寬譜段實時觀測背景動態(tài)信息的研究

寬譜段實時觀測背景動態(tài)信息的研究

1圖像大氣輻射測量系統(tǒng)天空亮度是指吸收和散射的部分陽光能量，并在第一層內形成散射光的空間分布。它由太陽位置和大氣中的散射質點特性所決定,包括大氣分子和氣溶膠粒子對太陽光的散射輻射,是空間目標探測與識別、目標跟蹤與成像以及氣溶膠特性反演等領域一個重要的研究內容。當對空間的運動目標進行跟蹤識別時,其所在方位上較強的天空背景亮度有時會給目標識別帶來困難,因此需要對目標運行軌跡上的背景亮度進行即時測量以獲取運動目標所在方位上的背景亮度,并通過一定的算法來減小或消除這種背景輻射干擾。當前獲取天空輻亮度的手段概括起來主要有三種:1)通過如中分辨率大氣輻射傳輸模式(MODTRAN)等軟件對天空輻亮度進行理論計算,其優(yōu)點是應用成本低且計算方便,不足是需要實時測量大氣參數作為輸入量,且其中的大氣模式與氣溶膠模型與我國的真實大氣狀況有一定差異,因此計算精度不高;2)利用分光測量獲取天空背景光譜并進行積分得到輻亮度,其優(yōu)點是測量精度高,但目前尚沒有可實現天空定點與掃描功能的相關專用儀器,且光譜積分需要一定的時間(如海洋光學公司的Maya2000Pro光纖光譜儀在正常配置的電腦上對400~1000nm的光譜段積分就需要至少25s時間),對于快速運動的空間目標進行探測和跟蹤時沒有直接寬譜測量迅速;3)通過對全天空拍照利用灰度信息來反推天空輻亮度的方法,如美國Yankee公司的全天空成像儀(TSI)等,其優(yōu)點是瞬間即可獲取全天空的亮度信息,不足是由于通過間接手段獲取天空亮度值,因此其測量精度不能滿足目前的需求。總體來說,上述方案都無法很好地滿足當前對于移動目標方位上背景輻亮度獲取所提出的高精度、實時性和快速測量三大要求。為了達到工程上的應用目的,研制了一臺光譜范圍為400~1000nm的天空背景輻亮度測量儀器(型號DTL-1)。儀器可在1ms內經內部處理器運算得到所測方位上的背景亮度值,利用軟件編程實時跟蹤目標的運行軌跡可以即時測量目標運動過程中的背景輻亮度。由于是寬譜段實時絕對輻亮度測量儀器,不同方位天空背景光譜分布特性是影響測量精度的主要因素,基于此分析了寬光譜測量的響應系數和光視效率。本文簡要介紹了DTL-1的結構組成與測量原理,詳細闡述了儀器測量的輻亮度定標與光視效率確定的原理及實現方法;將測量數據與光纖光譜儀進行對比,給出了儀器的測量誤差;最后給出了儀器實測的我國中部和西南典型地區(qū)的天空亮度分布并對其做了簡要分析。2系統(tǒng)的組成和測量原則2.1傳感器的選擇和等效噪聲圖1是天空亮度儀DTL-1的原理框圖。它主要由前端光學接收系統(tǒng)、信號采集與處理系統(tǒng)、方位驅動與跟蹤系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)以及上位計算機系統(tǒng)5部分組成。儀器前端光路視場角為2°;跟蹤測量重復定位精度為1′;測量動態(tài)范圍為2.5~8000W/(m2·sr),這是由探測器信噪比(SNR)為1時的總輸出電壓噪聲和飽和輸出電壓所決定的。儀器具有天空掃描和定點觀測兩種工作模式,分別用于對全天空進行掃描和對用戶輸入的特定方位進行觀測。由于儀器用于探測400~1000nm全譜段范圍的天空背景輻射,屬于弱信號探測范圍,因此對探測器的靈敏度、等效噪聲功率以及光譜響應特性等性能參數較為關注,綜合考慮上述指標后,選擇具有雪崩倍增效應的THORLABS公司APD-110A型Si雪崩二極管作為光電探測器,其噪聲等效功率(NEP)僅為,轉換增益高達2.5×106V/W。天空背景光通過儀器前端光學系統(tǒng)后到達光電探測器表面轉化成光電壓信號,經放大和模數(A/D)轉換后傳輸到上位計算機對電壓示值信號進行反演運算得到絕對輻亮度值并進行存儲和顯示。2.2相對輻光度的測量光譜輻亮度是指某一面元朝某一方向在單位波長、單位面積、單位時間、單位球面度上所發(fā)出的能量。