閆 浡,陳 豪,曾丹丹,李帥輝

(1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

1 引 言

近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展與工業(yè)的擴張,化工污染、溫室氣體的排放日益增多,為此,我國提出了降低碳排放的“雙碳戰(zhàn)略”。此外,危險氣體的泄露事故時有發(fā)生,如2022年6月18日,上海金山石化發(fā)生乙炔爆炸事故造成1死1傷。氣體檢測逐漸成為石化、環(huán)保等領(lǐng)域所關(guān)注的重點。

傳統(tǒng)的化學(xué)氣體檢測手段適用氣體范圍單一,成本較高,精度較低,測量范圍較小,難以做到實時大范圍的氣體檢測。遙感氣體檢測手段可遠距離實時測量氣體種類與濃度,成為了新的發(fā)展方向[1]。目前常用的遙感檢測手段主要有可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)、差分吸收光譜技術(shù)(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)[1],以及傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR)[2]技術(shù)等。其中,FTIR技術(shù)具有探測空間范圍廣,可探測氣體種類多,測量精度高等優(yōu)點,可應(yīng)用于污染與溫室氣體探測領(lǐng)域。

早期的FTIR設(shè)備體積較大,一般應(yīng)用于機載、星載的地面遙感中[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展,小型化FTIR設(shè)備開始在氣體檢測領(lǐng)域發(fā)揮作用,目前常用的FTIR為不需外加紅外光源的被動型設(shè)備[2-3],具有機動、快速、靈活的優(yōu)點,其基于新型材料的面陣型基底相比傳統(tǒng)設(shè)備更具有優(yōu)勢[4]。2003年,Harig[3]等首先使用逐點掃描式FTIR光譜儀對甲烷氣體進行了探測,得到了空間內(nèi)某一路徑上甲烷氣體的柱濃度。焦洋等[5]也進行了類似實驗,結(jié)合新型光譜提取算法,得到了SF6氣體在一定區(qū)域內(nèi)柱濃度分布,但取樣點只有36個,且每個取樣點掃描時間長達2秒以上,單幅圖像總采集時間超過兩分鐘,一般而言氣體云已逸散開來,獲得大范圍、高時空分辨率、高精度氣體柱濃度分布較為困難。2007年,Chamberland[6]等拓展了溫室和污染氣體種類,使用面陣型FTIR得到了CH4、NH3與SO2等多種氣體云柱濃度分布,實驗于野外日間進行,采樣太陽光光源、雜散光干擾小。對于常見使用場景如化工園區(qū)等,難以外加主動光源,日間光環(huán)境較野外更為復(fù)雜,會影響其測量效果,雖然可以通過掩日觀測提高信噪比[7],但需要隨太陽改變觀測位置,對于實際問題機位尋找困難且難以進行持續(xù)觀測。同時,對于部分吸收與輻射峰不太明顯的氣體,如常見于火電站與汽車尾氣排放的H2S,現(xiàn)有開放光路式FTIR設(shè)備受檢測靈敏度限制,一般對200 ppm·m以上濃度才能做到有效檢測[7],對化工園區(qū)污染排放定量測量較為困難。

綜上所述,目前現(xiàn)有常規(guī)手段探測范圍較小、空間分辨率較低、受雜散光影響嚴重,且靈敏度較低,亟需采用新型探測手段提高溫室氣體、污染氣體泄露監(jiān)測、定量測量。本文結(jié)合面陣型FTIR設(shè)備的優(yōu)點,提出了基于月光散射的氣體測量原理,在夜間對我國北方某城市化工園區(qū)排放進行了觀測。建立了基于紅外高光譜數(shù)據(jù)的污染物空間柱濃度分布計算模型,定性確定了排放氣體的種類,得到了硫化物柱濃度時空分布。

