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基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

冯明春 徐亮 刘文清 刘建国 高闽光 魏秀丽

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基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

冯明春, 徐亮, 刘文清, 刘建国, 高闽光, 魏秀丽

Investigation of detecting biological aerosol by passive Fourier transform infrared spectroscopy technology based on MODTRAN model

Feng Ming-Chun, Xu Liang, Liu Wen-Qing, Liu Jian-Guo, Gao Min-Guang, Wei Xiu-Li
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  • 利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下, 对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论. 用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究. 首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线, 根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求, 利用辐射传输理论和最简单的三层模型, 仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差L, 然后对L进一步差值得到信号2Lt, 同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值, 得到实际情况下的信号值 2Lt; 最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式, 使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度. 每种大气模式下探测限浓度的不同, 是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致, 同时还与生物气溶胶的吸收系数有关. 研究表明, FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在, 进一步说明探测生物气溶胶的可行性, 也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.
    The problem of detecting the biological aerosol at low elevation angle is analyzed and discussed by using MODTRAN model. First of all, the atmospheric model and profile of MODTRAN model are introduced for the biological aerosol detection by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. According to the passive detection of biological aerosol by FTIR spectroscopy, the radiation brightness difference L between the background and the target biological aerosol is calculated by using the radiative transfer theory and the simplest three-layer model. The signal value 2Lt under the actual circumstance is derived from the derivative of L combined with the noise equivalent spectral radiance value of the spectrometer. Finally, the detection limit of biological aerosol for each atmospheric mode is predicted with the passive remote sensing method. The limit concentration of detection for each atmospheric mode is different due to the differences in boundary layer temperature, transmittance, and background radiation brightness of atmospheric model, and it is also related to the absorption coefficient of biological aerosol. It is shown that the passive remote sensing of FTIR technology can detect the presence of the biological aerosol. Therefore, the detection of the biological aerosol is feasible. It presents a method of detecting the biological aerosol cloud under the actual circumstance.
      通信作者: 徐亮, xuliang@aiofm.ac.cn
    • 基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项(批准号: 2013YQ22064302)、中国科学院战略性先导科技专项(批准号: XDB05050302)和安徽省科技攻关计划(批准号: 1301041024)资助的课题.
      Corresponding author: Xu Liang, xuliang@aiofm.ac.cn
    • Funds: Project supported by the Special Funds of the Major Scientific Instruments Equipment Development of China (Grant No. 2013YQ22064302), the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDB05050302), and the Key Science and Technology Program of Anhui Province, China (Grant No. 1301041024).
    [1]

    Xu L, Liu J G, Gao M G, Lu Y H, Wei X L, Zhang T S, Zhu J, Chen J 2007 Spectrosc. Spect. Anal. 27 448 (in Chinese) [徐亮, 刘建国, 高闽光, 陆亦怀, 魏秀丽, 张天舒, 朱军, 陈军 2007 光谱学与光谱分析 27 448]

    [2]

    Gao M G, Liu W Q, Zhang T S, Liu J G, Lu Y H, Zhun J, Lian Y, Lu F 2005 Spectrosc. Spect. Anal. 25 1042 (in Chinese) [高闽光, 刘文清, 张天舒, 刘建国, 陆亦怀, 朱军, 连悦, 陆钒 2005 光谱学与光谱分析 25 1042]

    [3]

    Marshall T L, Chaffin C T, Hammaker R M, Fateley W G 1994 Environ. Sci. Technol. 28 224A

    [4]

    Feng M C, Gao M G, Xu L, Chen S Y, Tong J J, Jin L, Li S, Wei X L, Li X X, Jiao Y, Liu W Q 2011 Laser Infrared 41 1201 (in Chinese) [冯明春, 高闽光, 徐亮, 程巳阳, 童晶晶, 金岭, 李胜, 魏秀丽, 李相贤, 焦洋, 刘文清 2011 激光与红外 41 1201]

    [5]

    Liu X, Murcray F J, Murcray D G, Russell J M 1996 J. Geophys. Res. Atmos. 101 10175

    [6]

    Oppenheimer C, Francis P, Burton M, Maciejewski A J H, Boardman L 1998 Appl. Phys. B 67 505

    [7]

    Liu Z M, Liu W Q, Gao M G, Tong J J, Zhang T S, Xu L, Wei X L 2008 Chin. Phys. B 17 4184

    [8]

    Ligon D A, Wetmore A E, Gillespie P S 2002 Opt. Express 10 909

    [9]

    David A B, Ren H 2003 Appl. Opt. 42 4887

    [10]

    David A B 2003 Opt. Express 11 418

    [11]

    Lan T G, Xiong W, Fang Y H, Li D C, Yuan Y M 2010 Acta Opt. Sin. 30 1656 (in Chinese) [兰天鸽, 熊伟, 方勇华, 李大成, 袁越明 2010 光学学报 30 1656]

