大氣透過率實(shí)時(shí)測量技術(shù)

整層大氣透過率實(shí)時(shí)測量技術(shù)探討詹杰郭瑞鵬魏合理黃宏華徐青山饒瑞中（安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所合肥230031）摘要:本文詳細(xì)敘述了利用Bear-Langley-Bouguer定律測量整層大氣透過率的原理。從硬件實(shí)現(xiàn)方法上分別介紹了晴朗天氣下白天利用太陽直接輻射測量太陽的連續(xù)譜和晚上利用ICCD測量恒星分波段輻射值,通過定標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算整層大氣透過率。文中概述了從可見到近紅外波段白天透過率測量的硬件實(shí)現(xiàn);晚上可根據(jù)待測天區(qū)的需要,任意選擇該天區(qū)內(nèi)的0等到6等恒星，實(shí)時(shí)測量該天區(qū)方向的大氣透過率。測量結(jié)果和相關(guān)儀器設(shè)備測量結(jié)果對(duì)比，證明該大氣透過率的測量技術(shù)是可行的。關(guān)鍵詞:大氣透過率，增強(qiáng)CCD(ICCD)，輻射，定標(biāo)，整層大氣。引言在地基測量空間目標(biāo)的光學(xué)特性研究中，由于受到大氣的影響，在同樣照明條件下，大氣的傳輸特性不同，導(dǎo)致測量得到的目標(biāo)光學(xué)特性有不同的表觀結(jié)果。大氣傳輸?shù)挠绊懯强臻g目標(biāo)光學(xué)特性定量測量所必須扣除的因素。大氣光譜透過率是反映大氣輻射傳輸性質(zhì)的重要參數(shù)，在大氣輻射、地球資源遙感、空氣質(zhì)量監(jiān)測等問題的研究中具有重要意義[1,2]。大氣是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在不同的地區(qū)、環(huán)境、季節(jié)、時(shí)間等條件下，其差別是非常巨大的，大氣的變化導(dǎo)致光在大氣中的傳輸有顯著不同。美國于上個(gè)世紀(jì)70年代開發(fā)了低分辨率大氣透過率計(jì)算軟件LOWTRAN，以及九十年代的升級(jí)版本MODTRAN，這些程序根據(jù)不同地理緯度和季節(jié)建立了不同的大氣模型，考慮了各種影響大氣的不同因素，是目前最完整的一種計(jì)算大氣透過率和背景輻射的軟件。然而我國幅員遼闊，不同地區(qū)的地理?xiàng)l件差異非常明顯，大氣條件同樣千差萬別，僅僅依靠統(tǒng)計(jì)的、平均的理論模式難以對(duì)千變?nèi)f化的大氣現(xiàn)象進(jìn)行精確的定量描述，因此實(shí)時(shí)測量顯得尤為重要。大氣透過率實(shí)時(shí)測量可以實(shí)時(shí)測量出具體地基、具體時(shí)域、具體天區(qū)內(nèi)的大氣透過率，由此可以建立可靠的整層大氣透過率測量系統(tǒng)，并掌握大氣傳輸特性測量分析的關(guān)鍵技術(shù)和方法?？蓪?duì)其它地基測量的光度數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣傳輸修正，保證觀測數(shù)據(jù)的唯一性和可靠性；通過對(duì)利用大氣透過率譜和光學(xué)傳感器的響應(yīng)特性分析，為選擇優(yōu)化探測光譜波段、提高光學(xué)傳感器的探測性能提供設(shè)計(jì)參考。大氣透過率是一個(gè)多因子函數(shù)，它與探測路徑長度、視角、輻射波長、氣壓、氣溫和大氣成分等有關(guān)。大氣透過率衰減由大氣分子和懸浮在大氣中的氣溶膠顆粒的吸收和散射造成的。大氣的吸收衰減主要是由于大氣中水汽H2O、CO2和O3的強(qiáng)烈輻射吸收造成[3]。大氣的散射衰減主要是由于大氣分子和大氣中懸浮的氣溶膠粒子如霧和雨滴對(duì)光波的散射造成的，在可見光波段（0.38μm-0.77μm）是一個(gè)大氣窗口，大氣吸收在該窗口很少，輻射在該波段的衰減主要是由于大氣分子和氣溶膠粒子散射造成，因此，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量和監(jiān)測可見光波段的大氣中傳輸衰減，對(duì)研究大氣的光學(xué)特性、測量氣溶膠濃度以及輻射測量的大氣修正是十分必要的。測量數(shù)據(jù)可在遙感技術(shù)、氣象等關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的其它領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。