2 基于月光散射的FTIR氣體測量原理

如圖1所示的大氣探測模型,路徑上大氣可視為處于局地?zé)崃W(xué)平衡狀態(tài)下的多層均勻介質(zhì),每一層大氣在產(chǎn)生輻射的同時,也在吸收上一層大氣的發(fā)射輻射。對于被動式紅外測量,依賴自然光源,如太陽或月亮及其散射光[9]。為避免日間地表化工設(shè)備反射等雜散光影響,本文采用月光散射光源,FTIR設(shè)備在探測路徑上接收經(jīng)過大氣和污染氣體云團散射的月光。由于污染氣體云團距離FTIR設(shè)備較近,其間大氣光學(xué)薄,長波紅外波段透過率近似為1,根據(jù)氣體探測三層傳輸模型[3],進入探測系統(tǒng)的總光譜輻亮度為:

圖1 基于月亮散射的三層氣體探測模型

L1=(1-τ2)L2+τ2(Lair+Lmoon)

(1)

其中,L1為設(shè)備接收到的光譜輻亮度;τ2為第二層即污染氣體云團的光譜透過率;L2為與污染氣體云團同溫度下黑體光譜輻亮度;Lmoon為月光散射光譜輻亮度;Lair為第三層大氣光譜輻亮度,其二者之和為背景光譜輻亮度,記作Lb。

在實際測量中,FTIR原始干涉圖像需經(jīng)過趨勢項去除、切趾與相位校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理[10],通過反傅里葉變換并結(jié)合實驗室標(biāo)定和原位標(biāo)定,可得到光譜輻亮度L1。在FTIR設(shè)備低仰角向上觀測時,大氣背景Lb可通過測量設(shè)備直接得到。當(dāng)?shù)谌龑哟髿庵刑綔y路徑足夠長時,此時二氧化碳在長波紅外波段內(nèi)具有沉積效應(yīng),滿足光學(xué)厚條件,可通過標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫擬合反演得到氣體光譜亮溫和濃度,進而確定L2[11]。將上述諸量代入式(1),即可得到夜間依賴月光散射的污染氣體光譜透過率τ2[12],進而得到氣體光譜吸收率α2,表達式如下:

τ2=(L1-L2)/(Lb-L2)

(2)

α2=1-τ2

(3)

獲得氣體吸收率后,通過峰的位置確定氣體種類,一般采用朗博-比爾定律可得到氣體濃度[13-14]。在實際應(yīng)用中,由于已有常用、準(zhǔn)確的光譜吸收率數(shù)據(jù)庫,如HITRAN數(shù)據(jù)庫[15],假定溫度、氣體壓力和柱濃度可得計算光譜,將每一像元、每一波數(shù)的實測光譜吸收率與基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫計算出的目標(biāo)氣體光譜進行對比,尋找與實測光譜整體匹配度最佳的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫譜線,其判別標(biāo)準(zhǔn)為擬合均方差閾值滿足要求,即對不同波數(shù)之間的殘差求均方值:

(4)

這里N為波數(shù)個數(shù);αcal,n為計算得到的第n個波數(shù)氣體吸收率。當(dāng)滿足迭代終止條件時,此時標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫譜線所代表的氣體濃度即視為被測氣體柱濃度,這里記作ρc。

在自然環(huán)境下,排放污染氣體溫度略高,擬合反演時溫度范圍設(shè)為290～310 K,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1 atm,柱濃度最大值一般取1000 ppm·m,可得計算氣體譜線。將不同像元實測譜線與計算氣體譜線逐一比較,可以確定每個像元對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的氣體柱濃度[16]。

3 硫化物排放實驗測量

3.1 化工園區(qū)排放外場實驗測量

2022年9月夜間對我國北方某化工園區(qū)氣體排放進行了實驗測量。實驗現(xiàn)場氣溫約為19 ℃,相對濕度52 %,東南風(fēng)5 km/h。月相為上弦月,月光照射較為充足,能見度較高。實驗現(xiàn)場可見光圖像如圖2所示,觀測點在相對高位處,海拔約65 m。觀測點與觀測區(qū)域的相對位置如圖3所示,化工園區(qū)主標(biāo)志煙囪在觀測點南偏南西約19 °,海拔約30 m,水平距觀測點約1300 m。實驗中以不同仰角進行多組觀測,高仰角記為煙囪排放區(qū),低仰角記作化工設(shè)備排放區(qū)。較高的煙囪記為F1,高約140 m,較低的記為F2,高約110 m。

