寬譜段實(shí)時(shí)觀測(cè)背景動(dòng)態(tài)信息的研究

寬譜段實(shí)時(shí)觀測(cè)背景動(dòng)態(tài)信息的研究

1圖像大氣輻射測(cè)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(nèi)形成散射光的空間分布。它由太陽位置和大氣中的散射質(zhì)點(diǎn)特性所決定,包括大氣分子和氣溶膠粒子對(duì)太陽光的散射輻射,是空間目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、目標(biāo)跟蹤與成像以及氣溶膠特性反演等領(lǐng)域一個(gè)重要的研究內(nèi)容。當(dāng)對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤識(shí)別時(shí),其所在方位上較強(qiáng)的天空背景亮度有時(shí)會(huì)給目標(biāo)識(shí)別帶來困難,因此需要對(duì)目標(biāo)運(yùn)行軌跡上的背景亮度進(jìn)行即時(shí)測(cè)量以獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)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(dāng)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(duì)天空輻亮度進(jìn)行理論計(jì)算,其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用成本低且計(jì)算方便,不足是需要實(shí)時(shí)測(cè)量大氣參數(shù)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(shí)大氣狀況有一定差異,因此計(jì)算精度不高;2)利用分光測(cè)量獲取天空背景光譜并進(jìn)行積分得到輻亮度,其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高,但目前尚沒有可實(shí)現(xiàn)天空定點(diǎn)與掃描功能的相關(guān)專用儀器,且光譜積分需要一定的時(shí)間(如海洋光學(xué)公司的Maya2000Pro光纖光譜儀在正常配置的電腦上對(duì)400~1000nm的光譜段積分就需要至少25s時(shí)間),對(duì)于快速運(yùn)動(dòng)的空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤時(shí)沒有直接寬譜測(cè)量迅速;3)通過對(duì)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(diǎn)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(cè)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(dāng)前對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)方位上背景輻亮度獲取所提出的高精度、實(shí)時(shí)性和快速測(cè)量三大要求。為了達(dá)到工程上的應(yīng)用目的,研制了一臺(tái)光譜范圍為400~1000nm的天空背景輻亮度測(cè)量儀器(型號(hào)DTL-1)。儀器可在1ms內(nèi)經(jīng)內(nèi)部處理器運(yùn)算得到所測(cè)方位上的背景亮度值,利用軟件編程實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)的運(yùn)行軌跡可以即時(shí)測(cè)量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的背景輻亮度。由于是寬譜段實(shí)時(shí)絕對(duì)輻亮度測(cè)量儀器,不同方位天空背景光譜分布特性是影響測(cè)量精度的主要因素,基于此分析了寬光譜測(cè)量的響應(yīng)系數(shù)和光視效率。本文簡要介紹了DTL-1的結(jié)構(gòu)組成與測(cè)量原理,詳細(xì)闡述了儀器測(cè)量的輻亮度定標(biāo)與光視效率確定的原理及實(shí)現(xiàn)方法;將測(cè)量數(shù)據(jù)與光纖光譜儀進(jìn)行對(duì)比,給出了儀器的測(cè)量誤差;最后給出了儀器實(shí)測(cè)的我國中部和西南典型地區(qū)的天空亮度分布并對(duì)其做了簡要分析。2系統(tǒng)的組成和測(cè)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(xué)接收系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、方位驅(qū)動(dòng)與跟蹤系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)以及上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5部分組成。儀器前端光路視場(chǎng)角為2°;跟蹤測(cè)量重復(fù)定位精度為1′;測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍為2.5~8000W/(m2·sr),這是由探測(cè)器信噪比(SNR)為1時(shí)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(diǎn)觀測(cè)兩種工作模式,分別用于對(duì)全天空進(jìn)行掃描和對(duì)用戶輸入的特定方位進(jìn)行觀測(cè)。由于儀器用于探測(cè)400~1000nm全譜段范圍的天空背景輻射,屬于弱信號(hào)探測(cè)范圍,因此對(duì)探測(cè)器的靈敏度、等效噪聲功率以及光譜響應(yīng)特性等性能參數(shù)較為關(guān)注,綜合考慮上述指標(biāo)后,選擇具有雪崩倍增效應(yīng)的THORLABS公司APD-110A型Si雪崩二極管作為光電探測(cè)器,其噪聲等效功率(NEP)僅為,轉(zhuǎn)換增益高達(dá)2.5×106V/W。