基于物理模型的污染氣體云團紅外光譜仿真研究.pdf

1、近些年，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，由工業(yè)生產(chǎn)污染氣體排放帶來的大氣環(huán)境污染問題和意外爆炸事故帶來的有害氣體擴散問題越來越對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。為有效地對工業(yè)生產(chǎn)排放的污染氣體云團和爆炸事故產(chǎn)生的有害氣體云團進行遠距離檢測和監(jiān)測，人們建立了傅里葉變換污染氣體云團紅外遙測系統(tǒng)，利用被動紅外遙感方法對污染氣體云團進行遠距離和非接觸式地檢測。通過分析獲取的污染氣體云團紅外指紋光譜，實現(xiàn)對云團污染氣體種類的有效鑒別和對其氣體濃度分布的準確

2、測量。
　　在污染氣體云團紅外遙測系統(tǒng)的研制中，如何利用獲取的云團紅外光譜進行污染氣體種類鑒別（即研究污染云團氣體識別算法）是一個關(guān)鍵的技術(shù)問題。目前污染云團氣體識別算法的研究過程中需要大量實測云團紅外光譜數(shù)據(jù)作為支持，但是受制于實際實驗中較高的人力物力成本和部分污染氣體的高危險性，實測污染氣體云團紅外光譜樣本的數(shù)量較少并且樣本涵蓋的污染氣體種類范圍也很有限。
　　因此，為了彌補污染云團氣體識別算法所需大量實測云團紅外光譜數(shù)

3、據(jù)及其紅外光譜數(shù)據(jù)立方體的不足，利用仿真的污染氣體云團紅外光譜數(shù)據(jù)補充實測數(shù)據(jù)的方法成為研究熱點。為此，論文開展了基于物理模型的污染氣體云團擴散仿真及其紅外光譜仿真研究，并在此基礎(chǔ)上建立了云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下:
　　1、云團擴散仿真研究
　　針對工業(yè)生產(chǎn)中排放或意外爆炸引起的污染氣體云團擴散問題，考慮云團擴散的基本物理運動規(guī)律及其擴散環(huán)境的復雜性（復雜的氣象條件和地形障礙物等），提出利用物理

4、方程來描述云團的擴散，建立了污染氣體云團物理擴散模式，研究了云團擴散的物理機制，分析了復雜環(huán)境對其擴散的影響作用，并且完成了基于物理擴散模式的云團擴散仿真。
　　2、基于物理模型的云團紅外光譜仿真研究
　　針對云團紅外光譜的仿真問題，研究了云團紅外輻射在大氣中的傳輸機制，將基于物理擴散模式的云團擴散仿真結(jié)果應用于云團紅外輻射傳輸過程中，首次提出了基于物理模型的云團紅外光譜仿真模型，實現(xiàn)了云團紅外光譜的高精度仿真。
　　

5、3、基于物理模型的云團紅外光譜仿真精確性研究
　　為驗證基于物理模型的云團紅外光譜仿真模型進一步提高了光譜仿真的精確度，分別從基本原理、云團擴散仿真結(jié)果和云團紅外光譜仿真結(jié)果三個方面進行了基于物理模型和傳統(tǒng)的基于高斯模型的云團紅外光譜仿真方法的對比研究，并取得了預期的結(jié)果。
　　4、基于物理模型的云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真研究
　　針對云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體的仿真問題，考慮傅里葉變換紅外成像光譜儀（下文簡稱為紅外成像光

6、譜儀）的面陣探測特點和實際云團擴散過程的復雜性，結(jié)合基于物理擴散模式的云團擴散仿真結(jié)果的高精確性及其網(wǎng)格化的特征，提出了利用光線追蹤法模擬云團紅外輻射傳輸過程的方法，首次建立了基于物理模型的云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型，實現(xiàn)了云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體的仿真。
　　5、基于物理模型的云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型的驗證研究
　　為驗證基于物理模型的云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型的有效性及準確性，研究了仿真與實測數(shù)據(jù)的對比驗證方

7、法，分別從云團擴散分布和云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體光譜識別成像兩個角度對仿真和實測的云團擴散進行對比研究，驗證了云團擴散仿真的正確性。為消除個體像素差異的影響，體現(xiàn)整體相似度，提出了基于關(guān)鍵區(qū)域的云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真誤差分析模型，完成仿真和實測的云團紅外光譜數(shù)據(jù)的對比研究，驗證了云團紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型的有效性和精確性。
　　通過以上工作內(nèi)容的研究，取得了兩個顯著的成果:一方面，利用物理擴散模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高斯擴散模式模擬污