星光成像的大气影响研究(Ⅱ):大气湍流

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。

污染气体SO_2和NO_2紫外和可见光谱吸收截面测量

本文用我们自己研制的光谱测量系统测量了常温下的ＳＯ２在２５０～３３０ｎｍ波段和ＮＯ２在 ２８０～６００ｎｍ波段的吸收截面，波长分辨率优于０．１ｎｍ．该测量结果可适用于传统低光谱分辨率仪器遥感大 气污染气体含量，也可为激光差分吸收测量或激光雷达测量污染气体含量提供参考．

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。

白天CCD观星可探测极限星等值分析

介绍了白天天空背景下,在大气层内用CCD探测恒星可探测极限星等值的计算方法。根据恒星和白天大气背景辐射的对比度,计算和分析了3°×3°视场下,可探测星等极限值随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化情况。结果表明:可探测星等极限值随观测高度和太阳天顶角的增加接近线性增加;对K和M类恒星,长波波段可探测星等极限值高。在25 km高度、3°×3°视场、太阳视线20°以外,可探测星等极限值可达到6.3等。

红外辐射在雨中的衰减

利用红外光谱辐射计在大气窗口区对连续性降水的红外辐射衰减进行了测量，结果表明雨对光的衰减与降雨强度密切相关，根据测量结果得到了红外辐射在雨中衰减的定量关系式，并利用Ｍａｒｓｈａｌ－Ｐａｌｍｅｒ雨滴尺度谱分布，计算了红外辐射在雨中的衰减，考虑雨的前向散射修正后，计算结果与测量结果符合得较好．

通用大气辐射传输软件(CART)及其应用

大气光谱透过率和背景辐射的计算在诸如大气遥感、光电工程等领域有重要应用。根据所提出的中分辨率大气分子吸收快速计算方法、大气气溶胶衰减计算方法、大气多次散射快速算法,研制了一套通用大气辐射传输计算软件(CART),该软件可根据大气参数快速计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和大气背景辐射,光谱分辨率1 cm-1,覆盖可见光到远红外波段。介绍了该软件的计算模型、主要功能和计算实例、部分实际验证结果以及应用领域。CART在目标辐射特性测量的大气修正、光电设备的设计和性能评估将有广泛的应用。

用GMS-5气象卫星遥测地面太阳总辐射

由GMS 5静止气象卫星测量的可见光通道的行星反照率 ,根据地球 大气系统的物理模式反演得到了地面的太阳辐射。该模式以平均气候模式和晴天的气溶胶光学厚度计算晴天的大气吸收、分子和气溶胶散射 ,其它情况下的散射由行星反照率和晴天的地表反照率推算而得。模式中考虑了水汽和气溶胶的变化对地表太阳辐射的影响。卫星反演的地表太阳辐射与地面观测结果的相关系数高达 95 %以上 ,日平均方差约为1 0 %。

红外辐射测量的大气修正

大气中目标辐射特性的测量必然受到大气的影响,为了得到目标本征的辐射特性,必须对大气进行修正.介绍了红外目标辐射测量中的大气透过率修正原理和必要性,给出了几种获得外场大气透过率的方法,并对其大气修正精度进行了讨论.

1.315μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器 ( OPO)作光源 ,使用光程长达 1 0 97m的怀特池 ,采用单探测器分时复用的探测方法 ,首次在吸收池中精确测量了实际大气中 1 .31 5 μm波长附近高分辨率吸收光谱 ,实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体 ;得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长 ( 76 0 3.1 4 cm-1)处的吸收截面为 ( 1 .0 5± 0 .0 9)× 1 0 -2 4 cm2 (标准大气条件下 )以及在该波段主要吸收谱线的参数 ,包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面 ,发现吸收最小的波长分别位于 76 0 3.31和 76 0 3.93cm-1,其值约为( 8.9± 0 .8)× 1 0 -2 5cm2 ,比氧碘激光波长处的吸收截面约小 1 5 %

通用大气辐射传输软件CART介绍

初步研制了一套基于我国大气模式的、光谱分辨率为1cm^(-1)、计算速度较快的通用大气辐射传输(CART)软件.对该软件的研制背景、主要功能和部分计算结果、应用领域等作了简单介绍.

