（光学工程专业论文）影响大气透过率测试系统精度的因素分析.pdf

摘要 大气透过率是影响红外辐射传输的重要因素。大气透过率受气象影响很大，在较 短时间内，大气的压强、湿度、气体密度可发生明显变化，大气透过率会因此而发生 较大程度的改变。同时，气象条件的不稳定必定给大气透过率的测量带来极大的困难。 本文在介绍大气透过率测试系统以及大气探测激光雷达测量原理的基础上，对大 气透过率进行模拟仿真计算。主要分析了影响大气透过率测试系统精度的各部分因素， 以及与总体误差相关的各部分系统误差和随机误差的来源、分析及评定，具体包含： 1 激光雷达测量误差及数据处理引入误差； 2 气溶胶粒谱分析仪测量误差及数据处理产生误差； 3 气象参数仪测量误差对计算的影响； 4 m o d t r a n 模式计算误差； 通过原理分析以及对模拟仿真计算结果的讨论，本文最后给出了结论。结论表明： 综合上述影响大气透过率测试系统精度的各项因素，得出最终大气透过率计算结果精 度为1 5 。 关键词：激光雷达气溶胶消光系数m o d t r a n 模式大气透过率 a b s t r a c t a t m o s p h e r et r a n s m i s s i b i l i t yi sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o ri ni n f r a r e dr a d i a t i o nt r a n s f e r f i e l d a t m o s p h e r et r a n s m i s s i b i l i t yc a l lb ea f f e c t e dt o om u c hb ym e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r , a n da t m o s p h e r ep r e s s u r e ，h u m i d i t y , g a sd e n s i t yw i l lc h a n g eo b v i o u s l yi nas h o r tt i m ea l s o s ot h ea t m o s p h e r et r a n s m i s s i b i l i t yw i l lm a k eab a s i l i cc h a n g e a tt h es a m et i m e ，u n s t a b l e m e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o nw i l lt a k em o r e d i f f i c u l t y f o r m e a s u r i n g t h e a t m o s p h e r e t r a n s m i s s i b i l i t y t h i st h e s i sm a i n l yd e s c r i b e dt h ea t m o s p h e r et r a n s m i s s i b i l i t yt e s ts y s t e ma n dt h e m e a s u r ep r i n c i p l ef o ra t m o s p h e r i cs o u n d i n gl i d a r , a n da l s om a d ea n a n a l o gs i m u l a t i o n c a l c u l a t i o nb ym o d t r a nm o d ef o ra t m o s p h e r et r a n s m i s s i b i l i t y o t h e r w i s e ，t h i st h e s i s a n a l y z e d e a c h i n f l u e n c i n g f a c t o rw h i c hc a r ta f f e c tt h e a c c u r a c y f o r a t m o s p h e r e t r a n s m i s s i b i l i t yt e s ts y s t e m 1 m e a s u r e m e n te r r o ro f l i d a ra n de r r o rf o rl i d a rd a t ah a n d l i n g ； 2 。