远距离中波红外高光谱成像|船舶排气羽流

2026-10-20

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。

其他新闻

  • FAST M2k UDx|高速红外成像捕获瞬态热现象

    本文介绍FAST M2k UDx高速红外成像设备,用于捕捉冲击、材料形变、快速热传递、增材制造等各类瞬态热现象。该仪器具备高灵敏度辐射测绘与对比度增强技术,可在不降帧率条件下分辨细微热梯度与瞬态流动特征。设备拥有640×512科学级分辨率,最高帧率达1500Hz,兼顾大视场与优异时间分辨率,依靠精准辐射测温,实现大范围区域内快速热演变过程的完整采集记录。

    넶0 2026-10-20
  • 远距离中波红外高光谱成像|船舶排气羽流

    该研究针对船舶排气羽流监测难点,探究中波红外高光谱成像遥感检测方案。实验使用HyperCamMini MWf设备远距离采集渡轮尾气高光谱数据,解析光谱信号识别CO、CO₂气体特征,反演羽流温度场与气体柱浓度。依托气体占比计算燃烧效率,结合光流法获取气流速度,核算气体排放速率。验证了非接触遥感手段的可靠性,为海上船舶尾气现场监管与燃烧工况分析提供高效技术路径。

    넶0 2026-10-20
  • Chronos Q12高速相机,让高速影像不再只是“慢动作”

    这次,Q12依然延续了Chronos系列一体化、独立运行的产品理念。无需依赖大型外部控制系统,也无需持续连接电脑才能完成高速拍摄。对于工业现场、实验室、户外测试以及影视拍摄来说:更小的系统负担 = 更快的部署速度。

    넶5 2026-10-19
  • 探索FAST系列|超高速科学热成像

    Exosens FAST系列依托Telops技术,是面向瞬态科研试验的高速红外热成像设备,成像快、测量精度高。FAST S1k短波红外相机可开展电池安全、爆炸等高温观测;FAST M3kx、M2k UDx中波机型适配增材制造、燃烧、实验力学;甚长波VGA相机适合传热、流体力学常温研究。多波段机型可选,满足各类动态热现象科研采集需求。

    넶6 2026-10-19
  • 新闻速递 | 牛津大学衍生企业Living Optics完成2000万美元超额认购融资,加速计算型高光谱成像技术全球商业化

    近日,牛津大学物理系衍生科技企业Living Optics宣布完成2000万美元超额认购融资。本次融资资金将助力Living Optics实现视频级高光谱成像技术规模化落地并拓展客户项目部署。

    넶18 2026-10-14
  • 聚焦前沿|北京威盛受邀出席Telops中国区销售峰会,共话红外成像技术应用

    深耕专业领域,携手赋能未来。作为Telops重要合作伙伴,北京威盛科创始终专注于红外热成像、高光谱成像等仪器的推广与技术服务。本次峰会的深度交流,进一步强化了双方技术联动与资源协同。

    넶31 2026-10-13
  • EXOSENS 与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)签署了一项新的合作协议

    高科技企业 Exosens 于 2025 年 12 月与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)签署 CRADA 合作研发协议,计划 2026 年初在弗吉尼亚州美国国家气象局测试场地部署 Assist II 大气探测仪,开展为期约 10 个月的现场运行验证,开发配套新算法与 TROPe 分析软件,提升云底探测以及一氧化碳、臭氧、甲烷、一氧化氮等气体的大气剖面分析能力,助力气象与环境变化研究。

    넶38 2026-09-23
  • 高速红外热像仪镜头选型技术指南

    本篇内容主要针对Telops全系列高速红外热像仪,结合设备硬件特性、光学参数、试验工况,系统梳理镜头选型标准、核心参数匹配规则、场景适配方案及避坑要点,为科研试验、工业检测、瞬态热测试等场景的镜头选型提供标准化技术依据。

    넶19 2026-09-22
  • 快照式视频高光谱技术用于草莓植株和果实的真菌病害无损识别

    本案例研究展示了如何利用Living Optics快照式视频高光谱成像相机检测受感染植株和果实组织中细微的光谱变化。通过利用NDVI或自定义波段比值以及光谱分类器等工具,种植户可以监测光合活性、标记胁迫区域并识别果实上的白粉病。

    넶30 2026-09-15
  • ASSIST II大气探测光谱仪 | 可野外部署·实时廓线探测

    ASSIST II于2010年正式推出,并完成系统重新设计,ASSIST II是适用于野外部署的大气探测仪,可在全球各地便捷投入使用。

    넶61 2026-09-02