星光成像的大气影响研究(Ⅲ):大气折射

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三,选取最佳星光大气折射模型,研究了星光成像的大气折射影响。利用美国标准大气的参数廓线数据,计算了平面平行大气、整层球面大气以及多层球面大气情况下的折射特性,从计算精度、迭代次数以及算法速度三个方面对比和分析了不同折射计算模型的优缺点,选取了精度和速度最佳的折射计算模型。基于该模型和我国典型地区不同时段实测的大气参数廓线数据,计算了不同观测条件及波长下大气折射引起的折射角、色散、横向位移和路径延长的分布情况,评估了不同大气参数由于输入参数的不确定性对折射计算的影响。研究表明:使用Cassini模型或等折射光线追迹法计算得到的折射角最为准确。提升星敏感器的观测高度或减小星敏感器的观测天顶角,相比于改变观测波长而言能极大程度上减轻星光成像的大气折射影响。除此之外,当输入参数存在噪声和不确定性时,提高温度的测量精度比抑制其他参数的噪声更能有效地减小折射计算的误差。

星光成像的大气影响研究(Ⅰ):天空偏振

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一,研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据,计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性,结合大气矢量辐射传输模型,研究了天空背景在近红外波段的偏振特性,获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性,分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明:使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度,可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时,选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。

激光外差技术高分辨整层大气透过率测量及水汽浓度反演研究

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数,在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理,并着重介绍了利用激光外差光谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法,以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题组研制的4.5μm、3.53μm波段高分辨率激光外差光谱仪,光谱分辨率分别达到了0.006 cm-1、0.002 cm-1,以及利用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系统工程应用中的后续发展进行了展望。

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。

更新升级的通用大气辐射传输软件CART2(特约)

采用HITRAN2016数据库,研制了新的大气分子吸收系数数据库,应用于更新的第二版通用辐射大气传输软件CART2。增加了光谱分辨率为0.1 cm^-1的CART2P1程序模块。相对于CART1.0,大气分子吸收考虑了更多的分子弱谱线的吸收,扩展了计算波段。计算结果与LBLRTM和MODTRAN5对比表明,CART2能够精确地模拟大气分子的吸收;计算结果与地基实际测量的红外高分辨率太阳光谱吻合的非常好。具备0.1 cm^-1光谱分辨率的CART2计算的大气透过率和环境背景辐射可以分辨出分立的大气分子吸收谱线,能够在中高光谱分辨率的光学工程和有些激光工程的大气传输计算中得到应用。

大气参数模式及其在辐射大气传输计算中的应用

大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式,包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布,覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件(CART)中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。

整层大气透过率获取方法研究进展及相关问题探讨

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参量,在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、特别是光电工程等领域,都需要对大气透过率进行深入的研究。文中详细讨论了整层大气透过率的获取原理和方法,分析了不同获取方法的最新进展和存在的相关问题,对比分析了软件仿真计算和直接测量的优缺点,并对后续的研究工作进行了展望。

高能激光大气传输性能评估技术

激光在实际大气中的传输效果不仅与其自身传输机理有关,还与大气因素密切相关,因此,准确评估激光大气传输的效果,不仅需要开展激光传输机理的研究,建立激光大气传输数理模型,还需要对实际传输过程中的大气光学特性进行测量、分析和预测。鉴于实际大气环境的复杂性及多因素耦合的制约,激光大气传输的机理研究大都采用大气参数可控的物理实验平台和数值仿真软件平台进行研究,而大气光学特性的研究则在大量实地测量分析的基础上,重点发展基于物理相关性分析和数学模型构建的光学湍流模式化表征研究。简要介绍了国内外高能激光大气传输性能评估技术的发展情况,面向高能激光系统未来的实际应用,指出了其发展趋势。

