针对不同光谱类型恒星的大气透过率仪定标测量研究

介绍了利用夜晚恒星辐射测量整层大气透过率的仪器及定标方法.基于已有的研究工作基础,利用Visual C++6.0开发和完善了整层大气透过率采集程序,使仪器具有自动采集数据功能.利用整层大气透过率测量仪对不同光谱类型的恒星分别进行了测量定标实验,对测量数据进行了分析和处理,得到了六大类光谱恒星在大气层上界的仪器测量值.基于夜晚整层大气透过率测量多目标定标原理,在完成各大光谱类型的恒星辐射定标测量后,就能进行仪器的实时大气透过率测量.     

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。     

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。     

利用太阳测量整层大气光谱透过率

简要介绍了利用太阳辐射测量整层大气光谱透过率的实验装置、测量原理和数据处理方法.为得到大气光学参数的实际变化规律,设计了由宽光谱范围的平场凹面光栅和高灵敏度的线阵CCD构成的硬件系统,利用太阳直接辐射测量其连续光谱,使用Langley拟合方法进行定标,通过运算得到了实际天气条件下的大气光谱透过率.将实测结果与现有其他设备的测量数据进行了对比,证明了测量结果的可靠性.     

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。     

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。     

边界层气溶胶类型对中红外光波传输的影响

主要利用MODTRAN5.0分析了2~5μm波段五种类型的边界层气溶胶对整层大气透过率的影响及背景对流层气溶胶对高空上行传输背景下透过率的影响。结果表明:对于2~5μm波段的整层大气,在2.0~2.5μm及3.5~4.0μm波段气溶胶对大气透过率的影响较大,且相同背景下大气能见度越低,气溶胶对大气透过率的影响越大,因此,计算整层大气透过率时不仅需要考虑气溶胶类型对透过率的贡献,同时需要考虑能见度对透过率的影响;对于高空上行传输背景下的大气,绝大多数波段内的透过率随着初始高度的增加而增加,且两种类型下的背景对流层气溶胶下的最大透过率相对不考虑气溶胶时分别降低了9.25%及8.97%,就其绝对偏差而言,计算高层大气透过率时可以不考虑背景对流层气溶胶类型的影响。因此对于地基测量系统需要考虑边界层气溶胶对其辐射的衰减,尤其是能见度较低的时候;对于机载光电系统气溶胶对其能量衰减小,尤其在10 km以上传输高度,且适当地提高初始传输高度可以减小大气对其衰减。     

一种利用恒星进行遥感卫星辐射定标的方法

恒星巡天测量与模型分析显示大量恒星在0.3~35μm波段内的绝对辐射精度达到3%,在可见光波段接近1%.恒星与恒星之间的相对辐射定标精度优于0.2%.部分恒星具有极好的辐射稳定性,可以作为长期稳定的辐射基准.但是恒星有效亮度通常比地面目标低几个量级,并且恒星一般不会直接出现在遥感卫星视场,不利于用作定标源.这里讨论的利用恒星进行辐射定标的方法是在遥感卫星上安装一个与遥感相机波段接近的微型定标相机,它的指向可以通过转动机构在恒星与地面目标之间转换.在观测恒星时通过延长积分时间来获取高信噪比信号,在观测地面目标时由于和遥感相机同时同视场观测有利于精确交叉定标.这个方法可以将作为标准源的恒星辐射直接传递到观测目标.目前分析显示最佳定标精度可以达到2%以内.     