對于某一波段范圍的總輻射能,則是對相應的光譜段進行積分,即積分的輻亮度。在向地球大氣傳輸的所有波長的太陽輻射中,絕大部分能量集中于400~1100nm之間,世界氣象組織稱之為總輻射范圍,人們所研究和討論的天空輻亮度也常常集中在這一波段。DTL-1用于測量400~1000nm范圍天空背景的積分輻亮度,設天空背景光譜輻亮度為B(λ)[單位W/(m2·sr·nm)],則在400~1000nm范圍內的總輻亮度為經儀器進行光電響應轉換后即為式中UDN為儀器的電壓示值;Km為儀器最大響應波長(780nm)的光電轉換系數,即儀器響應系數;R(λ)為探測器歸一化相對光譜響應系數,是個無量綱量,其物理意義是探測器對不同波長光譜輻射量的響應效率,其對應為最大響應波長(780nm)的輻亮度與某波長對探測器產生相同響應電壓的輻亮度的比值。令則Ld具有輻亮度L的量綱,稱其為相對輻亮度。為了描述Ld與L的關系,引入光度學中所謂光視效率的概念為利用輻射定標可定出儀器響應系數Km,實測天空背景輻亮度時,儀器電壓示值UDN與儀器響應系數Km之比即為相對輻亮度Ld。綜上所述,儀器能夠根據電壓信號反演計算得到大氣背景絕對積分輻亮度L的關鍵在于必須對儀器進行絕對輻射定標以及確定儀器的光視效率V。3輻射定標和光視效率的確定3.1準的光譜輻照度利用標準光源漫反射板系統(tǒng)對儀器進行寬波段絕對輻亮度標定。標準光源漫反射板系統(tǒng)由基于低溫絕對輻射計初級標準的光譜輻照度標準燈、光闌、標準漫反射白板、光譜輻射計和光學導軌組成,定標的聯(lián)合不確定度在表1中給出。標準光源漫反射板系統(tǒng)的光譜輻亮度已知,但亮度不可變,由此可以得到一組輻亮度與對應的儀器響應值。以(2)式作為儀器的定標公式,則可定出儀器響應系數Km=4.401×10-4V·m2·sr·W-1。3.2等效理想響應由(4)式可知,測量系統(tǒng)的光譜響應在響應譜段內盡量接近平坦,即光譜響應R(λ)近似為常數,這是因為不同方位的天空背景具有不同的光譜特性,測量系統(tǒng)的非理想光譜響應將在不同程度上給測量帶來誤差。但是具有平坦光譜的熱探測器由于靈敏度不高而無法應用于天空背景的弱信號探測,而且在實際應用中,測量系統(tǒng)的光譜響應是系統(tǒng)中光學和色散元件的光譜透射、反射、色散特性和探測器光譜響應的乘積,因此很難使系統(tǒng)的光譜響應接近理想響應。為此,采用等效理想矩形帶寬代替系統(tǒng)實際光譜響應,它表示在一定條件下,使用理想響應在測量結果上等效于實際測量系統(tǒng)的響應。該方法的基本出發(fā)點是:當待測光源的光譜能量分布曲線可用一個二次函數來表示時,系統(tǒng)的等效理想響應可通過精確的計算來確定。對于具有連續(xù)光譜的天空背景,其不同方位上的光譜特性如圖2所示,可用二次函數近似逼近。將(4)式變形為令圖3為天空亮度儀探測器實際的歸一化光譜響應曲線與等效理想響應曲線。圖2中不同方位的天空背景光譜特性與二次函數有所不同,顯然這種假定會給用理想等效響應曲線代替實際光電探測器帶來一定的誤差。4誤分析與數據驗證4.1定標誤差及檢驗天空輻亮度儀的測量誤差來源主要包括儀器固有誤差、大氣影響、定標誤差。其中儀器固有誤差包括探測器非線性、儀器靈敏度變化、溫度靈敏度、輸出電壓轉換誤差;大氣影響包括天空背景光譜分布影響、氣體吸收峰近似誤差;定標誤差包括燈-板系統(tǒng)不確定度、光學系統(tǒng)雜散光。儀器的固有誤差對于不同的儀器有所不同,并且在出廠時都會進行嚴格的檢驗以滿足測量要求。對于大氣影響,利用二次函數擬合天空背景光譜特性時,不同方位上光譜分布差異以及氣體吸收峰的存在會引入誤差,例如圖2中擬合效果最差的45°天頂角、150°方位角處的光譜與擬合曲線的相關系數只有0.89,引入了12%的誤差。定標過程中的燈-板系統(tǒng)的不確定度在表1中給出,引入綜合不確定度誤差約為2.47%;光學系統(tǒng)的雜散光主要由系統(tǒng)各部件的反射、衍射、散射等造成,通常用高吸收率的黑色顏料對內壁做涂黑處理,可將雜散光平降低到10-7以下。