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。     

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。     

基于大气辐射传输和δ-二流近似的斜程能见度反演方法

从能见度定义出发,提出采用SBDART辐射传输模式结合CALIPSO卫星数据求解辐射传输方程,对华北地区斜程能见度进行了详细的仿真与分析。首先,使用SBDART模式结合CALIPSO卫星数据获取实际条件下天空背景辐射亮度。然后,根据斜程能见度探测原理,得到斜程能见度所处区间,进而采用δ-二流近似估计区间内部辐射亮度分布,从而反演得到精确的斜程能见度。结果表明,采用CALIPSO卫星数据结合SBDART模式模拟大气辐射传输过程,计算结果与MERRA-2辐射数据变化趋势一致,相关系数达到0.949;使用δ-二流近似能更加高效地模拟辐射传输过程,且提出方法结果与SBDART模式保持较好的一致性,两者相对误差在14.3%以内;当斜程能见度小于1 km时,使用提出方法反演斜程能见度同经验公式相比误差约为7.1%,且适用于15°以外以及向上观测的斜程能见度探测。     

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。     

空间垂直方向气溶胶消光特性的研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上,对空间垂直方向的气溶胶消光特性进行了研究。文章利用Mie散射理论计算讨论了气溶胶的消光、散射、吸收系数随各参数的变化,并在MATLAB中对变化情况进行了仿真。结果表明,粒子半径与入射波长大小相近时气溶胶的消光最强,并且随着能见度的增大,气溶胶衰减系数减小。这些结论可以为红外辐射的大气衰减计算和分析提供依据。     

湍流大气中斜程传输部分相干光的光束扩展

运用维格纳分布函数与广义惠更斯菲涅耳原理,推导出部分相干光束在任意折射率起伏功率谱模型的大气湍流中斜程传输时,其束宽传输的一般解析表达式。在此基础上,以部分相干平顶(PCFT)光束为例,给出了PCFT光束在大气湍流中斜程传输的束宽扩展解析表达式。在合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式下开展了数值计算和分析,并与水平传输时的结果进行了比较。研究结果表明,光束在斜程传输时的束宽不仅与光束阶数、空间相干度、束腰半径、湍流的强弱和传输距离有关,还与天顶角密切相关。光束的阶数越高,空间相干性越差,天顶角越小,则其束宽扩展受湍流的影响就越小。当天顶角小于60°时,大气湍流对斜程传输光束束宽的影响明显小于水平传输的情况。     

热红外对地遥感中的大气散射效应

从辐射传输方程出发,严格地分析了以往工作中被忽略的大气层中悬浮微粒散射对热红外辐射能量传输的影响,特别研究了对能量平衡的贡献和对传感器信噪比的影响,对以遥感器高度和能见度作为参量的仿真计算结果说明,与传统的不考虑大气中悬浮微粒的散射情况相比差1~2个数量级。这说明,悬浮微粒的散射不仅对红外辐射有消光作用,而且是研究热红外遥感系统中新的辐射通量出现的重要因素。     

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。     

斜程湍流大气中部分相干艾里光束的偏振特性研究

偏振是激光通信中保密编码的重要参数,研究斜程湍流大气中的偏振特性对激光通信具有重要意义。利用广义惠更斯-菲涅尔原理和偏振-相干统一理论,推导了无衍射的部分相干艾里高斯光束在斜程湍流大气传输中的偏振度解析式,详细研究了湍流参数、相干长度、天顶角、截断因子和分布因子对偏振度的影响。研究结果表明:与水平湍流相比,光束在斜程湍流下恢复到初始偏振需要更长的传输距离。天顶角、接收高度、截断因子、分布因子越大和相干长度越小,光束偏振度峰值也越大。高相干性的高斯光束比艾里光束更易于保持偏振度不变。无衍射艾里光束中选取合适的光学参数更有利于信息传输与编码,本文结果对激光大气通信领域有着潜在的应用价值。     

大气红外辐射及消光特性实测研究

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M′波段(4.605~4.755μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2Binning、4×4Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。     

大气湍流对斜程传输准单色高斯-谢尔光束空间相干性的影响

由湍流大气中斜程传输时准单色高斯-谢尔(GSM)光束互相干函数的解析式导出了该光束的复相干度.然后,利用表征光束空间相干性的横向相干长度,研究了斜程传输时大气湍流对准单色GSM光束空间相干性的影响.研究结果表明：1)当传输路径偏离水平方向较大(即θ≤88°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先迅速增加,后缓慢增加,最后基本保持不变.2)当传输路径接近水平方向(即θ≥89°)时,准单色GSM光束横向相干长度随传输距离均为先增大,达到一个最大值后开始下降并持续减小.3) 关键词： 大气光学 空间相干性 高斯-谢尔光束 斜程传输     

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.     

部分相干厄米高斯光束在斜程大气湍流中的扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干厄米高斯（H-G）光束通过斜程大气湍流传输的均方根束宽和角扩展的解析表达式,并用以研究了传输路径和光束阶数对部分相干H-G光束传输的影响。引入相对束宽和相对角扩展来定量描述光束抗拒大气湍流的能力。结果表明:在相同条件下,部分相干H-G光束斜程传输受大气湍流的影响要小于水平传输,与水平传输相比斜程传输更有利于部分相干光束在大气湍流中的传输,光束阶数越大部分相干H-G光束受大气湍流的影响越小。     

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%.     

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。     

大气对激光传输的影响

本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。并建立了大气传输系统的传递函数模型。最后通过LOWTRAN模拟软件包对本文所得的模型进行评估。     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。     

激光在云雾中传输的消光特性（英文）

研究了大气分子和云雾粒子对入射激光的吸收与散射效应.采用Kruse模型、单次散射近似法和蒙特卡洛法计算了谱分布参量不同的三种云雾对0.86μm波长激光的消光特性,结果表明:能见度小于0.5km时,Kruse模型不再适用于云雾消光系数的计算;能见度相同时,消光系数的单次散射近似结果大于蒙特卡洛的仿真结果,导致传输距离相同时,云雾对0.86μm波长激光透过率的单次散射近似结果小于蒙特卡洛的仿真结果;同一能见度下谱分布参量不同的三种云雾,消光特性的差别较小,云雾粒子尺度分布对消光特性的影响不明显.     

基于Monte Carlo方法的雾红外传输仿真及分析

为了研究多次散射效果下红外辐射在雾中的传输衰减特性,基于Mie散射理论,计算了1.064μm、3.8μm和10.6μm激光在平流雾和辐射雾中的消光参量和多粒子散射相位函数.利用Monte Carlo法建立了辐射传输模型,分析了多次散射效应下接收屏、能见度和传输距离对透过率的影响,并与Lambert-Beer定律计算结果进行了比较.结果表明:当能见度和传输距离均为1km时,1.064μm激光在平流雾中的接收屏粒子数随接收屏边长的增加而显著增加;相同的能见度和传输距离下,激光在辐射雾中的衰减小于在平流雾中的衰减;10.6μm激光在平流雾中具有很好的传输性;当粒子散射能力越强、前向散射概率越大时,多次散射对透过率的贡献越明显;激光在雾中的传输衰减特性不仅与消光系数有关,还与散射系数密切相关;能见度和传输距离存在最佳组合,使得此传输条件下多次散射对透过率的贡献最大.