现代大气光学及其在光电工程应用中的问题分析与展望(特邀)

讨论分析了现代大气光学研究及其在光电工程应用中几个方面的常见问题,给出了下列主要观点:(1)大气对光电工程应用的影响不容忽视;(2)光电工程设计需要考虑大气光学特性;(3)大气对光电工程的影响需要用概率来说明;(4)不能根据天气状况直接来判断大气对光电系统影响的程度;(5)作为统计平均量的大气光学参数不是唯一确定的;(6)用一个参数Cn2不能可靠地描述大气湍流的光学特性;(7)有必要进一步提高光电仪器大气探测结果的可靠性;(8)大气湍流对光电系统性能的影响难以完全被消除;(9)不需要投入很大精力去研究一些理想的问题。根据现状,提出了一些值得深入研究的大气光学问题。

近地面大气光学湍流强度估算方法研究进展

本文介绍了近地面大气光学湍流强度估算方法的最新研究进展。采用Bulk法、人工神经网络法、以及极地数值天气预报模式Polar WRF法,对南极泰山站近地面层光学湍流强度(Cn^2)进行估算。三种方法估算的lg(Cn^2)与实测的lg(Cn^2)比对,其均方根误差RMSE分别为0.41、0.29、0.40;相关系数Rxy分别为0.61、0.90、0.67。

大气对光学成像的影响及校正技术

目标高分辨光学成像在众多光电工程领域中具有重要的应用价值。然而,在很多目标观测场景中,光波都要经大气进行传输,从而导致成像质量的退化,克服复杂大气干扰获取高质量图像一直以来都备受各国学者的关注。特别是近年来随着激光技术的进步,由于激光雷达在距离分辨、三维成像等方面的优势,主动成像技术也取得了很大发展,其中大气的影响和校正同样是一项不容忽视的问题。大气对成像的影响主要包括两个方面:大气湍流和大气悬浮粒子。针对这两方面对成像的影响进行分析,同时对国内外学者发展的消除大气影响、进行高质量成像的主要技术进行了简要介绍,并结合本课题组在相关领域的长期研究,对几个值得关注的方面进行了总结和展望。

基于小波多尺度分析大气边界层高度提取方法研究

大气边界层物理演变特征及复杂边界层结构对大气污染过程的影响机制研究中,迫切需要边界层精细化结构的探测手段。通常使用梯度法和小波协方差变换法的方式进行边界层高度提取,但由于该方式容易受到噪声和气溶胶层结构的影响,实验误差较大。提出使用小波多尺度分析方法细化边界层特征结构,从而筛选出有效的细节信息,提高对探索边界层高度的准确性。此外,基于GBQ L-01激光雷达设备实测合肥地区全天气溶胶分布情况,使用小波多尺度分析方法分析对应的平行分量距离平方矫正信号、垂直分量距离平方矫正信号和退偏振比全天分布情况。实验结果表明,该方法准确性高,与梯度法、小波协方差法相比具有更高的稳定性与连续性。对特殊时间点进行数据分析,明确主要影响边界层高度的主要因素,并确定各个时间段的大气边界层高度值。

Thorpe尺度估算库尔勒、茂名、拉萨大气光学湍流廓线

在新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区释放的探空气球,实现了温度、气压、风速等常规气象参数以及大气折射率结构常数的廓线测量。基于Tatarski湍流参数化方案以及以上地区探空数据,利用Thorpe尺度估算了新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区的高空大气光学湍流廓线,并将这三个地区实测的廓线与其对应的估算结果做了对比,结果表明:估算值与实测值在量级和变化趋势上表现出较好的一致性,相关性分别为69%,60%,68%;Thorpe尺度相较于其他估算湍流廓线的参数化方法输入参数少、更简便。

红外成像激光雷达测量大气能见度实验研究

鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求,提出了一种大气红外能见度的计算与测量方法,并研制了一套大气红外能见度测量仪器,该仪器以1064 nm波长激光作为光源,以Xenics红外相机为探测器测量红外能见度。暗场处理时利用传统的背景扣除方法和移位相减法进行对比实验,能见度反演过程中用斜率法和Klett积分法同时对测量结果进行处理,结果表明该系统测量出的红外能见度与Belfort能见度仪测量结果基本一致,相关系数达80%以上,表明红外能见度的计算和测量结果是可靠的。

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角,介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展,总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍,该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。

大气光学湍流模式研究:C_(n)^(2)廓线模式

由于大气湍流的存在,当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象,严重制约光电系统的性能,是造成天文观测困难的主要原因.大气折射率结构常数C_(n)^(2)廓线是评估大气湍流效应的重要参数.本文归纳了几种有代表性的C_n~2廓线模式,提出了修正的CLEAR I夜晚模式;分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据,给出了5个实验点算术平均拟合的C_(n)^(2)廓线公式;计算了各模式和测量数据在波长为0.5μm时的大气相干长度r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0、相干时间τ0、等效高度h和等效风速V等大气光学参数以及各大气层C_(n)^(2)递减率和不同大气层湍流贡献百分比.重点对H-V(5/7)模式的存疑、C_(n)^(2)廓线模式采用的平均方法、低平流层C_(n)^(2)是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.

