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。     

冬季极端天气条件下被动测距实验

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,为研究冬季极端天气条件对目标氧气吸收率计算及测距精度的影响,在降雪和雾霾天气条件下进行了被动测距实验。采用1000 W卤钨灯作为目标光源,分辨率为1 nm的高光谱成像仪作为测量设备,对水平方向距离550 m处的卤钨灯进行了测距实验。利用相关K分布法建立的氧气吸收率与路径的关系模型及实验测得的目标氧气吸收率,解算了目标距离。结果表明:冬季极端天气影响目标氧气吸收率的测量精度,导致利用所建模型解算的距离与真实距离误差大;通过背景消除后,测距误差变小,雾霾天气测距误差为8.36%,降雪天气测距误差为5.45%。背景消除可以提高目标氧气吸收率的测量精度,进而提高冬季极端天气条件下的测距精度。     

降雨天气条件下被动测距实验

降雨对目标辐射的传输会产生严重衰减,从而给基于氧气吸收的被动测距技术带来一定的影响。在理论分析降雨天气条件下大气及雨滴粒子对目标辐射散射衰减作用的基础上,在降雨天气时对固定距离为2360 m处的卤钨灯目标进行了被动测距实验。实验采用分辨率为1 nm的光谱仪采集卤钨灯目标在740~790 nm波段的光谱辐射,通过设置不同的目标提取阈值提取目标辐射光谱,并根据被动测距技术的原理计算氧气吸收率;然后利用相关K分布法建立的氧气吸收率与路径的关系模型解算目标距离。结果表明:不同的目标提取阈值对测距精度有影响,文中选用的0.8、0.9和0.99三个目标提取阈值,选择0.9时测距精度最高;经平均处理后的目标光谱更接近真实光谱,测距精度高。     

基于红外被动测距的基线拟合算法研究

为了实现红外光谱被动测距技术的准确测距以及透过率的精确计算,采用插值法进行了基线拟合算法研究。以氧气A带为例,利用逐线积分计算出A吸收带两边的带外数据,采用多种插值拟合方法来拟合,进行了详细的理论分析和仿真验证。通过几种拟合结果的对比,多项式插值拟合取得了比较好的结果,拟合精度最高。结果表明,多项式插值拟合基线算法为建立透过率和距离等条件的数据库提供了方法,为被动测距的实时测量提供了坚实的基础。     

单星条件下基于被动测距的弹道参数估计性能分析

在天基光学监视系统中,根据有限的导弹助推段观测信息估算目标的弹道参数是衡量系统性能的重要指标,对支持目标识别分类、判定威胁程度都有重要意义。本文针对单星观测条件下提高弹道参数估计精度的迫切需求,提出了天基条件下利用氧气A吸收带被动测距提高估计精度的方法。利用MODTRAN对不同大气模型、不同气象、不同信噪比条件下的天基被动测距能力进行了仿真分析,在此基础上深入分析被动测距技术对弹道参数估计精度的提升能力,并与传统经验方法进行对比。仿真表明本文方法能够有效提高单星观测下的弹道参数估计精度。     

近红外氧气A带大气透过率的计算

氧气A带具有单一的吸收气体成分和独特的谱线结构,大气中分布相对均匀,在大气辐射研究中具有广阔的应用前景.大气透过率是大气辐射传输计算的核心,为了快速计算大气透过率,提出带平均透过率的数学模型.将近红外氧气A吸收带作为研究对象,以普朗克黑体辐射为基础,分析了氧气A带在762 nm附近波段的光谱吸收理论,介绍了带平均透过率数学模型的原理及方法.为了验证模型的可行性和精确度,结合实验数据,与HITRAN2004数据库逐线积分法计算的透过率进行对比,精度达到2.2％,降低了计算时间.     

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.     

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。     

探测天顶角与太阳天顶角对卫星红外探测的影响

为了分析不同探测环境对卫星红外探测的影响,推导了倾斜探测路径下目标与背景在探测器入瞳处的辐照度对比度计算公式。计算了目标在海天背景下不同温度、不同高度、不同太阳天顶角、不同探测天顶角条件下,目标与背景在0.75~14μm波段的红外单色辐射照度对比度。分析指出:太阳天顶角对红外探测的影响主要在2.7μm以下波段,探测波长大于2.7μm可不考虑太阳的影响。目标在5 km以下、探测天顶角在60°以上继续增加时,探测波段变窄,不可探频段增宽;目标在10km以上,探测天顶角变化对探测影响很小。这些结论可用于指导卫星红外探测波段选择与探测结果分析。     