我国典型地区大气透过率的计算分析

主要分析了我国典型地区(西北地区、沿海地区及大陆地区)在2~12 µm波段整层透过率与标准大气模式(1976年美国标准大气、中纬度夏季及中纬度冬季)的偏差,并比较分析了上述两种大气模式下的6种主要吸收分子透过率偏差。结果表明：使用标准大气模式计算我国典型地区的整层大气透过率存在一定的偏差,引起我国典型地区透过率与标准大气模式偏差较大的原因来自H2O分子。1976年美国标大气模式计算我国沿海及大陆地区整层大气透过率的最大绝对偏差达到0.40和0.22;中纬度夏季计算我国沿海及大陆地区7月份整层大气透过率的最大绝对偏差达到0.31和0.29;中纬度冬季计算我国西北、沿海地区1月份整层大气透过率的最大绝对偏差达到0.1和0.36。采用标准大气模式计算我国典型地区整层大气透过率存在一定的偏差,在计算时我国区域内的大气透过率必须考虑我国的大气模式。     

基于参考源的空间目标红外辐射特性测量

地基测量是获取空间目标红外辐射特性的主要手段。地基测量由于大气影响,测量结果含有严重误差。利用由大气光学参数测量设备和辐射传输软件构成的大气同步修正系统,可以减小大气影响引入的误差。然而,由于典型大气模式和测量参数精度限制,经大气修正后的测量误差仍高于20%。提出一种基于红外标准星的辐射测量方法,使用与目标具有相近观测仰角的红外标准星作为参考源,准确获取空间目标观测光路上的透过率,分析了水汽、臭氧和观测仰角对透过率精度的影响。进行了红外星测量实验,利用文中方法测量的目标辐射误差为4.65%,明显优于传统方法的14.57%。结果说明文中方法能作为一种获取空间目标红外辐射的有效途径。     

一种红外目标模拟器的大气传输校准方法研究

红外辐射在大气中传输会在大气分子、气溶胶粒子的吸收和散射以及大气自身辐射的影响下发生变化,导致红外辐射测量精度的降低。为消除大气在红外目标模拟器校准中的影响,在基于恒定标准源的宽动态红外辐射测量方法的基础上,提出了一种红外目标模拟器的大气传输校准方法。在水平均匀大气近距离的红外目标模拟器校准中,利用卷积神经网络的数据分析能力建立了不同波段、不同温度、不同距离下的大气透过率和大气程辐射的动态模型,将探测器输出电压作为基于编码器-解码器结构的卷积神经网络的输入,按照训练流程对网络进行训练,在实验环境下预测了大气传输对红外辐射的影响。所建模型能够反映大气透过率和大气程辐射的动态变化规律,并通过红外辐射反演对提出的方法进行了验证。实验结果表明：基于编码器-解码器结构的卷积神经网络算法能够较好地预测大气透过率和大气程辐射,在三个波段下的平均误差为3.078 3%、3.818 6%、5.345 2%,低于传统方法,降低了大气透过率和大气程辐射的影响,从而减小了红外辐射的测量误差,提高了校准精度。     

红外星表在地基红外辐射测量系统中的应用

国内已知的红外星库数量有限,辐射照度、覆盖波段范围小,分布密集度低,无法满足现有地基红外辐射测量系统天文标定的需要。根据系统的探测波段考察并选取IRAS、2MASS、WISE、AKARI 4个全空域巡天计划及其生成的红外星表。综合考虑大气弥散、大气衰减的影响,分析计算系统在短波红外1~3 m、中波红外3~5 m、长波红外8~10 m的极限探测能力及在对应点源星表中的最低可探测的星等。搜索选取可供系统观测的恒星,结果显示在短波选取4 599个恒星目标,中波选取125个恒星目标,长波选取1个恒星目标,为我国现有地基红外辐射测量系统天文标定及红外星表进一步应用提供理论依据。     

火箭尾焰的空间外差光谱探测可行性分析

为了跟踪和识别飞行的火箭,利用空间外差光谱仪对火箭尾焰辐射中钾光谱的766.490 nm和769.896 nm两条谱线进行研究。考虑大气分子吸收和大气散射对钾光谱在大气中传输的影响,采用逐线积分法、瑞利散射公式及散射系数与气象视程的关系分别计算763~773 nm波段内的氧气的吸收系数、大气分子及粒子散射系数,使用比尔-朗伯定律计算透过率。通过分析该波段内太阳辐射光谱和大气透过率可知,钾特征谱线处于太阳辐射强度弱、大气传输效率高的位置,从理论上验证了钾光谱探测的可行性。然后使用空间外差光谱仪对在火焰上燃烧的K2SO4进行探测,获得了与理论数据相符的实验数据,为火箭尾焰的空间外差光谱探测方法提供依据。     

