一、远距离中波红外高光谱成像

船舶排气羽流表征

船舶发动机排放特性表征工作具有一定挑战性，原因在于排气羽流尺度大、形态持续变化，而在船舶正常运行过程中直接部署船载传感器，也存在实际限制。遥感技术提供了一种非侵入式的测量方式。由于船舶尾气中含有二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)等红外活性的气体，红外高光谱成像能够在远距离条件下对这些气体进行探测与定量分析。

本研究旨在评估中波红外(MWIR)高光谱成像技术，能否货期只是工况下渡轮燃烧过程与排放物的有效信息。

二、实验方法

研究采用Telops/Exosens Hyper-CamMini MWf设备开展，这是一套基于傅里叶变换红外(FTIR)原理的高光谱成像系统，工作光谱范围为2.9~5.2微米。传感器布置在距离约115米处，每3秒采集一组高光谱数据立方体。实验采用4cm-1光谱分辨率，可提供320个光谱波段用于分析。数据采集期间黄静条件：环境温度2°C，相对湿度66%。

该系统的核心优势之一是具备永久辐射定标能力，无需频繁进行黑体定标，即可不间断采集数据。可实现100%数据采集占空比，同时保持科研级辐射测量精度。

利用辐射传输模型对采集到的光谱进行分析，模型考虑了大气效应、背景辐射、羽流温度以及气体吸收与发射特性。通过该建模方法，可反演得到整个羽流区域的温度与气体柱浓度分布图。

三、气体探测与定量分析

尽管船舶烟囱在宽波段热成像图中清晰可见，但排出的气体本身的信号却很微弱。高光谱成像的价值在于能够分析每个像素的光谱特征。研究人员通过解析这些光谱，在烟囱上方检测到高温二氧化碳(CO2)与一氧化碳(CO)的特征发射信号。

实测光谱与辐射传输模型生成的理论模拟结果吻合度良好，验证了该系统可精准识别并定量测算燃烧气体。强CO2特征信号的出现代表柴油燃烧充分;而CO测量结果则可反映不完全燃烧过程。

本次分析生成了详尽的温度分布图以及CO、CO2的柱浓度分布图。图像显示，气体浓度较高的区域与羽流高温区域高度吻合，与排气排放的理论预期一致。由于仅依靠单一观测角度无法确定羽流的真实厚度，气体测量结果采用柱浓度(ppm·m)表述，而非直接的体积浓度。

气体羽流温度分布图：基于辐射传输模型，由成像序列中的单个数据立方体推导得到的气体羽流温度分布图。为便于观察，温度结果叠加显示于对应的宽带红外图像之上。

四、燃烧效率分析

利用在整个羽流范围内测得的CO与CO2的相对含量，研究人员计算得到燃烧效率。该指标反映燃料中的碳转化为完全氧化产物的有效程度。由于计算基于被测气体的比值，因此可消除与羽流厚度相关的不确定度。

分析结果显示，未检测到大量未燃烧碳氢化合物，估算碳黑生成量可忽略不计。因此，这类组分对碳平衡几乎没有影响。燃烧效率分布图显示数值高于97.5%，表明发动机运行效率很高。研究人员指出，该结果与渡轮的工况特征相符-这类船舶通常使用低硫优质柴油。

五、排放速率估算

该成像系统还可实现排气流速估算。研究人员利用光流技术对连续红外图像进行分析，追踪羽流运动并生成速度场分布图。观测到废气在烟囱上方垂直向上抬升，流速约1~2 m/s。

流量密度剖面图：CO2线性质量流量密度剖面

将流速信息即可计算被测组分的质量流量。估算得到排放速率大致如下可以进一步计算气体的质量流率。研究估算得到：

CO：200克/小时

CO2：17,000克/小时

该数值与已有文献报道的渡轮柴油发动机怠速工况排放结果相符，证明了这套遥感探测方法具备良好的精度与实用价值。

六、结论

本研究证明，中波红外傅里叶变换红外(MWIRFTIR)高光谱成像技术是一种强大且完全非侵入式的手段，可在船舶实际运行环境下对船舶排气羽流开展特性表征。该系统可实在远距离测点，成功获取排气羽流的温度分布，实现气体成分识别与定量分析，测量燃烧效率、估算流速并得到排放速率。

研究结果表明，高光谱成像能够支撑排放监测、燃烧研究、环境评估以及发动机性能评估，且无需在船舶上安装任何机载仪器。