氧气A带红外辐射不同路径透过率的仿真分析

红外被动测距的核心就是大气透过率的计算,其精度决定最终测距精度。本文选取氧气A带作为研究对象,采用逐线积分算法,计算水平路径标况下的氧气A带的带平均透过率;通过简易算法对散射造成的衰减进行了研究;采用高空红外辐射透射比的方法,计算某一海拔处的透过率;对于斜程路径,采用等效路径的方法,实现斜程透过率的计算;分析了随着倾角的变化,透过率的变化趋势。在一般的工程应用中,其精度是可以基本满足的,有比较好的使用价值,该方法为精确测距提供了一种参考。     

地基大气背景红外光谱辐射特性测量

用傅里叶变换红外光谱辐射计(FTIR)在地面测量了较高分辨率(1 cm-1)下的大气向下背景光谱辐射,获得了长波红外5~14μm波段的大气背景辐射光谱。研究了大气背景红外光谱辐射与整层大气透过率的关系。从实验数据中研究了不同波段大气背景辐射随观测天顶角的变化。结果表明:地基大气向下的长波背景辐射亮温随着整层大气透过率的增大而减小;大气背景辐射随观测天顶角增大而增大;在大气窗口区,大气背景辐射随观测天顶角变化较快,在强吸收波段,大气背景辐射随观测天顶角几乎不变化。     

基于O2 吸收特性单站被动测距机理研究

大气中氧分子浓度分布相对稳定,随纬度位置和季节变化不大;吸收波段跨越762 nm,易于被非低温探测器探知;带内无叠加其他大气组分吸收谱。据此提出基于其吸收特性的比尔定律被动测距。通过基线拟合寻找762 nm 和690 nm 附近的吸收率来反演距离。朗伯-比尔定律应用中的一项固有误差项被发现,定义为非线性初值。其本质是仪器非理想特性的限制引起的不可消除的线间辐射强度。搭建距离测算实验平台,对东经113,北纬38地区,不同季节不同时段不同天气条件,建立大量的不同组约束条件下的氧吸收率与距离的关系样本数据库。统计拟合得到经验模型实时修正理论模型中的非线性初值项,距离反演精度小于2.7%。     

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8～14μm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。     

0.45～0.95μm太阳辐射在大气中的传输计算

根据瑞利散射、分子吸收线数据库、Mie散射理论和离散坐标法（DOM）,计算了在一定环境下（气溶胶种类、相对湿度、能见度等）,在不同太阳天顶角和不同观察仰角时,因大气同太阳辐射的相互作用而形成的天空背景光谱特性。对0．45-0．95μm波长范围内,天空背景光谱亮度随气溶胶种类、波长、能见度及观察天顶角的变化作了数值计算和理论分析。计算结果表明,利用本文方法所得到的天空背景光谱亮度随太阳天顶角和观察仰角的变化趋势同实测是一致的。     

近红外多视场白天测星分析

近红外多视场恒星探测系统采用3个探测器同时进行恒星探测,分析了近红外波段白天恒星-背景对比度随探测参数的变化情况,对不同视场对比度进行对比,结果表明:随着探测天顶角的增大,恒星-背景对比度呈线性增大;太阳天顶角大于探测器天顶角以后,恒星-背景对比度随太阳天顶角近似于指数增长;一定高度时,对比度随探测器高度的增加近似指数增加;而随着探测方位角的增大,恒星-背景对比度呈高斯分布;三个视场内同一时刻的背景辐射比在主视场0探测方位角时达到最小,探测到的恒星-背景对比度随主视场探测方位角变化呈对称分布,为星等修正奠定较好的基础。     

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。     

1.064μm波长卷云反射率的模拟研究

为了给激光测距、激光对大气的探测等实际工程应用提供理论依据,采用逐线积分方法计算大气分子吸收,结合离散纵标法,并耦合卷云的单次散射特性,对由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.064μm时的散射特性和辐射特性进行了理论分析,得到了该波长上激光在卷云中传输时的反射率随入射光源的位置、观测器的位置以及卷云参量(云光学厚度、粒子尺度等)的关系。结果表明,卷云在1.064μm附近对激光的主要影响是散射,吸收在消光中占了很小的部分;其次,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,散射的方向变化主要由卷云的散射相函数以及光线入射角度和观测角度决定。这一结果对实际工程应用(比如激光测距、激光对大气的探测等)是有帮助的。     

850μm波段天空温度的计算模型

近年来,电磁波谱中亚毫米波段的开发得到了国内外越来越多的重视.在研究亚毫米波段能量表征和大气辐射理论的基础上,提出一种用于850μm波段天空温度计算的模型.该模型综合考虑了大气中水蒸气、氧气,以及云(雾)、降雨等多种影响天空温度的因素.同时,利用模型仿真和计算了不同气象条件下的天空温度,并对天空温度和湿度或天顶角等影响因素之间的关系进行分析.最后,给出了该波段天空温度的变化规律.