大氣透過率的測量方式通常是通過太陽輻射計(jì)對(duì)太陽直射光譜進(jìn)行測量[4,5]，本文的研究內(nèi)容是在可見光到近紅外波段在同一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)白天和晚上透過率的測量，白天利用光柵和線陣CCD測量太陽的連續(xù)輻射，晚上利用望遠(yuǎn)鏡從選定星表中記錄的恒星光譜和增強(qiáng)CCD（ICCD）非常直觀地分波段測量恒星的弱輻射，利用長法計(jì)算大氣透過率。2．大氣透過率測量的定標(biāo)方法在可見光和近紅外波段，經(jīng)過整層大氣到達(dá)地表的太陽光或星光（以下簡稱目標(biāo)）光譜強(qiáng)度可以表示為： (1)其中，為該目標(biāo)的大氣外界的星光光譜強(qiáng)度，（假定目標(biāo)的大氣外光譜已知），為總的垂直方向大氣消光光學(xué)厚度（大氣衰減），為大氣質(zhì)量，為天頂角，。大氣衰減包括大氣分子消光和氣溶膠消光。儀器接收星光強(qiáng)度，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，其電壓輸出為： (2)定標(biāo)的目的：1）,得到儀器的響應(yīng)常數(shù)；：(3)其中，已知，:定標(biāo)擬合直線在Y軸的截距值B,,知道、就可以計(jì)算出。不同的對(duì)應(yīng)不同的。2）,對(duì)晚上恒星測量，由每顆星的天外譜得到該顆星的無大氣衰減的儀器輸出信號(hào)： (4)這樣，晚上由任何時(shí)刻測量的星光強(qiáng)度就可以得到穿過整層的垂直透過率或?qū)?yīng)恒星方向的斜程大氣透過率：垂直透過率： (5)目標(biāo)方向的斜程大氣透過率： (6)3．據(jù)恒星測量結(jié)果推算其附近空間目標(biāo)處的整層大氣透過率：對(duì)天體目標(biāo)的輻射測量進(jìn)行線性擬合，為太陽或恒星的天頂角，為整層垂直大氣光學(xué)厚度，則天頂角為的被測空間目標(biāo)對(duì)應(yīng)的斜程大氣光學(xué)厚度為，相應(yīng)地斜程大氣透過率為。研制該儀器的目的是為了計(jì)算地面沿衛(wèi)星方向的大氣透過率，為了計(jì)算，采取的方法如下。天頂方向的大氣透過率為，光學(xué)厚度為，測量目標(biāo)（太陽、恒星）的大氣透過率為光學(xué)厚度待測目標(biāo)的大氣透過率為,光學(xué)厚度則：，∴=白天測量設(shè)計(jì)自動(dòng)跟蹤太陽系統(tǒng)，設(shè)計(jì)光學(xué)鏡筒和后接光學(xué)系統(tǒng)、截止濾光片、光柵、線陣CCD及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理；光柵前放置截止濾光片以消除光柵在寬光譜范圍內(nèi)的一級(jí)和二級(jí)（或多級(jí)）光譜重疊現(xiàn)象。采用寬光譜范圍的平場凹面光柵（光路圖如圖1所示）。CCD采用寬響應(yīng)范圍，高靈敏度的線陣CCD。光柵采用平場凹面光柵，其優(yōu)點(diǎn)是成像光場平場，減小CCD測量的誤差，且相當(dāng)于平面光柵和會(huì)聚透鏡的作用。選用法國JY公司的平場凹面光柵，波長范圍300nm－1170nm,根據(jù)光柵參數(shù)可計(jì)算[6]：線色散：DL=28μm/nm(f=210mm);譜線的半角寬度：=2.9nm;LA入射狹縫N光柵LB1LA入射狹縫N光柵LB1LB2λ1線陣CCDλ2H圖1，太陽連續(xù)光譜測量光路圖線陣CCD采用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的專門用于光譜測量的R1210LGQ,像元2.5mmХ25μm峰值相應(yīng)在650nm處，光譜范圍300nm－1000nm,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到70000。儀器定標(biāo)后測量出以下光譜輻射值如圖2所示，通過計(jì)算對(duì)應(yīng)的透過率如圖3所示。在可見到近紅外波段，主要吸收氣體是氧氣和水汽。水汽主要集中在對(duì)流層下部，其含量與氣溫及天氣形勢有密切關(guān)系。在0.83μm和0.94μm附近的吸收峰主要是由水汽造成的；而均勻混合氣體在可見光波段的吸收主要是氧氣造成的，在0.68μm、0.73μm和0.76μm附近就是氧氣的吸收峰?？梢姽獠ǘ蔚?.685μm至0.705μm，0.73μm至0.755μm，紅外波段的0.83μm至0.89μm，0.99μm至1.05μm，大氣斜程透過率數(shù)值出現(xiàn)極大值，是比較理想的大氣窗口。圖2，實(shí)際測量的太陽輻射值圖3，實(shí)時(shí)大氣透過率曲線4.晚上測量不同于白天太陽的測量,晚上以恒星為測量對(duì)象。