红外望远镜站址大气传输和环境背景特性的测量分析研究

大口径的地基红外望远镜必须安装在具有良好大气条件的观测台站才能充分发挥其性能,天空背景辐射和大气传输特性是地基红外望远镜站址选择所需考虑的重要内容。采用消光-小角度散射法在西藏羊八井实测了太阳直接红外辐射和大气背景红外辐射,并根据备选站点的大气参数,采用CART软件计算了当地8~14 m波段整层垂直大气的光谱透过率、太阳直接光谱辐射和地面大气垂直向下的背景光谱辐射,以及相关量的波段积分值,这些结果有助于地基红外太阳望远镜的站址选择。     

高层大气环境对长波红外背景辐射特性的影响分析

高层大气长波红外背景辐射特性是目标识别和红外辐射特性测量的重要研究课题.根据NRLMSIS-00大气经验模型,分析了高层大气温度和气体浓度对红外辐射的影响.利用高层大气辐射传输模式SHARC,在6～15 μm波段对不同观测位置和大气模式条件下的高层大气背景辐射进行了数值计算和理论分析.结果表明,高层大气长波红外辐射会随临边切线高度的增加而减弱,随倾斜观测天顶角的增加而增强,随太阳天顶角的增加而减弱.曙暮光和极光对高层大气长波红外辐射具有重要的增强作用,而且高层大气长波红外辐射存在纬度和季节变化特性.高层大气环境对长波红外背景辐射的影响分析结果可供空间目标探测和卫星红外遥感等工程参考.     

基于辐射传输的M'波段大气透过率实测和误差分析

采用自制的M'波段（4.605~4.755 m）红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量,并对结果进行拟合和误差分析。首先,基于黑体定标结果和辐射传输方程,得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式;在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量,利用上述公式,拟合出M'波段平均大气透过率。结果表明,三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650,透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073,高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615,与实测结果接近;误差分析表明:有效读数越大,传递误差越小,此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据,实时获得大气透过率的方法。     

昼夜观测恒星整层大气透过率测量研究

在昼夜观测恒星测量恒星宽光谱成像信号强度的基础上,首先通过MODTRAN软件结合系统参数、恒星光谱特征研究了宽光谱信标利用Langley法标定大气透过率的标定误差,据此通过标定恒星成像强度得到了整层大气宽光谱透过率;然后,利用大气模式研究了晴朗大气条件下宽光谱大气透过率与激光波段大气透过率的关系,进一步得到了532 nm和1 064 nm的整层大气透过率;最后,将白天时段观测恒星测量的大气透过率与太阳辐射计观测太阳得到的透过率进行了实验对比。结果表明:两种方法得到的大气透过率时间变化趋势一致、大小相仿。在此基础上开展了整层大气透过率的连续观测,获得了整层大气透过率的昼夜连续数据、特别是获取了晨昏时段弱湍流时刻的整层大气透过率数据;文中所开展的工作丰富了整层大气透过率的测量手段,对地基激光工程研究和应用有促进作用。     

可见到近红外波段整层大气透过率的测量

通过测量太阳辐射值计算整层大气透过率的方法简单易行且精度高。利用自行研制的整层大气透过率仪测量可见到近红外波段的太阳直接辐射连续光谱,在可靠定标的基础上,推算出实际天气条件下的整层大气光谱透过率。利用Langley-plot方法对整层大气透过率仪进行标定,得到了仪器标定结果和不同时刻整层大气透过率随波长变化的曲线。将计算得到的整层大气透过率与太阳辐射计PGS-100的测量和MODTRAN计算的结果分别进行了比较,发现有较好的一致性,从而证明整层大气透过率仪设计合理,测量数据可靠。     

可见到近红外波段整层大气透过率的测量

通过测量太阳辐射值计算整层大气透过率的方法简单易行且精度高。利用自行研制的整层大气透过率仪测量可见到近红外波段的太阳直接辐射连续光谱，在可靠定标的基础上，推算出实际天气条件下的整层大气光谱透过率。利用Langley—plot方法对整层大气透过率仪进行标定，得到了仪器标定结果和不同时刻整层大气透过率随波长变化的曲线。将计算得到的整层大气透过率与太阳辐射计PGS-100的测量和MODTRAN计算的结果分别进行了比较，发现有较好的一致性，从而证明整层大气透过率仪设计合理，测量数据可靠。     