基于低温辐射计的陷阱探测器红外绝对光功率响应度的定标

采用低温辐射计在1064nm波长对两个硅陷阱探测器（trap 0#和trap B）进行绝对光功率响应度定标。描述了定标方法、实验装置和数据的分析方法,提出了低温辐射计窗口的精确复位和窗口透过率的测量方案,测量得到的透过率达到0.999以上。结果表明,两个探测器绝对响应度定标的合成不确定度分别为1.457×10-4和1.458×10-4,定标结果的重复性分别达到了0.014％和0.008％。分析了测量时各项不确定度来源,对光功率响应度定标不确定度进行了评估。最后对0＃硅陷阱探测器在1064nm波长处光功率响应度的温度稳定性进行了测试研究。     

水平方向上的大气透过率和热辐射计算模型研究

大气透过率和大气热辐射是影响目标本征辐射特性测量精度的重要因素。传统的空间目标辐射特性测量方法就是利用大气观测设备配合MODTRAN等软件或者利用红外恒星计算大气热辐射。然而，水平方向上的空气对流和复杂的地面状况会导致模式计算大气热辐射不确度增大，而火箭、导弹等目标发射起始段的红外特性测量有助于实现目标识别。因此，研究水平大气透过率和热辐射对于目标红外辐射特性测量具有十分重要的意义。针对以上问题，首先借鉴垂直廓线理论建立了同层大气“水平温度廓线”模型。然后推导了水平方向上的大气透过率和热辐射计算公式，并对其进行了实验验证。最后将大气热辐射的MODTRAN软件计算结果和实验测量结果进行了比较。结果表明，基于传统软件的热辐射计算精度为8.65% ，而本文方法的计算精度为4.91%。该实验说明这种算法在水平方向上是正确的。通过公式推导和实验验证说明了本文方法的合理性，为目标辐射特性测量过程中的水平大气透过率和热辐射计算提供了一种新的思路。     

空间目标红外辐射测量系统标定技术

为实现对空间目标红外辐射进行定量测量,需要解决红外辐射测量系统的标定问题。针对常规标定方法对大口径红外辐射测量系统标定存在的不足,在对其测量原理分析的基础上,提出了一种内置黑体标定与天文恒星标定相结合的新方法。采用内置黑体作为标准辐射源对匹配镜组和探测器进行标定,采用恒星标准辐射源对大口径主光学系统透过率进行标定,并推导出了红外辐射测量系统整体的响应关系。试验验证表明,该方法与传统的全孔径标定方法相比,曲线斜率误差在4%以内,具有操作简单易行、标定系统的研制难度低、标定效率高等优点。     

临近空间星光掩星技术的初步应用

大气星光掩星技术可以探测获得行星大气多种痕量成分密度等信息,该技术基于大气光谱透过率来进行探测。根据星光掩星探测原理建立了掩星工作模型,初步分析了气体分子光谱吸收特征,获得了多种大气成分的透过率,利用大气透过率反演得到了大气成分密度,并与大气模式MSISE-00结果进行比较验证。进一步对光谱的信噪比和相对误差进行了估计,并讨论了恒星的不同视星等对探测信噪比和相对误差的影响,由此给出目标星视星等的范围。初步结果表明:利用视星等在-1.45~3.55范围内的目标星作为光源进行探测,信噪比在100以上,且测量的相对误差最小可达到1%。以上结果为地球临近空间高度上星光掩星探测的开展提供了初步的理论指导。