LWIR高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于甲烷等痕量氣體檢測(cè)

目前，環(huán)保部門(mén)對(duì)在大區(qū)域范圍內(nèi)研究甲烷痕量氣體的非正常排放的歸屬和量化方面存在很大的不確定性。尤其在化工園區(qū)、工業(yè)聚集區(qū)等存在潛在氣體污染風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)，快速、靈敏地定位污染氣體泄漏源頭，量化氣體排量，監(jiān)測(cè)氣體擴(kuò)散分布，對(duì)有效預(yù)防災(zāi)害發(fā)生，降低風(fēng)險(xiǎn)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

AisaOWL長(zhǎng)波紅外高光譜成像技術(shù)，采用了溫度穩(wěn)定的LWIR成像光譜儀和超高靈敏度的冷卻MCT探測(cè)器技術(shù)，并內(nèi)置雙黑體校準(zhǔn)器，可為數(shù)據(jù)采集工作提供了高穩(wěn)定性能。該儀器結(jié)構(gòu)緊湊，可以安裝在小型飛機(jī)上或者地面平臺(tái)上，對(duì)低微濃度、并具有一定溫度差異的痕量氣體進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)識(shí)別。為客戶提供了一種滿足從7.7到12.3μm熱紅外光譜范圍的完整可用的低成本、高效益的遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用方案。

圖1：AisaOWL長(zhǎng)波紅外高光譜成像儀（左）；不同羽流的檢測(cè)（右）（摘自：Evaluation of thermal infrared hyperspectral imagery for the detection of onshore methane plumes: Significance for hydrocarbon exploration and monitoring.）

來(lái)自美國(guó)加州理工大學(xué)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的Glynn C. Hulley等研究人員，通過(guò)對(duì)來(lái)自機(jī)載LWIR高光譜成像系統(tǒng)的高空間分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并結(jié)合了新型熱紅外（TIR）遙感技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出一種穩(wěn)定可靠的檢測(cè)方法，用于在極具挑戰(zhàn)和復(fù)雜環(huán)境條件下，檢測(cè)甲烷和其他大氣痕量氣體排放和廣域制圖，以允許直接找尋歸屬來(lái)源。

本研究使用基爾霍夫定律，將半球型定向反射率表達(dá)為定向輻射率的函數(shù)(ρλ= 1−eλ)，并將傳感器輻射表達(dá)為無(wú)羽流(off-plume)的晴空輻射率,(Loffλ)如下：

 Loffλ(θ)=Lgndλτatmλ +L↑λ

上式中的光譜輻射包括大氣輻射、散射和大氣成分的吸收。

圖2：加州死亡谷的高光譜數(shù)據(jù)立方體，右邊垂直切片中的輻射已根據(jù)大氣透射和路徑輻射校正

為了隔離離開(kāi)地面的地表輻射和分離地表溫度和光譜發(fā)射率，本研究從觀測(cè)中去除了這些大氣效應(yīng)。對(duì)于有羽流像素（on-plume）的觀測(cè)，大氣補(bǔ)償除了降低羽流強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng)的依賴外，還隔離了離開(kāi)地面的地表輻射的貢獻(xiàn)。有效提高了氣體羽流的整體觀測(cè)精度及可靠性。

圖3：左圖描述了氣體羽流的熱紅外輻射傳輸?shù)母鞣N組成部分，Lsurfλ是地表輻射，Lpλ是羽流熱輻射，L↑λ大氣路徑輻射，ρλL↓λ是反射下行光輻射，τatmλ是大氣透射率，τpλ是羽流透射率，θ是觀察角度，和p(*)的氣壓水平。右圖為從HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)中提取的H2O、CH4、NO2、H2S、SO2、NH3的歸一化吸收光譜，并卷積得到7.4-12μm熱紅外區(qū)不同波長(zhǎng)范圍的光譜響應(yīng)函數(shù)

本研究還引入了一種混合雜波匹配濾波（CMF）和羽流擴(kuò)張算法應(yīng)用于高光譜成像觀測(cè)，以有效地檢測(cè)和表征CH4、H2S、NH3、NO2和SO2排放的羽流空間結(jié)構(gòu)。該算法用于提供定性信息，以幫助將排放屬性歸為特定的源類型和源位置。CMF也可以被調(diào)整，以檢測(cè)更多擴(kuò)散的CH4增強(qiáng)可能是來(lái)自一個(gè)特定來(lái)源的下風(fēng)口處進(jìn)一步對(duì)流的結(jié)果。