圖2 實驗測量區(qū)域可見光圖像

圖3 實驗測量區(qū)域相對位置示意圖

實驗中采用加拿大Telops公司生產(chǎn)的成像型FTIR設(shè)備(圖4),其為小型集成化產(chǎn)品,包括光學(xué)頭、控制盒,重量分別約8 kg和4 kg。實驗中通過便攜式電源供電,PC機進行控制、原始數(shù)據(jù)采集和實時處理。該FTIR為長波紅外面陣式探測器,像元數(shù)320×256,像元尺寸30 μm,探測波段7.4～12.5 μm;波數(shù)825～1355 cm-1,光譜分辨率3～32 cm-1,實驗中設(shè)置為5 cm-1。FTIR光學(xué)系統(tǒng)焦距為50 mm,視場角17.9 °×14.6 °,瞬時視場角約為1 mrad。光譜成像幀頻約為0.7 Hz,數(shù)據(jù)立方體獲取周期約為1.5 s。

圖4 面陣型FTIR設(shè)備簡圖

為提高測量準(zhǔn)確性,實驗中以月亮直射光為標(biāo)準(zhǔn)光源進行了原位標(biāo)定。如圖5所示,選取月亮中心3×3像元區(qū)域,對其光譜輻亮度進行平均,并與MODTRAN計算結(jié)果進行了對比。這里MODTRAN大氣模式選取1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣,溫濕度取上述給出的當(dāng)?shù)貙嶋H測量值,月亮高度角65°、方位角南偏西22°,氣溶膠模式選擇H-G模式,能見度設(shè)為10 km。分析表明,月光FTIR原位標(biāo)定數(shù)據(jù)相比MODTRAN給出的計算光譜結(jié)果平均偏大約6 %。如果考慮到月光輻亮度本身有約7 %的波動等因素,則可知FTIR實驗測量均方誤差約為9 %。

圖5 月亮光譜MODTRAN計算結(jié)果與FTIR測量數(shù)據(jù)對比

3.2 排放物光譜識別與濃度定量反演

圖6給出了FTIR測量得到的化工園區(qū)污染氣體排放全波段輻亮度灰度圖,圖6(a)煙囪口附近白色云為排放氣體團,輻亮度較背景高;圖6(b)化工設(shè)備排放區(qū)有三塊黑色云,輻亮度較背景低,表明存在吸收效應(yīng)。兩場景均取上風(fēng)處未受污染氣體影響的左上角10×10像元大小區(qū)域輻亮度均值作為背景輻亮度Lb。記煙囪F1、F2排放氣體云團區(qū)域為A11和A12,大小分別為20×70像元與30×30像元,在兩個氣體云團的源頭、中部與尾部分別取三個典型位置,記作F11、F12、F13和F21、F22、F23。取化工設(shè)備排放區(qū)兩氣體云區(qū)域,記作A21與A22,大小分別為32×55像元與22×67像元,從三團氣體云中選取亮度最低的點,分別標(biāo)記為F31、F32和F33。

圖6 化工園區(qū)污染氣體排放全波段輻亮度灰度圖及采樣點選取示意圖

圖7給出了上述煙囪排放區(qū)和化工設(shè)備排放區(qū)采樣點與背景的光譜輻亮度對比?？梢钥闯?A11、A12區(qū)域采樣點氣體云輻亮度整體高于背景,平均約高15 %。在H2S特征波段1000～1200 cm-1范圍內(nèi),可發(fā)現(xiàn)氣體云輻亮度存在明顯波動,表明排放污染氣體團存在發(fā)射輻射現(xiàn)象。在化工設(shè)備排放區(qū),采樣點輻亮度與背景相比,在整個探測波段范圍內(nèi)差異不大,但在SO2特征波段1100～1300 cm-1范圍內(nèi),氣體云輻亮度較背景低約7 %,且存在波動,吸收現(xiàn)象明顯。

