥测和浓度分布的伪彩色图像显示。实验中，考虑环境安全和释放条件等因素，选择了消光波段接近枯草芽孢杆菌生物孢子的示踪气体作为释放模拟剂，开展了实地验证和测试实验，验证了分析算法的效果，并结合MODTRAN典型大气模式，分析了遥测系统对生物孢子的探测能力。.在项目研究中，课题组发表论文篇16篇，申报专利3项，软件登记4项。完成既定目标和任务。项目的开展，为我们对生物气溶胶及其他危险品泄漏事故的应急遥测提供了一种快速简便的手段，可有效的实现对有害气溶胶云团进行预警。此外，也拓宽了现有的傅里叶红外光谱分析技术在气溶胶成分检测方面的应用。