4.2測量結果分析在實驗室利用大口徑積分球對儀器分別進行了線性度和測量穩(wěn)定性的測試。測量穩(wěn)定性測試結果表明,對于36.496W/(m2·sr)的恒定輻亮度,儀器測量的均方根誤差為0.463W/(m2·sr),具有良好的測量穩(wěn)定性;線性度測試結果表明,儀器具有很好的線性度,相關系數大于99.93%。此外,為了檢驗實際大氣背景輻射光譜分布變化對儀器線性度的影響,分別在安徽合肥和四川西昌兩地將光譜儀測得的天空輻亮度與DTL-1的電壓響應示值進行了線性擬合。實驗過程為先將光譜儀的光纖探頭固定在DTL-1的探測鏡筒上保持二者平行,以保證光譜儀和DTL-1在同一時刻測量同一天空方位的天空輻亮度。合肥地區(qū)的對比時間為上午8:00到中午12:20每隔30s測量一次共計4h20min,測量方位角為180°(方位角以正北為0°并按順時針方向增大),高度角為45°;西昌地區(qū)的對比時間從18:15到19:15每隔10s測量一次共計1h,測量方位角為255°,高度角為13°。圖4給出了線性擬合結果,由圖中可見相關系數大于99%,說明儀器對實際的大氣背景輻射也呈現線性響應的特性,從而驗證了標準光源漫反射板系統(tǒng)線性定標方法的正確性。另外在上述兩地進行了DTL-1測量結果與光纖光譜儀的數據對比。實驗過程仍將光譜儀探頭固定在DTL-1的探測鏡筒上并保證二者在同一時刻測量同一天空方位的天空輻亮度,兩地的對比結果如圖5所示。圖5中左圖為合肥地區(qū)(2012年11月12日)對正南方向、高度角為45°的定點方位一整天的對比結果,這天合肥天氣上午全天空無云,中午12:00以后在探測方位周圍開始出現薄云,所以圖中從13:40~14:40之間的數據與光譜儀數據相對偏差超過了16%,其余時間的相對誤差均小于12%,這主要是因為在有云條件下的全天空輻亮度呈隨機起伏的不規(guī)則分布,而兩臺儀器的測量視場角不一致(分別為1°和2°)導致了在各自不同探測區(qū)域內的平均亮度值不相同。其中上午11:00左右光纖光譜儀測量結果有一個尖峰,這可能是由于光譜儀探頭附近有異物干擾導致。右圖為西昌地區(qū)(2012年2月26日)對全天空掃描的對比結果,實驗過程中西昌全天空無云,由圖可見兩者測量結果符合得很好,相對誤差也均不超過10%。5無云天氣下太陽紫外輻射特性對比分析利用DTL-1對我國四川西昌(東經102.24°,北緯27.89°,海拔1550m)2月16日上午11:00的全天空掃描的亮度分布測量結果和安徽合肥(東經117.17°,北緯31.52°,海拔31m)在3月26日相同時刻的觀測結果進行了對比分析。所選兩天均為晴朗無云天氣,實測的水平能見度均超過了8km。圖6中分別標出了兩地的全天空輻亮度分布等值區(qū)域,各區(qū)域上所標示的輻亮度單位為W/m2·sr。對比分析結果表明:1)無云天氣下,天空亮度以太陽方位角為界呈左右對稱分布,且在太陽方位角上背對太陽一側的輻亮度為全天空的最小值,這說明地基觀測空間目標時,在順光觀測方向上的背景為最弱。2)背對太陽一側在天頂角超過60°以后逐漸增大過程中天空背景又十分明顯地逐漸增強,這是由于低層大氣中氣溶膠濃度較大,從而使斜程路徑上的后向散射增強。這說明當在地面對低仰角目標進行識別跟蹤或者低空飛行器對地面目標進行探測識別時,探測路徑上的低層大氣對目標輻射特性的影響是十分顯著的,應該予以重視。3)由圖6可明顯看出,合肥地區(qū)天空各方位上的背景輻亮度都普遍大于西南地區(qū),主要是因為,合肥地區(qū)的海拔較低,相對濕度較大,水平能見度遠小于西南地區(qū),導致大氣對太陽光的散射效應大大增強。6測量結果分析DTL-1是本單位自主研制的一種用于實時測量天空背景輻亮度的大氣背景輻射測量設備,具有天空掃描與定點觀測兩種測量模式,分別用于全天空掃描和特定方位觀測。對其進行了寬譜段絕對輻射定標與誤差分析,并將測量數據與光譜儀進