圖7 化工園區(qū)污染氣體排放采樣點與背景輻亮度對比

根據(jù)公式(2)和(3),結(jié)合圖7中FTIR測得的氣體云和背景光譜輻亮度L1、Lb,以及等效云團輻亮度L2,計算可得氣體云團吸收率α2。圖8可知,煙囪排放區(qū)污染物在1000 cm-1到1400 cm-1波數(shù)間存在明顯特征峰,分別為1060 cm-1(σ11)、1310 cm-1(σ12),表明污染物成分為H2S;化工設(shè)備排放區(qū)污染物特征峰位于1020 cm-1(σ21)與1210 cm-1(σ22),污染氣體主要成分為SO2。此外,在實驗測量時,圖3中標(biāo)識區(qū)域嗅探到臭雞蛋氣味,側(cè)面印證了上述分析結(jié)果。

圖8 不同采樣點測量光譜吸收率與擬合結(jié)果對比及殘差分布

同時經(jīng)過比較實測光譜吸收率和計算譜線,還可以得出各采樣點氣體云柱濃度。由圖8可知,煙囪F1采樣點F11、F12、F13處H2S的柱濃度分別為94 ppm·m、112 ppm·m和73 ppm·m,煙囪F2采樣點F21、F22、F23處H2S的柱濃度分別為103 ppm·m、113 ppm·m和85 ppm·m?；ぴO(shè)備排放區(qū)域采樣點F31、F32、F33處SO2柱濃度分別為95 ppm·m、87 ppm·m和75 ppm·m。

3.3 污染氣體云團時空分布規(guī)律

本文所采用成像型FTIR測量,幀周期1.5 s,為進一步分析氣體云飄散時空演化規(guī)律,從典型時刻t0開始連續(xù)取三幀輻亮度分布圖,分別為t0、t0+1.5 s和t0+3 s。圖9和10所示分別給出了A11、A12兩個區(qū)域內(nèi),排放物H2S在三個時刻的輻亮度分布,其中圖9、10(a)～(c)波數(shù)為σ11對應(yīng)的輻亮度分布,圖9、10(d)～(f)為σ12。觀測點距離云團約1300 m,根據(jù)FTIR瞬時視場角可知圖中云團空間分辨率約為0.4 m×0.4 m。

圖9 煙囪排放區(qū)域A11分別在σ11波數(shù)和σ12波數(shù)下典型時刻連續(xù)三幅輻亮度分布

由圖9、圖10可知,煙囪排放區(qū)氣體云團由于剛從煙囪中逸出,受速度5 km/h的東南風(fēng)影響,兩者在離開煙囪口一段距離后均有流動分離現(xiàn)象,A11氣體云飄散方向整體與水平約呈30 °角,A12與水平夾角60 °,如圖中所示流線形狀較為規(guī)律,但夾角不同,可能為排出速度不同導(dǎo)致的。氣體云團輻亮度最大值均約為0.13 W/m2·sr·cm-1,但σ11波數(shù)所對應(yīng)的輻亮度整體高于σ12。σ11氣體云團流動細節(jié)更為明顯。兩波段的輻亮度均高于背景大氣,其值約為0.07 W/m2·sr·cm-1,表明存在氣體云發(fā)射效應(yīng),輻亮度最大值處形態(tài)有變化,但始終處于氣體云中心位置。在A11與A12區(qū)域,H2S氣體輻亮度最高處不在排放源頭而在氣體云下游約7米處,原因可能為煙囪排放氣體云包含水蒸氣,遇冷空氣后在邊緣冷凝,造成氣壓變化促使氣體向云團內(nèi)部聚集,同時冷凝向內(nèi)部釋熱,導(dǎo)致溫度升高,輻亮度增加。