    [12]

    Berk A, Bernstein L S, Robertson D C 1989 Air Force Geophysics Laboratory GL-TR-89-0122 AD-A214 337

    [13]

    Kneizys F X, Shettle E P, Abreu L W, Chetwynd J H, Anderson G P, Gallery W O, Selby J E A, Clough S A 1988 Air Force Geophysics Laboratory AFGL-TR-88-0177 AD-A206 773

    [14]

    Flanigan D 1995 Appl. Opt. 34 2636

    [15]

    Feng M C, Xu L, Gao M G, Jiao Y, Wei X L, Jin L, Chen S Y, Li X X, Feng S X 2012 Spectrosc. Spect. Anal. 32 3193 (in Chinese) [冯明春, 徐亮, 高闽光, 焦洋, 魏秀丽, 金岭, 程巳阳, 李相贤, 冯书香 2012 光谱学与光谱分析 32 3193]

    [16]

    Wilmot D W, Owens W R, Shelton R J 1993 SPIE 7 57

  • [1]

    Xu L, Liu J G, Gao M G, Lu Y H, Wei X L, Zhang T S, Zhu J, Chen J 2007 Spectrosc. Spect. Anal. 27 448 (in Chinese) [徐亮, 刘建国, 高闽光, 陆亦怀, 魏秀丽, 张天舒, 朱军, 陈军 2007 光谱学与光谱分析 27 448]

    [2]

    Gao M G, Liu W Q, Zhang T S, Liu J G, Lu Y H, Zhun J, Lian Y, Lu F 2005 Spectrosc. Spect. Anal. 25 1042 (in Chinese) [高闽光, 刘文清, 张天舒, 刘建国, 陆亦怀, 朱军, 连悦, 陆钒 2005 光谱学与光谱分析 25 1042]

    [3]

    Marshall T L, Chaffin C T, Hammaker R M, Fateley W G 1994 Environ. Sci. Technol. 28 224A

    [4]

    Feng M C, Gao M G, Xu L, Chen S Y, Tong J J, Jin L, Li S, Wei X L, Li X X, Jiao Y, Liu W Q 2011 Laser Infrared 41 1201 (in Chinese) [冯明春, 高闽光, 徐亮, 程巳阳, 童晶晶, 金岭, 李胜, 魏秀丽, 李相贤, 焦洋, 刘文清 2011 激光与红外 41 1201]

    [5]

    Liu X, Murcray F J, Murcray D G, Russell J M 1996 J. Geophys. Res. Atmos. 101 10175

    [6]

    Oppenheimer C, Francis P, Burton M, Maciejewski A J H, Boardman L 1998 Appl. Phys. B 67 505

    [7]

    Liu Z M, Liu W Q, Gao M G, Tong J J, Zhang T S, Xu L, Wei X L 2008 Chin. Phys. B 17 4184

    [8]

    Ligon D A, Wetmore A E, Gillespie P S 2002 Opt. Express 10 909

    [9]

    David A B, Ren H 2003 Appl. Opt. 42 4887

    [10]

    David A B 2003 Opt. Express 11 418

    [11]

    Lan T G, Xiong W, Fang Y H, Li D C, Yuan Y M 2010 Acta Opt. Sin. 30 1656 (in Chinese) [兰天鸽, 熊伟, 方勇华, 李大成, 袁越明 2010 光学学报 30 1656]

    [12]

    Berk A, Bernstein L S, Robertson D C 1989 Air Force Geophysics Laboratory GL-TR-89-0122 AD-A214 337

    [13]

    Kneizys F X, Shettle E P, Abreu L W, Chetwynd J H, Anderson G P, Gallery W O, Selby J E A, Clough S A 1988 Air Force Geophysics Laboratory AFGL-TR-88-0177 AD-A206 773

    [14]

    Flanigan D 1995 Appl. Opt. 34 2636

    [15]

    Feng M C, Xu L, Gao M G, Jiao Y, Wei X L, Jin L, Chen S Y, Li X X, Feng S X 2012 Spectrosc. Spect. Anal. 32 3193 (in Chinese) [冯明春, 徐亮, 高闽光, 焦洋, 魏秀丽, 金岭, 程巳阳, 李相贤, 冯书香 2012 光谱学与光谱分析 32 3193]

    [16]