中国部分地区的春季气溶胶光学特性

为了研究不同地区的气溶胶光学特性,了解地区间气溶胶成分和来源的差异,建立了典型地区的气溶胶光学模式。基于POM02太阳辐射计测量的太阳直射辐射和散射辐射值,利用SKYRAD算法获得了青海德令哈、安徽合肥、广东茂名3个地区的春季气溶胶光学特性参数,包括谱分布、折射指数和单次散射反照率等。然后基于这些参数对气溶胶来源和分布特征进行分析,最后分析了浮尘天气对气溶胶光学参数的影响。结果表明德令哈地区大气清洁度较高,24%的光学厚度分布在0.2以下,气溶胶来源单一,以大粒子为主导;合肥地区有39%的波长指数分布在0.8~1.0之间,折射率实部随波长变化不明显,气溶胶来源复杂,以小粒子为主导;茂名地区54%的光学厚度集中在0.5左右,分布区间稳定;沙尘天气中,大粒子的增加是气溶胶光学厚度增大的主要原因。

湍流大气折返路径成像光斑与光强起伏实验研究

利用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD相机构建的折返路径激光成像探测系统,进行了湍流大气中1km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,同时使用激光闪烁仪实时监测湍流强度变化.首先对获得的激光回波光斑图像的强度分布进行了直观分析,比较了在不同湍流强度下折返路径激光光斑形态的差异,接着统计计算了不同湍流强度下,光斑光强概率密度分布与光斑图像位置和区域面积大小的关系.结果表明:折返路径下的激光传输光强起伏概率密度函数在光斑上的各处基本都符合对数正态分布,但在质心附近的区域符合程度更高,且符合程度与接收面积大小呈负相关。同时湍流强度对回波光斑平面上不同位置之间、不同接收区域大小之间符合正态分布程度的差异有一定影响。

大气光学湍流模式研究——方法和进展

分层是大气湍流特别是高空湍流显著特征.在某一固定高度真实光学湍流C_(n)^(2)值在平均值上有1—2个量级甚至更大的起伏.以观测数据建立的湍流廓线模式,是一个统计平均的结果.既不能代表某次实际大气湍流廓线的分层特征,也没有预报功能,不能完全满足光学工程需求.受限于计算机的容量和速度,无法通过DNS (direct numerical simulation)以及LES (large eddy simulation)求解Navier-Stokes方程来预报光学湍流,解决方案是通过中尺度天气数值预报模式MM5/WRF,预报出常规气象参数,再由湍流参数化方案计算出C_(n)^(2).本文介绍了近地面层、边界层和自由大气层C_(n)^(2)预报方法和研究成果,从湍流动能预报方程和温度脉动方差预报方程详细推导出Tatarski公式,归纳出该公式所隐含的物理意义和适用条件.重点介绍了神经网络预报C_(n)^(2)和C_(n)^(2)估算和预报方法在南极天文选址的最新研究进展.分析了以实验数据拟合的经验模式、建立在Kolmogorov湍流理论基础之上含有常规气象参数的参数模式、与中尺度气象模式有关的预报模式、基于数据驱动的神经网络方法等不同模式的特点和差异.强调Kolmogorov湍流理论是现有大气光学湍流参数模式的理论基础.

大气光学湍流廓线估算方法研究进展

本文介绍了运用Thorpe尺度、Ellison尺度、神经网络等在Cn^2廓线估算和预报方法方面的最新研究进展。给出了Thorpe尺度估算南极点冬季和夏季Cn^2廓线、Ellison尺度估算西藏拉萨Cn^2廓线以及与探空实测值的比较,介绍了SA-BP神经网络算法流程图和结构图。最后对几种方法进行了讨论。

高斯光束湍流大气传输远场扩展半径快速计算方法研究

高斯光束湍流大气传输的远场有效半径是工程中较为关注的远场光斑特征,文中研究其快速计算方法。基于多场景下高斯光束湍流大气传输波动光学仿真数据,建立了定标规律模型和3种人工智能模型LightGBM(Light Gradient Boosting Machine)、MLP(Multilayer Perceptron)、MFTT(Modified Feature Tokenizer Transformer),比较了不同模型的精度、泛化能力、样本量的影响和计算速度。结果表明:4种模型的精度受训练集样本量的影响,小样本量下定标规律模型精度最高,大样本量下MFTT模型精度最高;数据分为70%的训练集和30%的测试集时,MFTT在测试集上的平均相对偏差为1.36%;MFTT泛化能力最强,定标规律模型计算速度最快。希望为激光大气传输评估快速计算方法的选择和应用提供参考。