实验室湍流模拟装置在大气光学中的应用

大气湍流的光学特性在大气科学和光电工程应用研究中有重要影响。鉴于实际大气条件的复杂多变和实验条件的限制,在实验室内建立可控的、有限尺度的人工湍流模拟装置作为大气湍流的替代者,已成为相关研究的重要技术途径,在自适应光学技术中的相位模拟、自由空间光通信等光电工程设计中发挥了重要作用。目前,对海洋湍流中的光传播与成像、新兴光电工程的大气影响、特殊结构光束的大气传播的研究也借助于湍流模拟装置。为了充分发挥实验室湍流模拟装置的优势,本文深入分析了实验室人工湍流模拟装置的性能及其局限性。实验室内产生的人工湍流无疑可以用于探索一种随机介质对光传播影响的定性甚至半定量规律。但必须注意到:有限空间内产生的湍流只有在远离边界的较小空间内才具备均匀各向同性的特性,采用各向同性湍流统计理论分析湍流模拟装置中的全路径光传播效应是不严谨的。如果以此类装置研究光传播的定量规律,必须首先根据光电应用场景设计具有光学相似性的模拟装置,然后清楚了解湍流装置内的湍流特性的空间结构,并据此开展理论分析。

3.93μm激光外差光谱系统光学结构设计与N_(2)O测量

激光外差光谱(LHS)系统具有光谱分辨率高、探测灵敏度高和体积小等特点,在高分辨率太阳光谱和整层大气透过率测量等应用中受到关注。以3.93μm分布反馈式带间级联激光器(DFB-ICL)作为本振光源搭建了激光外差光谱测量系统,以太阳光作为信号光,利用Zemax光学仿真软件对太阳光与激光的耦合进行设计和仿真。基于开普勒望远镜原理设计了太阳光整形结构。光斑整形后有效提高了外差耦合效率,将系统信噪比提高至162.1,比无整形条件下获得的信噪比提高了一倍。利用搭建的激光外差系统实测了合肥地区整层大气N_(2)O吸收光谱,采用最优估算法反演了N_(2)O的柱浓度,均值为0.311×10^(-6),反演结果与EM27/SUN的实测结果进行比较,两种方式获得的N_(2)O柱浓度相关性为0.856。测量结果表明,激光外差光谱测量系统的光学结构经设计和优化后,光学耦合效率和系统信噪比均得到有效提升,基于实测太阳光谱反演获得的N_(2)O柱浓度也与商用仪器观测结果具有较好的一致性。

大气闪烁对相干态量子干涉雷达探测性能的影响

以马赫-曾德尔干涉仪为模型,分析了基于相干态光源的量子干涉雷达的探测原理,系统研究了由大气闪烁引起的光强起伏和大气损耗对量子干涉雷达性能的影响。将湍流大气视作耗散-涨落通道,结合经典湍流统计推导得到了湍流大气的透过率系数概率分布(PDTC)函数P(T)。利用P(T)分析了量子干涉雷达的灵敏度、分辨率,深入讨论了大气平均透过率T-A、闪烁指数β2D对其探测性能的影响。结果显示:高损耗环境中大气闪烁引起的透过率起伏能显著提高相干态量子干涉雷达的灵敏度。

Science and technology of atmospheric effects on optical engineering：Progress in 3rd quinquennium of 21st century

Brief introduction with remarks is given for recent work in optical properties of turbulent and turbid atmospheres and their effects on optical engineering. Emphasis about turbulence investigation is paid on spatial structure characteristics of optical turbulence,turbulence profiling with lidar technology, and turbulence prediction based on mesoscale atmospheric model. Discussion of turbid atmosphere study is focused on light scattering by non-spherical aerosol particles, high resolution atmospheric transmittance from solar radiation measurement, total sky imaging with high spectral resolution, and the modulation transfer function of a turbid medium. Key points about light propagation through turbulence include non-Kolmogorov turbulence effects, probability distribution models of scintillation, and combined beam propagation. Atmospheric effects on quantum communication are discussed, and statistical characteristics of atmospheric effects on optical engineering are introduced.