热液甲烷干涉光谱探测的正演和反演技术研究

论文摘要

热液释放的甲烷气体经扩散作用先后进入海洋和大气,并对地球物理、化学和生物方面产生深刻影响。由于探测手段的限制和溶解甲烷数据的缺乏,导致人们对热液释放甲烷的活动机制和环境效应缺乏足够的认识。国内外目前仅有的几款海洋甲烷传感器的仪器性能和适用范围极其有限,无法满足热液区域内甲烷气体的探测需求。鉴于原位探测技术是国际上开展深海领域研究的发展趋势,同时干涉光谱技术是国际上大气被动探测的主流方法。结合上述两种技术,本文提出一种不同于现有的海洋甲烷传感器的新型热液甲烷干涉光谱仪(Hydrothermal Methane Interference Spectrometer,HMIS),用于对热液甲烷浓度、温度和压强信息的实时探测和长期观测,进一步拓展海洋中甲烷气体探测的理论和技术。主要内容包括:1.提出了一种热液甲烷气体辐射理论模型。基于辐射机理和吸收光谱理论,本文建立了一种高温高压气体辐射的理论模型,分析了浓度,温度和压强对Lorentz型甲烷光谱参数的影响,基于Lorentz型谱线,合成了深海甲烷气体任意浓度,温度和压强的光谱数据。该内容为HMIS系统的基本原理,光学设计,正演仿真和数据反演提供理论和数据支撑。2.提出一种新型热液甲烷干涉光谱仪HMIS。本文建立了HMIS探测热液甲烷浓度、温度和压强的工作原理和探测理论,完成了光学系统的优化设计和像质评价,整个视场系统整体MTF均在0.68以上,相对照度均在0.55以上。该仪器具备同时探测热液甲烷浓度、温度和压强的能力,有望用于热液甲烷的实时探测和长期观测。3.提出了一种可以模拟HMIS工作过程的正演模型。本文建立了包括光源辐射模型、海水传输模型和仪器响应模型的HMIS全链路数学仿真模型。利用IDL语言编程获得HMIS正演干涉图像,并定量分析系统各项参数对图像的信噪比的影响,系统浓度探测灵敏度为0.42mmol/L,温度探测灵敏度为1.4K,压强探测灵敏度为0.042MPa。利用该模型可以极大提高系统研制效率,降低研发成本。4.提出了一种HMIS数据反演模型的优化方法。基于偏最小二乘算法,本文建立了甲烷辐射光谱与浓度、温度和压强的PLS回归模型。通过选择不同的因变量个数、样本个数和样本间隔等参数对反演模型进行优化,确定综合性能优越的多变量PLS回归模型,该模型浓度预测精度3.8mmol/L,温度预测精度2.6K,压强预测精度0.33MPa。该内容为PLS模型的优化提供一种新的思路方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 海洋甲烷原位探测技术的发展现状
•     1.2.1 基于脱气技术的原位甲烷传感器
•     1.2.2 基于光学技术的原位甲烷传感器
•     1.2.3 基于生物技术的原位甲烷传感器
•     1.2.4 基于声学技术的水下气泡探测
•     1.2.5 基于光学技术的水下气泡探测
•     1.2.6 基于光声/声光技术的水下气体探测
•   1.3 海洋甲烷探测技术和仪器总结
•   1.4 本文研究内容和意义
• 第2章 热液甲烷气体辐射光谱理论
•   2.1 引言
•   2.2 热液气体辐射模型
•   2.3 气体分子吸收光谱理论
•     2.3.1 分子吸收光谱
•     2.3.2 分子吸收理论
•   2.4 热液甲烷谱线展宽及线型
•     2.4.1 谱线展宽机制和线型
•     2.4.2 压力展宽理论及Lorentz型甲烷谱线特点
•   2.5 热液甲烷气体光谱数据
•     2.5.1 分子跃迁的振转理论及甲烷谱带结构
•     2.5.2 热液甲烷合成光谱及其特点
•   2.6 本章小结
• 第3章 热液甲烷干涉光谱仪的基本原理
•   3.1 引言
•   3.2 干涉光谱技术
•   3.3 热液甲烷干涉光谱仪HMIS
•     3.3.1 HMIS工作原理
•     3.3.2 HMIS探测原理
•   3.4 干涉滤光片光谱获取原理
•     3.4.1 干涉滤光片的性能指标
•     3.4.2 干涉滤光片的参数确定
•   3.5 HMIS光学系统设计
•     3.5.1 鱼眼镜头优化设计
•     3.5.2 分光系统优化设计
•     3.5.3 整体系统优化设计
•   3.6 原理样机实验验证
•   3.7 本章小结
• 第4章 热液甲烷干涉光谱仪的正演仿真
•   4.1 引言
•   4.2 HMIS的正演原理
•   4.3 海水传输模型
•     4.3.1 海水对光的吸收
•     4.3.2 海水对光的散射
•     4.3.3 海水透过率
•   4.4 仪器响应模型
•     4.4.1 滤光片分光子模型
•     4.4.2 像面照度子模型
•     4.4.3 探测器响应子模型
•     4.4.4 系统噪声子模型
•     4.4.5 系统衰减子模型
•   4.5 HMIS干涉图仿真
•     4.5.1 正演方程
•     4.5.2 系统性能分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 热液甲烷干涉光谱仪的数据反演
•   5.1 引言
•   5.2 偏最小二乘法数据反演
•   5.3 HMIS的 PLS回归模型
•     5.3.1 PLS建模样本
•     5.3.2 PLS模型评价指标
•     5.3.3 交叉有效性
•   5.4 单变量PLS回归模型
•     5.4.1 最优单变量浓度回归模型
•     5.4.2 最优单变量温度回归模型
•     5.4.3 最优单变量压强回归模型
•   5.5 多变量PLS回归模型
•     5.5.1 多变量与单变量回归模型对比
•     5.5.2 多变量与多变量回归模型对比
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘青松

导师: 胡炳樑

关键词: 热液甲烷,干涉光谱,正演,反演

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,化学,石油天然气工业,新能源

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: O657.3;P744.4

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000002

总页数: 145

文件大小: 12869K

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