天空背景光通過儀器前端光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)光電探測(cè)器表面轉(zhuǎn)化成光電壓信號(hào),經(jīng)放大和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)對(duì)電壓示值信號(hào)進(jìn)行反演運(yùn)算得到絕對(duì)輻亮度值并進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。2.2相對(duì)輻光度的測(cè)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(shí)間、單位球面度上所發(fā)出的能量。對(duì)于某一波段范圍的總輻射能,則是對(duì)相應(yīng)的光譜段進(jìn)行積分,即積分的輻亮度。在向地球大氣傳輸?shù)乃胁ㄩL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(cè)量400~1000nm范圍天空背景的積分輻亮度,設(shè)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(nèi)的總輻亮度為經(jīng)儀器進(jìn)行光電響應(yīng)轉(zhuǎn)換后即為式中UDN為儀器的電壓示值;Km為儀器最大響應(yīng)波長(780nm)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù),即儀器響應(yīng)系數(shù);R(λ)為探測(cè)器歸一化相對(duì)光譜響應(yīng)系數(shù),是個(gè)無量綱量,其物理意義是探測(cè)器對(duì)不同波長光譜輻射量的響應(yīng)效率,其對(duì)應(yīng)為最大響應(yīng)波長(780nm)的輻亮度與某波長對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生相同響應(yīng)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(duì)輻亮度。為了描述Ld與L的關(guān)系,引入光度學(xué)中所謂光視效率的概念為利用輻射定標(biāo)可定出儀器響應(yīng)系數(shù)Km,實(shí)測(cè)天空背景輻亮度時(shí),儀器電壓示值UDN與儀器響應(yīng)系數(shù)Km之比即為相對(duì)輻亮度Ld。綜上所述,儀器能夠根據(jù)電壓信號(hào)反演計(jì)算得到大氣背景絕對(duì)積分輻亮度L的關(guān)鍵在于必須對(duì)儀器進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)以及確定儀器的光視效率V。3輻射定標(biāo)和光視效率的確定3.1準(zhǔn)的光譜輻照度利用標(biāo)準(zhǔn)光源漫反射板系統(tǒng)對(duì)儀器進(jìn)行寬波段絕對(duì)輻亮度標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)光源漫反射板系統(tǒng)由基于低溫絕對(duì)輻射計(jì)初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈、光闌、標(biāo)準(zhǔn)漫反射白板、光譜輻射計(jì)和光學(xué)導(dǎo)軌組成,定標(biāo)的聯(lián)合不確定度在表1中給出。標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的儀器響應(yīng)值。以(2)式作為儀器的定標(biāo)公式,則可定出儀器響應(yīng)系數(shù)Km=4.401×10-4V·m2·sr·W-1。3.2等效理想響應(yīng)由(4)式可知,測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)在響應(yīng)譜段內(nèi)盡量接近平坦,即光譜響應(yīng)R(λ)近似為常數(shù),這是因?yàn)椴煌轿坏奶炜毡尘熬哂胁煌墓庾V特性,測(cè)量系統(tǒng)的非理想光譜響應(yīng)將在不同程度上給測(cè)量帶來誤差。但是具有平坦光譜的熱探測(cè)器由于靈敏度不高而無法應(yīng)用于天空背景的弱信號(hào)探測(cè),而且在實(shí)際應(yīng)用中,測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)是系統(tǒng)中光學(xué)和色散元件的光譜透射、反射、色散特性和探測(cè)器光譜響應(yīng)的乘積,因此很難使系統(tǒng)的光譜響應(yīng)接近理想響應(yīng)。為此,采用等效理想矩形帶寬代替系統(tǒng)實(shí)際光譜響應(yīng),它表示在一定條件下,使用理想響應(yīng)在測(cè)量結(jié)果上等效于實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)。該方法的基本出發(fā)點(diǎn)是:當(dāng)待測(cè)光源的光譜能量分布曲線可用一個(gè)二次函數(shù)來表示時(shí),系統(tǒng)的等效理想響應(yīng)可通過精確的計(jì)算來確定。對(duì)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(shù)近似逼近。將(4)式變形為令圖3為天空亮度儀探測(cè)器實(shí)際的歸一化光譜響應(yīng)曲線與等效理想響應(yīng)曲線。圖2中不同方位的天空背景光譜特性與二次函數(shù)有所不同,顯然這種假定會(huì)給用理想等效響應(yīng)曲線代替實(shí)際光電探測(cè)器帶來一定的誤差。4誤分析與數(shù)據(jù)驗(yàn)證4.1定標(biāo)誤差及檢驗(yàn)天空輻亮度儀的測(cè)量誤差來源主要包括儀器固有誤差、大氣影響、定標(biāo)誤差。其中儀器固有誤差包括探測(cè)器非線性、儀器靈敏度變化、溫度靈敏度、輸出電壓轉(zhuǎn)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(biāo)誤差包括燈-板系統(tǒng)不確定度、光學(xué)系統(tǒng)雜散光。儀器的固有誤差對(duì)于不同的儀器有所不同,并且在出廠時(shí)都會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)以滿足測(cè)量要求。對(duì)于大氣影響,利用二次函數(shù)擬合天空背景光譜特性時(shí),不同方位上光譜分布差異以及氣體吸收峰的存在會(huì)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(guān)系數(shù)只有0.89,引入了12%的誤差。