    Wilmot D W, Owens W R, Shelton R J 1993 SPIE 7 57

  • [1] 胡运优, 徐亮, 沈先春, 束胜全, 徐睆垚, 邓亚颂, 徐寒扬, 刘建国, 刘文清. 基于大气廓线合成背景的目标气云透过率反演.  , 2023, 72(3): 033201. doi: 10.7498/aps.72.20221670
    [2] 王倩, 毕研盟, 杨忠东. 气溶胶对大气CO2短波红外遥感探测影响的模拟分析.  , 2018, 67(3): 039202. doi: 10.7498/aps.67.20171993
    [3] 郑利娟, 程天海, 吴俣. 黑碳团簇气溶胶混合生长的红外吸收特性及长波辐射效应.  , 2017, 66(16): 169201. doi: 10.7498/aps.66.169201
    [4] 单昌功, 王薇, 刘诚, 徐兴伟, 孙友文, 田园, 刘文清. 基于傅里叶变换红外光谱技术测量大气中CO2的稳定同位素比值.  , 2017, 66(22): 220204. doi: 10.7498/aps.66.220204
    [5] 饶志敏, 华灯鑫, 何廷尧, 乐静. 基于本征荧光的生物气溶胶测量激光雷达性能.  , 2016, 65(20): 200701. doi: 10.7498/aps.65.200701
    [6] 田园, 孙友文, 谢品华, 刘诚, 刘文清, 刘建国, 李昂, 胡仁志, 王薇, 曾议. 地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化.  , 2015, 64(7): 070704. doi: 10.7498/aps.64.070704
    [7] 陈成, 梁静秋, 梁中翥, 吕金光, 秦余欣, 田超, 王维彪. 准直系统热光学效应对静态傅里叶变换红外光谱仪光谱复原的影响研究.  , 2015, 64(13): 130703. doi: 10.7498/aps.64.130703
    [8] 张金碧, 丁蕾, 王颖萍, 郑海洋, 方黎. 利用近前向散射图样识别单粒子形状的理论研究.  , 2015, 64(5): 054202. doi: 10.7498/aps.64.054202
    [9] 王杨, 李昂, 谢品华, 陈浩, 徐晋, 吴丰成, 刘建国, 刘文清. 多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线.  , 2013, 62(18): 180705. doi: 10.7498/aps.62.180705
    [10] 李相贤, 徐亮, 高闽光, 童晶晶, 金岭, 李胜, 魏秀丽, 冯明春. CO2及其碳同位素比值高精度检测研究.  , 2013, 62(18): 180203. doi: 10.7498/aps.62.180203
    [11] 李相贤, 高闽光, 徐亮, 童晶晶, 魏秀丽, 冯明春, 金岭, 王亚萍, 石建国. 基于傅里叶变换红外光谱法CO2气体碳同位素比检测研究.  , 2013, 62(3): 030202. doi: 10.7498/aps.62.030202
    [12] 焦洋, 徐亮, 高闽光, 金岭, 童晶晶, 李胜, 魏秀丽. 污染气体扫描成像红外被动遥测系统实时数据处理研究.  , 2013, 62(14): 140705. doi: 10.7498/aps.62.140705
    [13] 范萌, 陈良富, 李莘莘, 陶金花, 苏林, 邹铭敏, 张莹, 韩冬. 非球形气溶胶粒子短波红外散射特性研究.  , 2012, 61(20): 204202. doi: 10.7498/aps.61.204202
    [14] 何智兵, 阳志林, 闫建成, 宋之敏, 卢铁城. 辉光放电聚合物结构及力学性质研究.  , 2011, 60(8): 086803. doi: 10.7498/aps.60.086803
    [15] 司福祺, 谢品华, 窦科, 詹铠, 刘宇, 徐晋, 刘文清. 被动多轴差分吸收光谱大气气溶胶光学厚度监测方法研究.  , 2010, 59(4): 2867-2872. doi: 10.7498/aps.59.2867
    [16] 刘志明, 刘文清, 高闽光, 童晶晶, 张天舒, 徐亮, 魏秀丽, 金岭, 王亚萍, 陈军. 基于红外掩日通量法(SOF)污染源排放气体浓度时空分布反演算法研究.  , 2010, 59(8): 5397-5405. doi: 10.7498/aps.59.5397
    [17] 司福祺, 刘建国, 谢品华, 张玉钧, 窦 科, 刘文清. 差分吸收光谱技术监测大气气溶胶粒谱分布.  , 2006, 55(6): 3165-3169. doi: 10.7498/aps.55.3165
    [18] 郝 楠, 周 斌, 陈立民. 利用差分吸收光谱法测量亚硝酸和反演气溶胶参数.  , 2006, 55(3): 1529-1533. doi: 10.7498/aps.55.1529
    [19] 黄松, 辛煜, 宁兆元, 程珊华, 陆新华. 微波输入功率引起a-C∶F薄膜交联结构的增强.  , 2002, 51(11): 2635-2639. doi: 10.7498/aps.51.2635
    [20] 辛煜, 宁兆元, 甘肇强, 陆新华, 方亮, 程珊华. 不同CHF3/CH4流量比下沉积a-C∶F∶H薄膜键结构的红外分析.  , 2001, 50(12): 2492-2496. doi: 10.7498/aps.50.2492
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-14
  • 修回日期:  2015-09-15
  • 刊出日期:  2016-01-05

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