激光遥感斜程能见度探测技术研究进展（特邀）

以斜程能见度精确探测为目标,综述了激光遥感在斜程能见度测量中的主要技术及其研究进展,分析了现有探测技术在斜程能见度测量中的不足与局限性,重点介绍了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法,剖析了基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、基于辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法以及大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术与应用案例,突破了当前白天斜程能见度测不准的技术瓶颈。最后,展望了激光遥感技术在全球斜程能见度测量中的应用潜力。     

空间斜程能见度的影响因素分析

 空间斜程能见度是空间目标识别的重要参量。水平能见度与大气消光参数有明确的关系，而斜程能见度与大气消光参数、观测方向、太阳天顶角等多种因素有关，目前尚未有明确的结果。从辐射传输理论出发，通过δ-Eddington近似求解辐射传输方程，尝试推导了空间斜程能见度的表达式，探讨了斜程能见度与观察者视角、太阳高度角以及大气光学特性之间的关系。     

大气光学

空间斜程能见度是空间目标识别的重要参量。水平能见度与大气消光参数有明确的关系,而斜程能见度与大气消光参数、观测方向、太阳天顶角等多种因素有关,目前尚未有明确的结果。从辐射传输理论出发,通过子Eddington近似求解辐射传输方程,尝试推导了空间斜程能见度的表达     

基于Fernald-PSO法反演气溶胶激光雷达比及其 对斜程能见度的影响

为了提高斜程能见度的计算精度,提出了一种基于Fernald-PSO法求解气溶胶激光雷达比的方法.首先,以均匀层底部和顶部的大气消光系数相等为条件构建气溶胶激光雷达比和气溶胶消光系数边界值的方程.然后,再以激光雷达数据反演和AERONET网站观测的气溶胶光学厚度相等为条件构造另一参量方程.最后,采用Fernald-PSO法解方程组,用得到的参量反演气溶胶消光系数计算斜程能见度.采用激光雷达和AERONET数据对该方法进行验证,分析气溶胶激光雷达比对斜程能见度反演的影响.结果表明,同一信号气溶胶激光雷达比假设值与计算值相差越大,气溶胶消光系数和斜程能见度的相对误差绝对值也越大,最大误差分别为18.93%和19.90%.     

大气中的视觉和大气能见度

表征大气对视觉影响的物理量是大气能见度,该物理量的具体定义在各种应用领域和研究文献中是比较混乱的。在气象领域,水平大气能见度已成为常规观测量。航空应用领域常常涉及到的斜程大气视线路径的能见度问题一直没有统一的标准。以物体与背景亮度的对比度为研究对象,详细探讨了大气中的视觉问题,澄清了水平能见度的概念,从辐射传输方程出发研究了斜程大气能见度问题,给出了典型大气条件下斜程大气能见度的基本特征,特别比较了向上和向下观察时能见度的区别。     

基于星地测量和辐射传输模式的特定地域大气中分辨力光谱辐射特征

 利用中分辨力成像光谱仪数据,采用星地测量并结合中分辨力辐射传输模式,以巢湖流域及周边为实验区,计算得到该地区夏季实际大气层结下沿观测路径整层大气透过率、大气辐射、大气热辐射和大气散射的太阳辐射在中分辨力光谱上的特征,以及整层大气廓线。研究结果表明：受能见度影响,实验区两地点水体像元处的整层大气透过率数值略高于植被像元处;两地卫星入瞳处的程辐射和卫星探测器探测到的程辐射谱分布相似;在可见至近红外波段,大气程辐射和散射的太阳辐射谱分布相似性较强,且随着波长增加而数值均逐渐减小,而大气热辐射数值很小;两个地点在短波范围内路径热辐射很低且接近,随着波长的增加,热辐射明显增强,波长越长,两地点热辐射差别越明显;当日天气晴好,气溶胶含量较低,而且两地距离很近,因此两地的大气廓线数据基本相似。     

半导体激光雷达斜程能见度观测和反演方法

论述了自行研制的半导体激光雷达能见度仪的工作原理、基本结构及参数,提出了一种稳定的消光系数迭代算法。利用该半导体激光雷达能见度仪与美国Belfort model 6230A型能见度仪对水平及斜程能见度进行了对比实验。对比实验表明:对于水平能见度,平均相对误差在10%以内的占总量的45.6%,平均相对误差在20%以内的占总量的84.7%,平均相对误差在30%以内的占总量的91.2%;对于斜程能见度,不同天气条件下,能见度变化趋势明显,反映了斜程能见度与水平能见度探测的差别与意义。充分说明该能见度仪能够在各种气候条件下测量水平及斜程能见度,所提出的反演能见度的迭代算法稳定可靠。     

空间目标探测与识别的波段选择

介绍了根据目标的反射率实验测量和大气光谱特征对大气层外目标进行探测的波段选择方法.测量出样品及标准板的反射光强度,计算出样品的光谱反射率,在考虑空间目标自身的辐射强度、光谱反射率、背景大气的辐射亮度、目标-背景对比度、不同波段斜程透过率等诸多因素后进行波段选择.利用MODTRAN大气传输模型计算了目标亮度、背景大气的辐射亮度、对比度以及不同波段斜程透过率的典型光谱特征、并进行光谱特征分析,综合考虑目标的视亮度以及对比度,结果表明0.76～0.90 μm是包覆黄色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段,0.52～0.60 μm是包覆银色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段.     