m e a s u r e m e n te l f o ro fg a s o l o i da n a l y s i se q u i p m e n ta n de r r o ro f d a t ah a n d l i n g ； 3 m e a s u r e m e n te r r o ro f m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e rt e s t i n gi n s t r u m e n t ； 4 c a l c u l a t i o na c c u r a c yo f m o d t r a nm o d e t h r o u g ht h e s ea n a l y s e sf o rt h er a t i o n a l ea n dt h ed i s c u s s i o nf o rt h ea n a l o gs i m u l a t i o n c a l c u l a t i o nr e s u l t 也ec o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h ef i n a lr e s u l tf o rt h e a t m o s p h e r e t r a n s m i s s i b i l i t yi s 15 b ys y n t h e s i z i n ge a c hi n f l u e n c i n gf a c t o ra b o u tt h ea t m o s p h e r e t r a n s m i s s i b i l i t yt e s t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：l i d a rg a s o l o i d e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tm o d t r a nm o d e a t m o s p h e r et r a n s m i s s i b i l i t y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，影响大气透过率测试系统精度的 因素分析是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：j 墨歪主嚣堕年立月上王日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 亟i 毯芝墨年三月二生日 指导导师签名：【丝型l笾年互月2 日 第一章绪论 1 1 引言 大气中的现象和过程错综复杂，使得大气科学研究在很大程度上要依靠对大气现 象和过程的探测，从而使大气探测成为大气科学的基础和重要组成部分。 雷达最早出现于第二次世界大战期间，它是英文词r a d a r 的音译意为无线电探测 与测距，无线电雷达从问世以来，在民用航空、交通管理、河流及港口船只的交通控制 及通信卫星地面站等多种领域得到广泛应用，特别是在军事领域，它已经成为现代战争 的必不可少的工具。但是，无线电波长较长，从量子光学的理论可知，其相应能量子的能 量很小，一般不足以与目标发生任何生化作用，因而无法探测目标的生化特性，或者说， 不能依据生化特性对目标进行识别和分类。另一方面，由物理光学的理论可知，当电磁 波在传播路径上遇到尺寸比波长小的物体时，将会发生衍射，即波的大部分能流绕过物 体继续向前传播。由于这一原因，普通无线电雷达也无法探测微小粒子，乃至分子，或者 需要依掘被探测物的生化特性对其进行识别与分类。 激光是人类2 0 世纪最重要的发明之一，它的出现几乎在所有技术领域引发了革命 而激光与雷达之间更具有较为特殊的关系，事实上，激光器乃至其前身微波振荡器的发 明在相当大的程度上得益于雷达工程师们为雷达波探索波长更短辐射源的努力。 用于雷达的激光波长典型情况下比无线电波长小3 至5 个量级，如此短波长的辐射 一方面具有很高的单光子能量( 例如，波长4 0 0 n m 的辐射，单光子能量为3 1 e v ) ，另一方 面，在大气中传输时很少发生绕射，这就使激光雷达恰好弥补了无线电雷达的上述不 足。可以根据被测物的生化特性对其加以鉴别，还可以对大气中以微粒形式存在的各 种成分进行探测。 在当今世界，经济的高速发展直接导致两个明显的后果：一方面，自然资源不可避 免地被大量消耗，而在消耗资源的同时往往伴随有污染环境的副产物产生；另一方面， 人们生活水平大幅度提高，而生活水平提高的人类希望有一个更加美好的生存环境。由 此可见，对环境加以检测与严格治理，对资源进行调查与合理使用，是一个国家乃至全 国经济可持续发展，人们生活水平可持续提高的根本保证，并因而理所当然地引起各国 有关部门及广大民众的极大关注。而环境检测激光雷达正是实现这些目标的主要有力 工具。本文介绍了激光雷达在大气检测中的应用( 大气中有很多成分对人类健康有害， 以我国目前空气质量日报所列为例，除了可吸入颗粒物外，主要有c o ，s 0 2 ，0 3 ，n o ，。这 些成分既可以由大自然产生，也可因人类活动引起。大气中另一种值得关注的成分是气 溶胶，它是悬浮在大气中的一类粒子的总称，包括各种烟雾及尘埃等颗粒，半径通常小 于l u m ，其中有很多可被吸入人体或通过接触造成伤害。气溶胶主要来源为森林火灾， 火山爆发及人类的燃烧活动和建筑施工等。) ，以及根据不同散射机制的激光雷达对大 气中各种成分进行探测“1 。 