定標(biāo)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(xué)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(duì)內(nèi)壁做涂黑處理,可將雜散光平降低到10-7以下。4.2測(cè)量結(jié)果分析在實(shí)驗(yàn)室利用大口徑積分球?qū)x器分別進(jìn)行了線性度和測(cè)量穩(wěn)定性的測(cè)試。測(cè)量穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)于36.496W/(m2·sr)的恒定輻亮度,儀器測(cè)量的均方根誤差為0.463W/(m2·sr),具有良好的測(cè)量穩(wěn)定性;線性度測(cè)試結(jié)果表明,儀器具有很好的線性度,相關(guān)系數(shù)大于99.93%。此外,為了檢驗(yàn)實(shí)際大氣背景輻射光譜分布變化對(duì)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(cè)得的天空輻亮度與DTL-1的電壓響應(yīng)示值進(jìn)行了線性擬合。實(shí)驗(yàn)過程為先將光譜儀的光纖探頭固定在DTL-1的探測(cè)鏡筒上保持二者平行,以保證光譜儀和DTL-1在同一時(shí)刻測(cè)量同一天空方位的天空輻亮度。合肥地區(qū)的對(duì)比時(shí)間為上午8:00到中午12:20每隔30s測(cè)量一次共計(jì)4h20min,測(cè)量方位角為180°(方位角以正北為0°并按順時(shí)針方向增大),高度角為45°;西昌地區(qū)的對(duì)比時(shí)間從18:15到19:15每隔10s測(cè)量一次共計(jì)1h,測(cè)量方位角為255°,高度角為13°。圖4給出了線性擬合結(jié)果,由圖中可見相關(guān)系數(shù)大于99%,說明儀器對(duì)實(shí)際的大氣背景輻射也呈現(xiàn)線性響應(yīng)的特性,從而驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)光源漫反射板系統(tǒng)線性定標(biāo)方法的正確性。另外在上述兩地進(jìn)行了DTL-1測(cè)量結(jié)果與光纖光譜儀的數(shù)據(jù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)過程仍將光譜儀探頭固定在DTL-1的探測(cè)鏡筒上并保證二者在同一時(shí)刻測(cè)量同一天空方位的天空輻亮度,兩地的對(duì)比結(jié)果如圖5所示。圖5中左圖為合肥地區(qū)(2012年11月12日)對(duì)正南方向、高度角為45°的定點(diǎn)方位一整天的對(duì)比結(jié)果,這天合肥天氣上午全天空無云,中午12:00以后在探測(cè)方位周圍開始出現(xiàn)薄云,所以圖中從13:40~14:40之間的數(shù)據(jù)與光譜儀數(shù)據(jù)相對(duì)偏差超過了16%,其余時(shí)間的相對(duì)誤差均小于12%,這主要是因?yàn)樵谟性茥l件下的全天空輻亮度呈隨機(jī)起伏的不規(guī)則分布,而兩臺(tái)儀器的測(cè)量視場(chǎng)角不一致(分別為1°和2°)導(dǎo)致了在各自不同探測(cè)區(qū)域內(nèi)的平均亮度值不相同。其中上午11:00左右光纖光譜儀測(cè)量結(jié)果有一個(gè)尖峰,這可能是由于光譜儀探頭附近有異物干擾導(dǎo)致。右圖為西昌地區(qū)(2012年2月26日)對(duì)全天空掃描的對(duì)比結(jié)果,實(shí)驗(yàn)過程中西昌全天空無云,由圖可見兩者測(cè)量結(jié)果符合得很好,相對(duì)誤差也均不超過10%。5無云天氣下太陽紫外輻射特性對(duì)比分析利用DTL-1對(duì)我國四川西昌(東經(jīng)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(cè)量結(jié)果和安徽合肥(東經(jīng)117.17°,北緯31.52°,海拔31m)在3月26日相同時(shí)刻的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。所選兩天均為晴朗無云天氣,實(shí)測(cè)的水平能見度均超過了8km。圖6中分別標(biāo)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(biāo)示的輻亮度單位為W/m2·sr。對(duì)比分析結(jié)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(duì)稱分布,且在太陽方位角上背對(duì)太陽一側(cè)的輻亮度為全天空的最小值,這說明地基觀測(cè)空間目標(biāo)時(shí),在順光觀測(cè)方向上的背景為最弱。2)背對(duì)太陽一側(cè)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(qiáng),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(qiáng)。這說明當(dāng)在地面對(duì)低仰角目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別跟蹤或者低空飛行器對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別時(shí),探測(cè)路徑上的低層大氣對(duì)目標(biāo)輻射特性的影響是十分顯著的,應(yīng)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?yàn)?合肥地區(qū)的海拔較低,相對(duì)濕度較大,水平能見度遠(yuǎn)小于西南地區(qū),導(dǎo)致大氣對(duì)太陽光的散射效應(yīng)大大增強(qiáng)。6測(cè)量結(jié)果分析DTL-1是本單位自主研制的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量天空背景輻亮度的大氣背景輻射測(cè)量設(shè)備,具有天空掃描與定點(diǎn)觀測(cè)兩種測(cè)量模式,分別用于全天空掃描和特定方位觀測(cè)。對(duì)其進(jìn)行了寬譜段絕對(duì)輻射定標(biāo)與誤差分析,并將測(cè)量數(shù)據(jù)與光譜儀進(jìn)