基于激光雷达的垂直能见度反演算法及其误差评估

针对大气垂直方向上消光系数分布不均匀难以用传统方法直接测量垂直能见度的问题,提出了一种基于激光雷达探测垂直能见度的计算方法。根据大气辐射传输基本原理,借助于辐射传输方程,推导出了垂直能见度的计算公式;然后利用激光雷达原理方程和Klett算法反演出大气垂直方向上的消光系数分布,基于此提出了垂直能见度的迭代算法。最后,利用灰色模型GM(1,1)和批统计算法,对激光雷达反演得到的后向散射系数进行了评估,给出了误差置信区间为(0.760±0.339)×10^-4(srad·km)^-1。结果表明,该方法是一种特别有效的计算垂直能见度的方法,符合探测的基本需求,且误差小精度高。     

基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视。然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟。由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同。波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大。总辐射通量受云粒子形状的影响显著。研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性。该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值。     

基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布,提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究,即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向,在垂直方向将其分为无穷多层,令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀,结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数,计算激光在每层气溶胶中的透过率,最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明,与Kim经验公式及Mie理论模型相比,由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值,其平均相对误差降低了一个数量级,仅为3.5%,表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式,利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真,发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上,高轨卫星的探测成功率仅为15%,可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能,为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.     

气溶胶对大气CO_2短波红外遥感探测影响的模拟分析

气溶胶引起的光学路径长度改变是影响高分辨率近红外光谱反演大气CO_2浓度的重要误差源.本文利用高精度大气辐射传输模式模拟中国碳卫星观测,结合CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星的气溶胶廓线产品研究了不同特性的气溶胶对卫星观测光谱的影响.模拟结果显示:气溶胶散射引起的光学路径长度改变与气溶胶类型、模态以及垂直分布密切相关;城市型和海洋型气溶胶对观测光谱影响很大;多层分布的积聚模态大陆型和海洋型气溶胶在光学厚度小于0.3时,会引起5%以内的负辐射变化,随光学厚度不断增加会引起正的辐射变化;主要以粗粒子模态存在的气溶胶在不同的垂直分布情况下均会引起辐射的负变化,从而造成CO_2浓度的高估;另外,随气溶胶分布高度变高,负的辐射变化程度会逐渐减小.     

基于低空成像信息的热红外成像仿真研究

提出了一种由低空飞行获取的以红外图像为数据源的中远红外仿真方法。首先通过大气辐射传输模型计算出测量条件下的程辐射和大气透过率,反演出地面温度,然后再由大气传输模型计算出仿真条件下的程辐射和大气透过率,并仿真卫星高度下的红外图像。以飞艇为平台,并搭载中远红外成像系统进行飞行,对获取的数据进行仿真模拟。试验结果表明,这种利用大气辐射传输模型和基于低空成像信息的遥感图像仿真方法可以用于模拟相同地区相同波段范围的卫星图像。     

水中油对水体上行辐亮度光谱的影响

目前,学者主要关注利用遥感技术探测海面油膜。然而,经海洋物理过程或人为喷洒化学分散剂处理形成的水中油对海洋生境也具有危害作用。水体上行辐亮度是水色传感器的重要信号源,通过分析含油水体的上行辐亮度光谱特征,探索快速有效地遥测水中油的方法对保护海洋生境具有重要意义。基于大连港海域现场实测数据及Hydrolight模拟含油水体水下光场,通过分析上行辐亮度随波长、水深及太阳天顶角的变化特征,剖析水中油对上行辐亮度光谱的影响及水中油的敏感光谱特性。结果表明水中油的主要波谱响应区间位于可见光波段（380~760 nm）。随着水中油浓度的增加,上行辐亮度光谱峰值有逐渐向长波方向移动及蓝光波段辐亮度量值逐渐降低的趋势,这些变化处于水色遥感的探测光谱范畴,为利用水色遥感技术探测水中油提供了光谱依据。其次,上行辐亮度随水深逐级递减,并在接近水体下界面前不降反升的现象说明刚好在水面之上的上行辐亮度由各深度水体组分的后向散射及下界面的反射共同贡献,再经水汽界面上行透射而得,属于水体辐射传输的核心机理。这与水面油膜通过油类物质改变海表反射率而产生与自然海表不同反射光谱的探测机理具有本质上的差别。再者,与含水中油水体后向散射产生的上行辐亮度相比,海表对太阳光的反射属于强信号,会掩盖水体组分信息。水色卫星搭载的水色传感器具有一定的侧摆能力,能避开太阳辐射反射信号并接收到含水中油水体的上行辐亮度;水色卫星的当地过境时间一般为10至14点,且水色传感器具有高信噪比特征,满足含水中油水体的暗像元探测要求。该研究揭示了水色遥感探测含水中油水体的光谱和机理依据,表明可以视水中油为一种新的水体组分,基于光在水体中的辐射传输过程,开展含水中油水体的水色遥感反演研究。     