下圖為加利福尼亞貝克斯菲爾德附近的Kern Front和Kern River油田的凝析油儲(chǔ)罐上，使用LWIR高光譜成像系統(tǒng)檢測(cè)到的持續(xù)的CH4羽流的例子。2014年7月至2015年2月，在（a）和（b）圖元中檢測(cè)到A4源，在（c）和（d）圖元中檢測(cè)到B1源。

圖4：使用CMF方法疊加地表溫度圖像增強(qiáng)顯示CH4羽流

為了闡明Kern River油田區(qū)域的甲烷羽流從與蒸汽驅(qū)產(chǎn)生的水分之間的區(qū)別能力，下圖顯示了從井墊上方檢測(cè)到的有羽流和無(wú)羽流像素中提取的7.5-8μm范圍的亮度溫度譜。右圖顯示了CMF疊加結(jié)果，并突出顯示了有羽流和無(wú)羽流像素。除了沒(méi)有跡象表明CH4吸收之外，無(wú)羽流的像素在光譜形狀和量級(jí)等方面與有羽流的像素相似。這兩個(gè)光譜均清晰地顯示了環(huán)境大氣中水汽含量在7.55-7.76和7.85 - 7.9μm區(qū)域的強(qiáng)吸收特征。與此同時(shí)，在7.65-7.7μm區(qū)域獨(dú)特的CH4吸收特征，僅在有羽流的像素上可以觀察到，與無(wú)羽流像素相差約10K。在高分辨率的LWIR高光譜數(shù)據(jù)中，可以清楚地顯示有羽流像素的H2O和CH4吸收特征之間的差異。

圖5：左圖為L(zhǎng)WIR高光譜成像在7.5-8μm范圍的亮度溫度圖譜，右圖為2014年7月Kern River油田上空羽流的CMF溫度覆蓋圖。

下圖用不同顏色標(biāo)注了LWIR高光譜成像檢測(cè)的五種痕量氣體（CH4、NO2、NH3、H2S和SO2），并疊加在地表溫度灰度圖上高亮顯示。三個(gè)不同區(qū)域的樣例結(jié)果表明，在由一系列相鄰像素組成的同一氣體羽流中，同時(shí)檢測(cè)到了兩種不同的氣體。在煉油廠a.1/a.2處檢測(cè)到NH3和NO2，在天然氣發(fā)電廠，分別在b.1/b.2位置和c.1/c.2位置檢測(cè)到NH3和H2S。圖中也可清楚地看到從電廠區(qū)域排放的小縷的SO2羽流（藍(lán)色），而在煉油廠的東南部發(fā)現(xiàn)了一縷明顯的CH4羽流。

圖6：一個(gè)基于LWIR高光譜成像檢測(cè)多種類氣體的例子，在谷歌地球影像（中圖）上顯示的加拿大埃爾塞貢多附近區(qū)域的一個(gè)煉油廠（粉紅線）和天然氣發(fā)電廠（黃線）

本研究證明了在具有代表性的野外條件下，LWIR高光譜成像技術(shù)能夠以高空間分辨率在大區(qū)域（100km2）范圍內(nèi)檢測(cè)和表征單個(gè)排放源的多種痕量氣體（CH4、H2S、NH3、NO2和SO2）的大氣羽流。LWIR可以在高光譜分辨率和空間分辨率上生成寬帶熱紅外（TIR）圖像，并在機(jī)載TIR高光譜遙感測(cè)量方面取得了重大進(jìn)展。

基于LWIR高光譜成像的甲烷和其他痕量氣體羽流的高空間分辨率成像檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合高分辨率風(fēng)力數(shù)據(jù)，將有助于彌補(bǔ)衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的低分辨率、低精度和長(zhǎng)周期缺點(diǎn)，將在未來(lái)用于定量反演甲烷排放源及排放通量估算。該技術(shù)為有效監(jiān)測(cè)甲烷等痕量氣體，改善與污染氣體排放源有關(guān)的科學(xué)管理和決策提供了新工具。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司（北京）、光譜成像與無(wú)人機(jī)遙感研究中心（西安）提供環(huán)境污染排放、有害易爆氣體排放全面監(jiān)測(cè)技術(shù)方案：

1）AisaOWL LWIR長(zhǎng)波段紅外高光譜成像技術(shù)方案

2）FX50 MWIR中波段紅外高光譜成像技術(shù)方案

3）WIRIS高分辨率紅外熱成像與RGB成像

4）EcoGIS安防與環(huán)境污染監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

5）EcoProbe空氣污染與可燃危險(xiǎn)氣體檢測(cè)系統(tǒng)

6）Ecodrone無(wú)人機(jī)遙感空氣污染監(jiān)測(cè)技術(shù)方案