用太阳光谱遥测大气污染气体NO_2的含量

利用地面可见光 (4 30— 45 0nm)波段的太阳光谱和大气上界的参考太阳光谱 ,反演出大气中NO2 的柱总含量 ,得到了该地区上空NO2 含量及其变化 ,其变化与当地环境监测站用常规法测量的NO2 浓度的变化基本一致。该文介绍了测量仪器。

辐射特性测量大气传输修正研究:大气辐射传输模式和关键大气参数分析

工作于大气中的光电测量(或遥感)设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析,论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。

整层大气甲烷总量季节变化的遥测

利用自行研制的一台用于探测大气成分的太阳红外光谱仪 ,在地面连续自动地记录了晴天的太阳红外光谱。用逐线积分法计算了整层大气的吸收 ,发现在 3.42 8μm波段主要是大气甲烷的吸收 ,从记录的该波段的太阳红外光谱中反演出整层大气中甲烷的总含量 ,经过近一年半的观测 ,得到了合肥地区大气甲烷垂直柱含量的季节变化规律。发现其变化规律与北半球背景对流层空气采样分析法测量的甲烷季节变化规律基本相同。文中详细介绍了测量仪器、测量原理和部分测量结果 ,并对结果进行了简单的讨论。

用于被动测距的氧气A带大气吸收仿真计算

氧气A带被动测距的关键是氧气吸收的准确计算.采用通用辐射大气传输计算软件(CART)模拟计算了不同光谱分辨率的氧气A带的吸收.结果表明:氧气A带的峰值吸收随路径单调增加到一饱和值,光谱分辨率越低,达到饱和的距离越远;光谱分辨率越高达到饱和的距离越近.对于斜程地对空测距,天顶角越小饱和距离越近,天顶角越大饱和距离越远.氧气A带被动测距更适合于空对地目标的测距.在氧气A带被动测距的实际应用中需考虑光谱分辨率和天顶角的影响.

大气气柱内水汽总含量的红外光谱遥测

我们研制了一台太阳红外光谱仪，在地面连续自动地记录了晴天的太阳红外光谱．利用３．４３４μｍ（２９１ｃｍ～（－１））波段附近水汽对太阳光谱的吸收反演出整层大气中水汽的总含量． 遥测结果与无线电探空相当吻合．经过近一年半的观测，得到了合肥地区垂直气柱中可降水含量的日变化和季节变化规律，并发现气柱中可降水含量与地面露点温度有较好的相关，并对结果进行了讨论．

辐射特性测量大气传输修正研究:大气传输修正系统

大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了研制的目标辐射特性测量大气传输修正系统和中分辨率通用辐射大气传输计算软件(CART),展示了大气传输修正结果和外场实际水平距离测量结果的部分对比,定量评估了目标探测常用的中波和长波红外波段大气传输修正精度。

垂直气柱中大气微量成分总含量的反演

提出了一种利用地面中等光谱分辨率的太阳红外光谱反演整层大气中某几种微量成分总含量的方法，用逐线积分（ Ｌ Ｂ Ｌ） 法计算整层大气分子吸收，采用差分吸收法测量太阳红外光谱得到实际大气中微量成分的吸收，用最大似然法反演出微量成分的总量。详细分析了这种方法的可行性和反演精度，数值模拟分析和实际测量表明该方法有较高的精度，已把该方法用于监测实际大气中甲烷和水汽总含量的变化。

用GMS-5气象卫星遥测地面太阳总辐射

由GMS-5静止气象卫星测量的可见光通道的行星反照率,根据地球—大气系统的物理模式反演得到了地面的太阳辐射。该模式以平均气候模式和晴天的气溶胶光学厚度计算晴天的大气吸收、分子和气溶胶散射,其它情况下的散射由行星反照率和晴天的地表反照率推算而得。模式中考虑了水汽和气溶胶的变化对地表太阳辐射的影响。卫星反演的地表太阳辐射与地面观测结果的相关系数高达95%以上,日平均方差约为10%。从比较的结果来看,卫星反演的每时次地面太阳辐射的精度较已有的结果有所提高。

红外辐射在雨中的衰减

利用红外光谱辐射计在大气窗口对连续性降水的红外辐射衰减作了测量，结果表明雨对光的衰减与降雨强度密切相关，根据测量结果得到了红外辐射在雨中衰减的定量关系式。并利用Ｍａｒｓｈａｌ－Ｐａｌｍｅｒ雨滴尺度谱分布，计算了红外辐射在雨中的衰减，考虑雨的前向散射修正后。

实际大气中水汽3.2μm带的吸收

根据实际大气中测量的3．2μm带水汽的吸收和实际测量的光程中的水汽含量，拟会出水汽3．2μm带的光学厚度随着众汽含量和温度变化的关系式，并与LOWTRAN7的水汽经验计算模式进行了比较，两者符合得较好．