圖10 煙囪排放區(qū)域A12分別在σ11波數(shù)和σ12波數(shù)下典型時刻連續(xù)三幅輻亮度分布

對于化工設(shè)備排放區(qū),圖11(a)給出了A21在SO2特征波數(shù)σ21的輻亮度分布,圖11(b)為A22區(qū)域在σ22波數(shù)的輻亮度分布。由圖可知,A21和A22區(qū)域排放口未出現(xiàn)在視場中,氣體云整體與水平約呈40 °夾角,已經(jīng)飄散一段時間,形狀較煙囪排放區(qū)不規(guī)則,氣體輻亮度低于背景大氣,且最低處位于氣體云中心位置,表明存在吸收現(xiàn)象。

圖11 化工設(shè)備排放區(qū)域A21在波數(shù)σ21與A22區(qū)域σ22波數(shù)的輻亮度分布

在氣體云團濃度反演計算中,本文取輻亮度測量誤差9 %的2倍,即18 %為判斷是否繼續(xù)迭代的殘差閾值。在此閾值下本文設(shè)定H2S濃度檢測極限約為19 ppm·m,SO2檢測極限約為13 ppm·m。根據(jù)2小節(jié)所述方法得到排放氣體濃度隨時間和空間的分布。圖12為典型時刻t0排放氣體濃度二維分布,圖中灰度圖區(qū)域氣體濃度低于檢測極限?？梢钥闯?H2S柱濃度在A11和A12區(qū)域最大均值約為113 ppm·m,在距排放口約30 m處,氣體濃度下降到最低檢測限以下。在A21區(qū)域,SO2柱密度最大值為95 ppm·m,A22區(qū)域兩團污染氣體云最大值分別為87和83 ppm·m,在距排放氣體源頭約32 m處飄散到最低檢測限以下。

圖12 典型時刻煙囪排放區(qū)與化工設(shè)備排放區(qū)硫化物濃度分布

4 結(jié) 論

污染和溫室氣體定量測量越來越受到廣泛重視,本文利用面陣型FTIR設(shè)備借助月光散射發(fā)展了夜間高時空分辨率、高精度污染氣體云測量方法,對我國北方某化工園區(qū)排放進行實驗測量,得到了煙囪排放區(qū)和地表附近化工設(shè)備排放區(qū)硫化物污染氣體高光譜數(shù)據(jù),結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)給出了氣體云輻亮度、濃度時空分布,其中成像周期1.5 s,云團空間分辨率約為0.4 m×0.4 m。

實驗測量中,以月亮為原位標(biāo)準(zhǔn)光源進行了光譜輻亮度標(biāo)定,其中光源不確定度為7 %,數(shù)值處理方法精度6 %,測量均方誤差最高約為9 %。對高光譜輻亮度曲線進行計算處理,反演得到污染氣體云光譜透過率和吸收率。與假定溫度、壓力和物質(zhì)種類等條件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫譜線進行對比,最終確定污染物主要成分為硫化物SO2和H2S,同時得到了SO2和H2S柱濃度空間分布。H2S存在于煙囪排放的氣體云中,兩個煙囪最大柱濃度均約為113 ppm·m,受東南風(fēng)影響與水平方向分別呈60°和30°向西北飄散,氣體濃度均在距排放口約30 m處飄散到本文設(shè)定的檢測極限19 ppm·m以下。SO2存在于低層化學(xué)設(shè)備排放區(qū)的三片氣體云中,飄散角均約為40°,最大柱濃度為95、87和83 ppm·m,距氣體源頭約32 m處飄散到極限檢測限13 ppm·m以下。

本文發(fā)展的基于月光散射面陣型FTIR測量方法,實現(xiàn)了高空間時間分辨率、高精度的污染氣體測量,對污染氣體探測具有重要意義,為進一步對氣體云三維重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。