基于MODTRAN的双查找表法反演高光谱数据的水汽含量

基于MODTRAN辐射传输模型,假设近红外波段地物反射率随波长线性变化,考虑程辐射的影响,发展了一种通过双查找表反演高光谱遥感数据水汽含量的方法。建立查找表过程中,使用三次样条插值方法对查找表水汽含量值加密以减少MODTRAN运行时间。使用两个查找表,通过逐步搜索法对高光谱遥感数据进行水汽反演,得到水汽含量分布图。结果显示,使用三次样条插值方法得到的辐亮度值与MODTRAN计算结果只有0.1%的误差。对两景机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)高光谱数据进行水汽反演,得到水汽含量分布图,并用其对辐亮度数据进行大气校正,得到反射率数据。水汽含量分布图变化平缓,无亮/暗点出现,反射率数据在水汽吸收波段的光谱曲线没有过/欠校正现象,这表明水汽反演方法有效。     

激光雷达数据应用于海气界面气体传输速率的估算

选取2007年1、4、7、10月4个月夜间无云的云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(CALIPSO)星载激光雷达Version 3.01数据,提取532nm激光海面后向散射系数并计算海面波浪均方斜率。同时选用准同步AMSR-E海面风速数据,利用Wanninkhof等于2009年提出的包含线性、平方、立方项的海面风速与气体传输速率混合关系模型计算海水施密特数为660时的海气界面气体传输速率k660。通过回归分析,得到由星载激光雷达数据反演k660的关系模型。将激光雷达数据反演结果与采用4种典型海面风速关系模型的计算结果进行比较,给出由星载激光雷达数据反演的4个月平均的海气界面气体传输速率全球分布图和纬度分布图。研究表明,CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据可用于反演海气界面气体传输速率。     

气溶胶空间非均匀性对近红外辐射传输的影响分析

为了解气溶胶空间非均匀性对近红外辐射传输过程的影响,构造了典型非均匀气溶胶场,采用辐射传输模式球谐离散坐标法(SHDOM)模拟了对应情形下的漫射光强、偏振特性以及辐射通量密度,定量分析了将非均匀气溶胶场等效为均匀场造成的模拟误差。研究结果表明,气溶胶非均匀场对辐射传输过程影响显著,且它对漫射光偏振辐亮度的影响大于它对辐亮度的影响,其中气溶胶空间非均匀性造成的辐亮度及偏振辐亮度模拟误差分别可达9.8%和80%。气溶胶水平非均匀性主要影响漫射光辐亮度及偏振辐亮度模拟误差的空间分布特征,垂直不均匀性基本不改变漫射光模拟误差的空间分布特征,但它对辐射传输过程的影响明显大于水平不均匀性。随着气溶胶浓度的增加,气溶胶非均匀性造成的模拟误差整体降低。从量级上,气溶胶空间非均匀性对辐射通量密度的影响明显弱于漫射光辐亮度和偏振辐亮度,多数情形下,其模拟误差小于5%,且该误差随高度的变化呈特定分布特征。可为平面平行大气辐射传输模式适用范围的确定,气溶胶空间非均匀性导致的遥感误差的评估提供一定参考。     

基于稳定场地再分析资料的多源遥感器替代定标

为监测多源卫星遥感器在轨辐射性能,提出了基于均匀稳定目标再分析基准数据库的替代定标方法。以均匀稳定的敦煌辐射校正场为实验场区,在分析场区历史光谱和大气数据的基础上,建立了地表反射率参考与实时气溶胶估算模型;并结合现有反射率基法定标模型实现了资源一号02C(ZY-1 02C)、资源三号(ZY-3)和高分一号(GF-1)卫星多个遥感器的辐射定标。采用星地同步实测数据和常规外场定标方法对获取的定标系数进行验证,结果表明:基于类似敦煌场的稳定目标再分析资料可实现多源遥感器的辐射定标;定标后的辐亮度与基于实测数据反演的辐亮度平均差异小于5.0%,且与常规外场定标结果总体精度相近。该方法可用于多源卫星遥感器在轨辐射性能日常检测,并为定标系数修订提供参考。     

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

基于激光大气传输特性的卫星激光测距系统的最大探测距离

基于激光在大气中的传输特性,利用斜程传输理论计算激光在大气中的衰减程度,结合激光雷达测距方程,建立了卫星激光测距(SLR)系统的斜程传输最大测距模型,通过分析数值仿真结果及长春站SLR系统最大探测距离(MDR)实测值,对SLR系统的最大探测距离进行了系统的研究。结果表明:在一定范围内,SLR系统的MDR值随着望远镜发射仰角的增大而增大。与其他常见的模型(Kim经验公式和Mie理论)相比,利用斜程传输最大测距模型得到的MDR值更接近实验值,其误差率减小了一个数量级,仅为3.8%。该模型可有效计算SLR系统的MDR。