卷云对新型光度计测量大气光学厚度的影响

基于自行研制的一种自动快速变视场太阳光度计(VFOVSP),实现了不同视场内太阳辐射的快速测量,为地基区分气溶胶粒子与云粒子提供了一个新的技术手段。新型光度计采用基于CCD图像传感器的太阳跟踪技术,并采用程控可变视场光阑,实现了在较短的时间间隔内对不同视场值的快速测量。通过在不同的天气条件下,对仪器不同视场测量数据分析初步表明:通过比较不同视场测量的大气光学厚度的变化,可提供一种薄卷云与气溶胶的区分技术。该方法可以较快地识别出当前大气环境中是否有卷云存在,为研究卷云特性提供了基础。

深度湍流条件下激光往返传输漂移特性的实验探究

为探究深度湍流条件下激光往返传输的漂移特性,基于修正的Rytov理论,推导了深度湍流条件下光束漂移角方差表达式。搭建了折返路径激光成像探测系统,实验获取了1 km和7 km传输路径上不同时段激光光斑的回波图像和大气相干长度。利用回波图像计算了漂移角均方差及其各向异性因子并与理论对比。结果表明:漂移角均方差和大气相干长度随时间变化具有明显周期性,两者变化同步,但趋势相反。1 km传输路径上,漂移角均方差在2~24μrad之间波动。而7 km传输路径上漂移角均方差在4~26μrad之间波动。通过对比Kolmogorov理论、Von Karman理论、Exponential理论和修正的Rytov理论模型下漂移角均方差与实测值的相对偏差发现:基于Von Karman理论的模型与1 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为18.20%,基于修正Rytov折射率功率谱理论的模型与7 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为21.09%。在1 km和7 km传输路径上,漂移特性均随着大气相干长度的减小而趋于各向同性。相关实验结果进一步揭示了深度湍流下往返路径传输激光漂移的机理,对于长距离空间光通信维持稳定通信链路具有一定参考价值。

大气臭氧探测激光雷达研制及其案例分析

该文研制一款基于差分吸收原理的臭氧激光雷达,由激光发射系统、光学接收系统、数据采集与处理系统组成,响应灵敏,分辨率高,能够实时获得对流层3 km高度臭氧浓度和消光系数的垂直分布特征,在大气环境监测以及环境保护决策支持等方面具有重要价值。结果显示,臭氧浓度在2 km以下存在明显的垂直分布和日变化特征,其中午间浓度高值分布高度在0.5 km以下和1.4~1.8 km之间,夜间存在臭氧残留分布高度在0.4~1.1 km。低空臭氧浓度日变化趋势与地面站点一致,夜间臭氧消耗程度弱存在残留。

大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统

介绍在大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统,主要用于对大气边界层结构、对流层气溶胶和云光学特征及其形态进行自动连续观测。该系统在整体结构方面,运用成熟的米散射、偏振和拉曼激光雷达技术,采用一体化设计,结构紧凑,便于运输,外场试验无需安装和调试;在系统控制方面,采用一键式启动,操作简单,同时具备手动和自动两种工作模式,并具有网络控制和数据传输功能;在数据处理方面,采用自动和人工两套处理软件,前者可根据系统设置自动处理和实时显示测量结果,后者则根据用户设定参数对原始测量数据进行数据反演和显示。该系统真正实现了激光雷达的产品化应用要求,可广泛运用于大气环境监测和大气科学等研究领域。

高能激光大气传输评估的不确定性研究

高能激光在实际大气中的传输是一个涉及到光传播机理、大气光学特性以及激光与大气相互作用的复杂过程,评估高能激光大气传输性能,不仅需要开展激光传输机理研究,建立高能激光大气传输数理模型,还需要对实际传输路径中的大气光学特性进行测量和分析。针对高能激光系统工程应用的迫切需求,简要介绍了高能激光大气传输性能评估研究的方法和发展现状,重点讨论了影响高能激光大气传输评估准确性的大气参数测量不确定性问题,指出了高能激光大气传输评估应重点关注的研究方法、测量的大气参数及评估技术发展的趋势。

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。

0.4～14μm中国海域海表反照率时空分布特性

复杂海洋环境是空间光电探测的典型应用场景,可见至长波红外波段海表反照率参数是海洋大气传输与背景辐射特性研究的重要内容。鉴于目前中国海域海表反照率数据缺乏的现状,在多源卫星长时间观测海洋环境特性参数数据的统计分析基础上,通过考虑海水叶绿素含量、气溶胶光学厚度、海表面风速和太阳入射角度等参数的复合影响,建立了海表反照率的快速参数化应用模式,获得了中国南海、东海、黄海和渤海等典型海域0.4～14μm海表反照率谱线,掌握了海表反照率的时空分布特征,为海空光电工程应用提供基础数据支撑。