基于物理模型的污染气体云团红外光谱仿真研究

摘要

近些年，随着我国工业生产的迅速发展，由工业生产污染气体排放带来的大气环境污染问题和意外爆炸事故带来的有害气体扩散问题越来越对人民生命财产安全构成威胁。为有效地对工业生产排放的污染气体云团和爆炸事故产生的有害气体云团进行远距离检测和监测，人们建立了傅里叶变换污染气体云团红外遥测系统，利用被动红外遥感方法对污染气体云团进行远距离和非接触式地检测。通过分析获取的污染气体云团红外指纹光谱，实现对云团污染气体种类的有效鉴别和对其气体浓度分布的准确测量。
　　在污染气体云团红外遥测系统的研制中，如何利用获取的云团红外光谱进行污染气体种类鉴别（即研究污染云团气体识别算法）是一个关键的技术问题。目前污染云团气体识别算法的研究过程中需要大量实测云团红外光谱数据作为支持，但是受制于实际实验中较高的人力物力成本和部分污染气体的高危险性，实测污染气体云团红外光谱样本的数量较少并且样本涵盖的污染气体种类范围也很有限。
　　因此，为了弥补污染云团气体识别算法所需大量实测云团红外光谱数据及其红外光谱数据立方体的不足，利用仿真的污染气体云团红外光谱数据补充实测数据的方法成为研究热点。为此，论文开展了基于物理模型的污染气体云团扩散仿真及其红外光谱仿真研究，并在此基础上建立了云团红外光谱数据立方体仿真模型。主要研究内容和创新如下:
　　1、云团扩散仿真研究
　　针对工业生产中排放或意外爆炸引起的污染气体云团扩散问题，考虑云团扩散的基本物理运动规律及其扩散环境的复杂性（复杂的气象条件和地形障碍物等），提出利用物理方程来描述云团的扩散，建立了污染气体云团物理扩散模式，研究了云团扩散的物理机制，分析了复杂环境对其扩散的影响作用，并且完成了基于物理扩散模式的云团扩散仿真。
　　2、基于物理模型的云团红外光谱仿真研究
　　针对云团红外光谱的仿真问题，研究了云团红外辐射在大气中的传输机制，将基于物理扩散模式的云团扩散仿真结果应用于云团红外辐射传输过程中，首次提出了基于物理模型的云团红外光谱仿真模型，实现了云团红外光谱的高精度仿真。
　　3、基于物理模型的云团红外光谱仿真精确性研究
　　为验证基于物理模型的云团红外光谱仿真模型进一步提高了光谱仿真的精确度，分别从基本原理、云团扩散仿真结果和云团红外光谱仿真结果三个方面进行了基于物理模型和传统的基于高斯模型的云团红外光谱仿真方法的对比研究，并取得了预期的结果。
　　4、基于物理模型的云团红外光谱数据立方体仿真研究
　　针对云团红外光谱数据立方体的仿真问题，考虑傅里叶变换红外成像光谱仪（下文简称为红外成像光谱仪）的面阵探测特点和实际云团扩散过程的复杂性，结合基于物理扩散模式的云团扩散仿真结果的高精确性及其网格化的特征，提出了利用光线追踪法模拟云团红外辐射传输过程的方法，首次建立了基于物理模型的云团红外光谱数据立方体仿真模型，实现了云团红外光谱数据立方体的仿真。
　　5、基于物理模型的云团红外光谱数据立方体仿真模型的验证研究
　　为验证基于物理模型的云团红外光谱数据立方体仿真模型的有效性及准确性，研究了仿真与实测数据的对比验证方法，分别从云团扩散分布和云团红外光谱数据立方体光谱识别成像两个角度对仿真和实测的云团扩散进行对比研究，验证了云团扩散仿真的正确性。为消除个体像素差异的影响，体现整体相似度，提出了基于关键区域的云团红外光谱数据立方体仿真误差分析模型，完成仿真和实测的云团红外光谱数据的对比研究，验证了云团红外光谱数据立方体仿真模型的有效性和精确性。
　　通过以上工作内容的研究，取得了两个显著的成果:一方面，利用物理扩散模式代替传统的高斯扩散模式模拟污染气体云团的扩散，发展了基于物理模型的云团红外光谱仿真方法，使仿真的光谱具备更高的精确性;另一方面，提出了污染气体云团红外光谱数据立方体的仿真方法，为该研究领域提供了新的研究方法。论文的研究工作对于提高和完善污染云团气体识别算法具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 污染气体云团扩散研究

1．2．2 污染气体云团红外光谱仿真研究

1．3 研究内容

1．4 论文结构安排

第2章 污染气体云团扩散模式及其红外辐射传输理论

2．1 高斯扩散模式

2．1．1 梯度输送理论

2．1．2 污染气体云团高斯扩散模式

2．2 物理扩散模式

2．2．1 基本原理

2．2．2 污染气体云团物理扩散模式

2．3 大气红外辐射传输基本原理

2．3．1 大气红外吸收

2．3．2 大气红外散射

2．3．3 大气红外辐射传输透过率计算

2．4 本章小结

第3章 基于物理扩散模式的污染气体云团扩散仿真

3．1 物理扩散模式的数值求解

3．1．1 区域网格划分

3．1．2 区域离散方法

3．1．3 方程离散格式

3．1．4 方程求解方法

3．1．5 物理扩散模式求解软件辅助工具

3．2 基于物理扩散模式的云团扩散模拟

3．2．1 扩散初始条件的设置

3．2．2 扩散边界条件的设置

3．3．1 瞬时点源云团扩散仿真

3．3．2 连续点源云团扩散仿真

3．4 本章小结

第4章 基于物理模型的污染气体云团红外光谱仿真

4．1 污染气体云团红外光谱仿真基本模型

4．1．1 污染气体云团红外辐射传输三层模型

4．1．2 红外差谱仿真模型

4．1．3 添加干扰谱仿真模型

4．2 基于物理模型的云团红外光谱仿真模型

4．3 仿真实验

4．3．1 基于高斯模型的云团红外光谱仿真实验

4．3．2 基于物理模型的云团红外光谱仿真实验

4．4 仿真结果验证

4．4．1 仿真结果与实测数据对比分析

4．4．2 仿真结论与讨论

4．5 本章小结

第5章 污染气体云团红外光谱数据立方体仿真

5．1 红外成像光谱仪探测污染气体云团

5．2 光线追踪计算红外辐射传输

5．2．1 光线追踪原理

5．2．2 红外辐射计算

5．3 污染气体云团红外光谱仿真多层模型

5．4 仿真实验

5．5 仿真结果分析

5．5．1 实测数据与仿真结果对比分析

5．5．2 仿真结论与讨论

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 工作总结

6．1．1 基于物理扩散模式的污染气体云团扩散仿真

6．1．2 基于物理模型的污染气体云团红外光谱仿真

6．1．3 污染气体云团红外光谱数据立方体仿真

6．2 创新点

6．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果