【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶排放监测，尤其涉及一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法。
技术介绍
1、2023年全球集装箱吞吐量前10位港口中我国占了7位，此外，我国有着庞大的内河航道网络，我国海洋和内河航运业发展迅速，规模庞大。航运业迅速发展的同时也伴随着环境污染问题。船舶排放是大气中气溶胶颗粒(如pm10、pm2.5)和气态污染物(如so2、nox、vocs、cox)的主要来源之一，给空气质量造成较大影响，同时也会对人体健康，气候变化等方面带来危害。为减少船舶排放对空气质量和公共健康的影响，全球及地方层面已经建立了许多法律条文，如国际海事组织的全球限硫令等，严格限制船舶排放。船舶排放监测可以全面掌握和深入分析船舶排放的污染物种类和浓度情况，可以判断船舶排放是否符合相关标准，也为进一步的监管和执法提供数据支持。现有的船舶排放技术包括在线监测、嗅探监测等技术，其中在线监测传感器需要定期标定准确性难以保障，而嗅探监测则需要接触式监测，可能存在一定的安全风险。近年来，国内外也发展了一系列基于光学遥测的方法，光学遥测的方法具有远距离监测的优势，然而光学遥测方法在船舶排放定量监测上存在一定困难。本专利技术基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，实现对船舶排放no2进行量化。
2、公开号为cn118425075a的专利申请公开了一种船舶污染气体排放的无人机载成像光谱追踪探测方法，包括了无人机，成像探测系统，计算机等。通过无人机在船舶附近悬停或者跟随船舶运动等方式实现船泊排放羽流的探测和反演。该方法采用是基于无人机平台的跟踪遥测方式，和本
3、公开号为cn113960042b的专利申请公开了一种船舶排放遥感监测系统，包括上闸首，上闸首人字门，下闸首，下闸首人字门、船闸左侧墙、船闸右侧墙、船舶、船舶监测装置。通过在船闸这样的船舶必经的卡口，对船闸侧壁进行简单的改造，简化船舶监测装置捕捉船舶尾气的背景，在此基础上设计并利用船身遮挡识别算法和尾气黑度定级算法，实现针对船舶冒黑烟现象的高效、精准监管能力。该方法仅针对通过船闸的船舶烟羽监测，且不能识别传播烟羽中的污染物种类和污染物浓度信息。
4、因此，本申请提出一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法用于解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，用于解决在航船舶排放监测的难题，实现在不干扰船舶正常航行的情况下开展监测，有效评估船舶实际排放情况，为船舶排放监测提供有力的技术手段，为进一步船舶排放监管提供必要的数据支持。
2、本专利技术的技术方案：一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，包括以下步骤：
3、s1、基于差分吸收光谱学原理，采用最小二乘法拟合，对岸基观测的多波段光谱数据进行光谱解析，获取水平路径上的no2和o4的差分斜柱浓度(dscd)；
4、s2、利用o4的所述差分斜柱浓度除以o4的数密度来计算对应波段的有效光路长度，即有效水平路径长度；
5、s3、使用计算的所述有效水平路径长度来计算no2在水平路径平均体积混合比浓度；
6、s4、基于多波段反演的o4和no2水平柱浓度，获得不同波段对应的有效水平路径长度信息，并分离出不同水平层的no2浓度；
7、s5、基于船舶ais数据结合风向、风速信息，构建船舶前进轨迹与高斯羽流模型耦合的船舶羽流模型；
8、s6、基于所述船舶羽流模型获取羽流形状，并和实际观测的不同水平浓度层进行匹配，获取单条羽流对应水平层的no2浓度数据，最后基于所述船舶羽流模型计算的羽流宽度，确定单船排放浓度。
9、可选的，所述s1中，岸基观测的多波段光谱数据为覆盖多个波段的太阳散射光谱数据。
10、可选的，所述s1中，基于0°水平仰角的观测光谱和90°垂直仰角的参考光谱差分，获得因大气痕量气体分子吸收过程造成的光强损失，基于特定波段多组分吸收的线性最小二乘法拟合，反演获取对应波段的no2和o4的差分斜柱浓度结果。
11、可选的，所述s2中，o4在多波段反演中与no2波段范围一致，结合o4差分斜柱浓度，用下式计算有效水平路径长度l：
12、
13、其中，为o2的数密度，根据氧气在空气中所占的比例20.9％求解：
14、
15、nair为空气的数密度，可以根据观测的温度(tair)和大气压强(pair)利用理想气体状态方程计算得到：
16、
17、其中，na为阿伏伽德罗常数，r为摩尔气体常数。
18、可选的，所述s3中，将no2的所述差分斜柱浓度除以所述有效水平路径长度l，得到no2沿水平光路的平均浓度，进一步除以空气的浓度，得到所述有效水平路径长度l上的平均混合比浓度，表示为：
19、
20、可选的，所述s4中，通过不同波段的探测获得不同波段的浓度和有效水平路径长度，并通过两个临近波段的探测实现no2浓度的水平分层：
21、
22、其中，llong和lshort分别对应长波段和短波段的有效水平路径长度，dscdlong和dscdshort分别对应长波段和短波段的no2差分斜柱浓度，δdscd为临近两个波段的差分斜柱浓度差值，δl为临近两个波段的有效水平路径差值。。
