基于物理模型的污染氣體云團(tuán)紅外光譜仿真研究.pdf

1、近些年，隨著我國(guó)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(lái)的大氣環(huán)境污染問(wèn)題和意外爆炸事故帶來(lái)的有害氣體擴(kuò)散問(wèn)題越來(lái)越對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。為有效地對(duì)工業(yè)生產(chǎn)排放的污染氣體云團(tuán)和爆炸事故產(chǎn)生的有害氣體云團(tuán)進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，人們建立了傅里葉變換污染氣體云團(tuán)紅外遙測(cè)系統(tǒng)，利用被動(dòng)紅外遙感方法對(duì)污染氣體云團(tuán)進(jìn)行遠(yuǎn)距離和非接觸式地檢測(cè)。通過(guò)分析獲取的污染氣體云團(tuán)紅外指紋光譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)云團(tuán)污染氣體種類的有效鑒別和對(duì)其氣體濃度分布的準(zhǔn)確

2、測(cè)量。
　　在污染氣體云團(tuán)紅外遙測(cè)系統(tǒng)的研制中，如何利用獲取的云團(tuán)紅外光譜進(jìn)行污染氣體種類鑒別（即研究污染云團(tuán)氣體識(shí)別算法）是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。目前污染云團(tuán)氣體識(shí)別算法的研究過(guò)程中需要大量實(shí)測(cè)云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)作為支持，但是受制于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中較高的人力物力成本和部分污染氣體的高危險(xiǎn)性，實(shí)測(cè)污染氣體云團(tuán)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(bǔ)污染云團(tuán)氣體識(shí)別算法所需大量實(shí)測(cè)云團(tuán)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(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)補(bǔ)充實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法成為研究熱點(diǎn)。為此，論文開(kāi)展了基于物理模型的污染氣體云團(tuán)擴(kuò)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(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新如下:
　　1、云團(tuán)擴(kuò)散仿真研究
　　針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中排放或意外爆炸引起的污染氣體云團(tuán)擴(kuò)散問(wèn)題，考慮云團(tuán)擴(kuò)散的基本物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其擴(kuò)散環(huán)境的復(fù)雜性（復(fù)雜的氣象條件和地形障礙物等），提出利用物理

4、方程來(lái)描述云團(tuán)的擴(kuò)散，建立了污染氣體云團(tuán)物理擴(kuò)散模式，研究了云團(tuán)擴(kuò)散的物理機(jī)制，分析了復(fù)雜環(huán)境對(duì)其擴(kuò)散的影響作用，并且完成了基于物理擴(kuò)散模式的云團(tuán)擴(kuò)散仿真。
　　2、基于物理模型的云團(tuán)紅外光譜仿真研究
　　針對(duì)云團(tuán)紅外光譜的仿真問(wèn)題，研究了云團(tuán)紅外輻射在大氣中的傳輸機(jī)制，將基于物理擴(kuò)散模式的云團(tuán)擴(kuò)散仿真結(jié)果應(yīng)用于云團(tuán)紅外輻射傳輸過(guò)程中，首次提出了基于物理模型的云團(tuán)紅外光譜仿真模型，實(shí)現(xiàn)了云團(tuán)紅外光譜的高精度仿真。
　　

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

6、譜儀）的面陣探測(cè)特點(diǎn)和實(shí)際云團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程的復(fù)雜性，結(jié)合基于物理擴(kuò)散模式的云團(tuán)擴(kuò)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(tuán)紅外輻射傳輸過(guò)程的方法，首次建立了基于物理模型的云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型，實(shí)現(xiàn)了云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)立方體的仿真。
　　5、基于物理模型的云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型的驗(yàn)證研究
　　為驗(yàn)證基于物理模型的云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)立方體仿真模型的有效性及準(zhǔn)確性，研究了仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證方

7、法，分別從云團(tuán)擴(kuò)散分布和云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)立方體光譜識(shí)別成像兩個(gè)角度對(duì)仿真和實(shí)測(cè)的云團(tuán)擴(kuò)散進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了云團(tuán)擴(kuò)散仿真的正確性。為消除個(gè)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(tuán)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(shí)測(cè)的云團(tuán)紅外光譜數(shù)據(jù)的對(duì)比研究，驗(yàn)證了云團(tuán)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(guò)以上工作內(nèi)容的研究，取得了兩個(gè)顯著的成果:一方面，利用物理擴(kuò)散模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高斯擴(kuò)散模式模擬污