測量恒星輻射有兩個(gè)特點(diǎn):一是供選擇測量的目標(biāo)多,可根據(jù)所選擇的星表選擇某一天區(qū)的0等到6等恒星作為被測目標(biāo),這樣測量該天區(qū)的大氣透過率值就不是通過換算得來的,而是實(shí)測得到的,準(zhǔn)確度較高；另一個(gè)特點(diǎn)是恒星屬于弱輻射,不同的星等輻射亮度不一樣,因此不能象白天太陽輻射測量那樣通過分光譜連續(xù)測量,實(shí)際測量方法是通過望遠(yuǎn)鏡接受恒星輻射,在目鏡處加多個(gè)寬帶濾光片,光聚焦后入射到增強(qiáng)CCD靶面上,用CCD直觀探測，這樣可以消除因望遠(yuǎn)鏡視場小而有選擇性的去掉視場內(nèi)的其他恒星的干擾輻射,如果用光電倍增管來采集信號(hào)不可能消除其它恒星的影響.望遠(yuǎn)鏡選用美國MEADE公司14″史密特－卡塞格林折反式天文望遠(yuǎn)鏡14″LX200GPS-SMT（實(shí)物圖見圖4），既有大口徑采光特點(diǎn)又有反射后折射到焦點(diǎn)后成像的高質(zhì)量和高分辨率，主鏡直徑370mm，凈口徑356mm,焦長3556mm,焦比f10，分辨率0.32弧秒，極限目視星等18.5，望遠(yuǎn)鏡視場：0.65°;能自動(dòng)驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡到數(shù)據(jù)庫（145000個(gè)太空目標(biāo)）中的任何一個(gè)太空，能GPS自動(dòng)定位（經(jīng)度、緯度、時(shí)間信息）和實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)跟蹤；可觀測陸地和天空任何目標(biāo);PC電腦通過RS232接口控制望遠(yuǎn)鏡;微聚焦器調(diào)整目鏡焦距。帶8X50導(dǎo)星鏡。跟蹤時(shí)可先用它來粗定目標(biāo);運(yùn)行速度分九等可調(diào);可生成漫游表實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤，可增加觀測點(diǎn)到用戶定義觀測點(diǎn)列表中。ICCD的選取:考慮望遠(yuǎn)鏡接收面直徑為356mm,設(shè)入射光λ=700nm，焦距f=3560mm,衍射極限半徑R=1.22λf/D=8μm.考慮3倍衍射極限時(shí)光斑直徑約為50μm。考慮望遠(yuǎn)鏡次鏡影響，估計(jì)有效接收光面為320mm,在望遠(yuǎn)鏡焦面附近光通亮放大倍數(shù)估計(jì)為(320/0.05)2=4x107倍，考慮大氣吸收、鏡面效率、接收面偏離焦面等其它影響也有107的放大倍數(shù)，望遠(yuǎn)鏡接收光通亮為3Х10-13W/m2的入射光在接收面處估計(jì)為3X10-6W/m2,在555nm處換算為Lx,大約為2X10-3Lx,當(dāng)濾光片帶寬選50nm時(shí)，這個(gè)值會(huì)稍高一些。這是選擇CCD最低照度的主要依據(jù)，根據(jù)計(jì)算選用北方夜視公司生產(chǎn)的ICCD—1XZ18/18WS-7?？梢酝ㄟ^電壓調(diào)整增益值,也可通過脈沖寬度控制曝光時(shí)間，試驗(yàn)中控制增益是用XICOR公司可編程電阻器X9C103，它是數(shù)字控制的微調(diào)電阻器，包含有99個(gè)電阻單元的電阻陣列，用它調(diào)整增益控制電壓值，每檔精度為0.25V,通過生產(chǎn)廠家定標(biāo)得到每一控制電壓值所對(duì)應(yīng)的增益值。試驗(yàn)儀器外形圖如圖5所示。星表選擇依巴谷星表，該衛(wèi)星是歐洲航天局于1989年8月8日發(fā)射升空，專門用于天文測量的衛(wèi)星，所測恒星數(shù)據(jù)受大氣影響很小，在星表中記錄了全天118218個(gè)天體非常精確的赤經(jīng)、赤緯、光譜等數(shù)據(jù)，其位置中值精度大約為1毫角秒，因此以依巴谷星表作為數(shù)據(jù)源，奠定了恒星位置精度的基礎(chǔ)。圖4，望遠(yuǎn)鏡實(shí)物圖圖5，試驗(yàn)系統(tǒng)外形圖恒星跟蹤：光學(xué)系統(tǒng)選取適當(dāng)數(shù)量和波長的寬帶濾光片組，考慮恒星輻射特點(diǎn)濾光片采中心波長分別為300、350、400、450、500、550、600、650、700、750nm，帶寬為50nm可基本覆蓋整個(gè)可見光波段。濾光片由單片機(jī)控制定位和自動(dòng)快速切換。通過計(jì)算可以得到大氣透過率。測量結(jié)果：參考文獻(xiàn)1路遠(yuǎn)，凌永順，紅外輻射大氣透射比的簡易計(jì)算，紅外技術(shù)，2003，25（5）：45~492KambezidisHD,VeraD-P,AdamopoulosAD,Radiativetransfer.Ⅰ.Atmospherictransmissionmonitoringwithmodelingandground-based