23、可选的，所述s5中，假设船舶在固定位置处，则可用两条高斯曲线描述垂直和水平方向船舶羽流扩散过程，将污染物排放率q、x方向平均风速u、水平扩散系数σy和垂直扩散系数σz与(x,y,z)点的浓度c耦合，表示为：
24、
25、其中，垂直坐标z为有效烟羽高度h、烟羽高度和初始羽流高度的总和进行了校正。风速，风向数据来源于同步开展的气象观测数据或气象模型模拟的风场数据。
26、可选的，所述s5中，高斯羽流模型需要进一步耦合船舶航行轨迹信息，涉及的船舶经纬度、航速、航向等信息可通过船舶ais数据获取。
27、可选的，所述s6中，根据船舶羽流模型确定单条烟羽所经过的浓度层以及对应的羽流宽度b，单船排放浓度可通过下式计算获得：
28、
29、其中，δdscdplume为烟羽所在的no2浓度层的差分斜柱浓度，dscdbackground为烟羽层浓度中包含的背景浓度值，dscdno-plume为未经过烟羽的浓度层，lno-plume为未经过烟羽的浓度层对应的有效路径长度，δlplume为烟羽所在浓度层厚度。
30、与现有技术相比，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
31、1、基于岸基多波段的遥测，获取多波段反演的有效水平路径，和no2差分斜柱浓度数据。进一步基于不同波段的不同路径长度，实现no2浓度的水平分层。
32、2、构建了耦合船舶航行轨迹和高斯羽流扩散模型的船舶羽流模型，实现羽流轨迹的表征，和羽流宽度的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S1中，岸基观测的多波段光谱数据为覆盖多个波段的太阳散射光谱数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S1中，基于0°水平仰角的观测光谱和90°垂直仰角的参考光谱差分，获得因大气痕量气体分子吸收造成的光强损失，基于特定波段多组分吸收的线性最小二乘法拟合，反演获取对应波段的NO2和O4的差分斜柱浓度结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S2中，O4在多波段反演中与NO2波段范围一致，结合O4近地表浓度，用下式计算有效水平路径长度L：
5.根据权利要求4所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S3中，将NO2的所述差分斜柱浓度除以所述有效水平路径长度L，得到NO2沿有效水平路径的平均浓度，进一步除以空气的浓度，得到所述有效水平路径长度L上的平均混合比浓度，表示为
6.根据权利要求4所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S4中，通过不同波段的探测获得不同波段的浓度和有效水平路径长度，并通过两个临近波段的探测实现NO2浓度的水平分层：
7.根据权利要求1或6所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S5中，假设船舶在固定位置处，用两条高斯曲线描述垂直和水平方向船舶羽流扩散过程，将污染物排放率Q、x方向平均风速U、水平扩散系数σy和垂直扩散系数σz与(x,y,z)点的浓度C耦合，表示为：
8.根据权利要求7所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S5中，高斯羽流模型耦合船舶航行轨迹信息，通过所述船舶AIS数据获取船舶经纬度、航速、航向的信息。
9.根据权利要求7所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述S6中，根据船舶羽流模型确定单条烟羽所经过的浓度层以及对应的羽流宽度b，单船排放浓度通过下式计算获得：
...【技术特征摘要】
1.一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述s1中，岸基观测的多波段光谱数据为覆盖多个波段的太阳散射光谱数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述s1中，基于0°水平仰角的观测光谱和90°垂直仰角的参考光谱差分，获得因大气痕量气体分子吸收造成的光强损失，基于特定波段多组分吸收的线性最小二乘法拟合，反演获取对应波段的no2和o4的差分斜柱浓度结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述s2中，o4在多波段反演中与no2波段范围一致，结合o4近地表浓度，用下式计算有效水平路径长度l：
5.根据权利要求4所述的一种基于多波段光谱反演的船舶排放遥测方法，其特征在于，所述s3中，将no2的所述差分斜柱浓度除以所述有效水平路径长度l，得到no2沿有效水平路径的平均浓度，进一步除以空气的浓度，得...
【专利技术属性】
技术研发人员：谈伟，邢成志，胡启后，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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