通用大气辐射传输软件CART在场景计算中的应用（特邀）

研制了通用大气辐射传输软件CART,可以根据大气参数计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和背景辐射（包括环境散射太阳辐射和热辐射）。光学工程特别关注某一波段的大气透过率随天顶角、距离等参数的多维变化,需要快速计算这些场景变化的大气光学特性。介绍了CART新增的大气辐射传输二维场景计算功能。引入离散坐标法（DISORT）模块,一次计算可同时得到各方位角和天顶角的多次散射辐射强度,大大提高了计算效率。对于大气透过率和热辐射随空间位置的变化缓慢的特点,采用抽样计算、样条插值的方法,在保持计算精度基本不变的情况下,大大节省了计算时间。对于场景计算,相对于逐点串行计算,速度提高了2~3个量级。这在实际工程应用的大气辐射传输场景计算中将有重要的应用。     

临近空间对地探测目标与背景红外特性研究

红外辐射特性是红外探测系统进行目标识别的主要依据。基于辐射传输原理,面向临近空间对地探测目标与背景的红外特性进行研究。利用全球大气廓线反映全球大气状况先验知识,设计了一套临近空间对地探测红外特性研究的辐射传输仿真方案。利用MODTRAN模型进行仿真,量化临近空间对地探测目标与背景的红外特性差异,分析传感器最优透过率波段以及红外辐射特性的影响因素。结果表明,大气透过率以及目标与背景的红外辐射差异随着临近空间传感器高度的增加而减小,且与大气状况密切相关;得出了传感器在3~14 μm范围内的最优透过率波段;季节、大气能见度与传感器观测角度对目标与背景的亮温差异造成的影响不可忽略。     

采用长波红外高光谱偏振技术的目标探测实验

偏振探测有利于改善对目标的探测和识别能力,是当前国内外研究的重要内容之一。介绍了长波红外高光谱偏振测量的原理,并通过搭建长波红外高光谱偏振测量系统,开展了对涂漆目标和镀铝目标在不同温度、不同观测角度下的高光谱偏振成像实验,获取了有效的实验数据并进行处理分析。结果表明:温度和观测角度对目标的光谱偏振特性有较大影响,目标表面的红外光谱偏振特性随辐射温度差值及探测角度差值的增大而增大,并具有波段选择性。利用目标温度和观测角度的差异对目标光谱偏振特性的影响,可以进行有效的探测与识别,并为探测器的波段选择提供参考依据。     

天空背景红外辐射亮度测量及其对目标探测的影响分析

天空背景的红外辐射特征对目标侦察探测具有重要意义。利用3μm~5μm中波、8μm~12μm长波红外测量设备对天空背景红外辐射亮度进行了测量,长波波段辐射亮度在3.7~13.6 W?m-2?sr-1,中波波段辐射亮度在0.05~0.48 W?m-2?sr-1,相同条件长波辐射亮度高于中波辐射亮度1~2个数量级;随着观测角增大,天空背景辐射亮度显著降低,同时太阳辐射、大气温度等因素也对天空背景辐射有较大的影响。利用测量结果仿真分析了天空背景辐射对目标侦察探测距离的影响,结果表明当观测角由9.6°降低到1.9°时,红外搜索跟踪系统探测距离会减少41.5%~46.2%。     

星敏感器白天观星的对比度分析

恒星-背景对比度是星敏感器白天探测恒星的一个重要参数,它决定了星敏感器可探测星等的极限值.叙述了恒星-背景对比度的计算方法,分析了星敏感器在3°× 3°视场角和0°与40°两个观测角下,6等K和M型恒星的对比度随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化特征.结果表明:对比度随观测高度的增加按指数增加,40 km高度上的对比度是10 km上对比度的100倍左右;随太阳天顶角的增加按线性增加,长波波段上80°太阳天顶角的对比度是20°时的6倍左右;经过滤波片(B W 090)滤光的全波段(0.4～1.0μm)上的对比度和0.6～0.7μm分波段的对比度较接近;全波段上的对比度随恒星光谱类型几乎不变化.这些结果可用于星敏感器在大气层内白天观测恒星的星等极限估计.     

夜间天空背景及云层红外辐射测量分析

采用中波、长波红外热像仪对夜间无云天空背景及云层背景红外辐射亮度进行了测量。无云天空背景中波波段辐射亮度在0.58~1.30 W·m-2·sr-1,长波波段辐射亮度在6.61~15.29 W·m-2·sr-1。由于夜间条件下无太阳辐射影响,相同俯仰观测角条件下,0°~360°各个方向天空背景辐射亮度基本一致。从无云区到有云区,随着云层厚度的增加,其辐射亮度逐渐增大。相对于无云背景,中波波段云层中心辐射亮度增加了1.5%,长波波段云层中心辐射亮度增加了14.2%,长波波段云层对天空背景辐射影响更加显著。     

天空背景近红外氧气A带光谱测量与分析

为研究被动测距技术中天空背景近红外氧气A带光谱特性,利用高光谱成像光谱仪,对不同天顶角下的天空近红外氧气A带光谱进行测量,并依据被动测距原理,计算出不同天顶角下的天空背景光谱的氧气吸收率。测量结果表明:天空背景光谱在氧气A带中有明显的特征吸收谱线存在,并且天顶角越大天空光谱氧气A带吸收强度越强,氧气吸收率越大。这为后续被动测距的背景抑制和目标光谱准确提取奠定了基础。     

可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高

为解决大部分设备无法单独获取全天空云底高度的问题,基于中国气象局大气探测基地可见光/红外天空成 像仪和毫米波云雷达2019 年6 月的灰度值与云底高度数据,利用辐射传输模式计算地面8～14 μm波段向下红外辐射 随天顶角的变化关系,并根据红外波段测得的天顶云底灰度值与非天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系, 从 而反演得到全天空云底高度。结果表明： (1) 相比于全天无云的情形,在一天的相同时间时,全天有云时的天顶灰度值 较高。(2) 当云底高度为2000 m以上且云层较厚时,云底高与红外模块所测灰度值的相关性明显好于云层较薄的低 云。(3) 2019 年8 月12 日的个例验证结果显示,反演云高与通过云雷达测得的实际云高相关系数为0.956,而与取天顶 附近约30°天顶角得到的云高相关系数为0.9508。     

改进的海面辐射模型

作为海面目标的主要背景,海面的红外辐射特性对于舰船红外仿真研究具有重要意义.为了获得更接近实际的海面红外辐射,用MODTRAN按照不同的天项角计算出天空辐射,按照不同的高度和俯仰角计算出透过率以及大气程辐射.根据反射定律计算出海面反射的太阳辐射以及天空辐射.用改进的海面辐射模型计算探测器可见海面的红外辐射.在有太阳镜面反射和无太阳镜面反射两种情况下,对3～5μm和8～12μm波段的海面红外辐射分别进行模拟.结果表明,利用改进的海面辐射模型对海面红外辐射进行模拟更加接近实际.     

基于氧气光谱吸收的被动测距中无云天空背景辐射特性研究

氧气吸收率是利用氧气A 吸收带进行被动测距技术计算的核心,将包含氧气A 吸收带在内的无云天空背景辐射和黑体辐射作为研究对象,利用CART 软件模拟计算了不同观测天顶角、不同时段、不同太阳天顶角的无云天空背景氧气吸收率分布,并与不同观测天顶角、不同距离下的黑体辐射氧气吸收率进行了比较分析,结果表明:当探测距离大于3 km 时,黑体辐射的氧气吸收率大于无云天空背景辐射氧气吸收率,所以根据不同观测条件设置被动测距的氧气吸收率阈值,可提高对目标的探测概率,降低背景辐射对被动测距的影响。