大气探测激光雷达在我国目前尚属新兴课题，在国际上也属于年轻而充满活力的 领域。特别是随着激光技术，探测器技术以及计算机技术的迅速发展，激光雷达探测的 灵敏度、可靠性以及精度必将进一步提离，进而促使其应用范围更加广泛。完全有理由 期望，环境激光雷达，大气探测激光雷达将在人类发展经济，改善环境的努力中，发挥越 来越重要的作用。 红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的普遍重视。红外辐射自目标发出后， 要在大气中传输相当长的距离，才能达到观测仪器，由此总要受到大气中各种因素的 影响，给红外技术的应用造成限制性的困难。其中主要有三方面的研究人员对此比较 关注：( 1 ) 分子光谱研究工作者，他们试图通过大气中出现的分子吸收光谱来研究分 子结构与分子吸收和散射的机理；( 2 ) 大气物理工作者，他们希望把红外辐射通过大 气的分子吸收光谱作为一种工具，借此研究大气中的许多物理参量，如辐射热平衡、 大气的热结构、大气的组成成分等；( 3 ) 红外系统与天文工作者，他们关心的是被测 目标所发出的红外辐射在大气中发生的变化，借助大气红外透过特性来考虑目标探测 问题或考察星体的物理性质等。因此，了解红外辐射在大气中的传输特性，对于红外 技术的应用是相当重要的。 辐射在大气中传输时，主要表现为以下几个方面： ( t ) 在0 2 - 0 3 2 p i l l 的紫外光谱范围内，光吸收与臭氧的分解作用有联系。臭氧的 生成和分解的平衡程度，在光的衰减中起着决定性的作用。 ( 2 ) 在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利散射是必须要考虑 的。解决这一类问题应注意散射物质的分布，散射系数对波长的依赖关系。 ( 3 ) 粒子散射或m i e 散射。这种散射都出现在云和雾之中，当然在大气中某些特殊 物质的分布也会引起m i e 散射。这种现象对于观察低空背景是特别重要的，因为这些 特殊物质的微粒一般都是处在低空中的，到达一定高度时这种散射现象就不那么强烈 了。 ( 4 ) 大气中某些元素原子的共振吸收，这主要发生在紫外及可见光谱区域内。 ( 5 ) 分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。大气中的某些分子具有与红外光谱 区域响应的振动一转动共振频率，同时还有纯转动光谱带，因而能对红外辐射产生吸 收。这些分子是水蒸气、二氧化碳、臭氧、一氧化二氮、甲烷以及一氧化碳等，其中 水蒸气、二氧化碳和臭氧能引起最大的吸收量，这是因为他们具有强大的吸收带，而 且它们在大气中都具有相当高的浓度。对于一氧化碳、一氧化二氮和甲烷这一类的分 子，只有辐射通过的路程相当长或通过浓度很大的空气时，才能表现出明显的吸收； 当某一辐射源所发出的辐射通过大气时，为了较准确的计算辐射的大气衰减，需 要考虑到上述的每一种情况。然而，每一种衰减的机理都是很复杂的，故对各种情况 分别进行处理是较为适宜的。当然，因为应用的不同，研究的侧重点也不同。这里主 要谈论吸收和散射所导致的大气对红外辐射的衰减，以及大气透射率的计算方法等。 还必须指出，在辐射传输过程中，每一处都有它特有的气象因素，包括气压、温度、 2 湿度以及每一种吸收体的浓度等，每一种因素均会对辐射的大气衰减有着直接的影响。 同时还要注意到给定的光谱间隔，乃至于没一根谱线的位置、强度和形状等。不仅要 注意到辐射衰减与气象因素有关系，而且还要注意到气象因素的变化所带来的影响。 尤其是在低层大气中，水蒸气和其他的一些气体，甚至灰尘，都在不断的变化着。因 此，红外辐射在大气中的传输状态也就随着天气情况和海拔高度而变化。可见，定量 地描述红外辐射在地球大气中的透过倩况，是一件相当困难的事情。 红外辐射通过大气所导致的衰减主要是因为大气分子的吸收、散射，以及云、雾、 雨、雪等微粒的散射多造成的。要想知道红外辐射在大气中的衰减问题，首先必须了 解大气的基本组成。 ( 1 ) 大气的基本组成 包围着地球的大气层，每单位体积中大约有7 8 的氮气和2 1 的氧气，另外还有不 大1 的氩、二氧化碳、一氧化碳、一氧化二氮、甲烷、臭氧、水蒸气等成分。除氮气、 氧气以外的其他气体统称为微量气体。 除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒， 这些微粒统称为气溶胶。有些气体成分相对含量变化很小，称为均匀混合的气体，例 如氧气、氮气、二氧化碳、一氧化二氮等。有些气体含量变化很大，如水汽和臭氧。 大气的气体成分在6 0 k m 以下都是中性分子，自6 0 k m 开始，白天在太阳辐射作用下开 始电离，在9 0 k m 之上，则日夜都存在一定的离子和自由电子。如果把大气中的水汽和 气溶胶粒子除去，这样的大气称为干燥洁净大气。 ( 2 ) 大气的气象条件 所谓大气的气象条件，是指大气的各种特性，如大气的温度、压强、湿度、密度 等，以及它们随时间、地点、高度的变化情况。一般说来，大气的气象条件是和复杂 的，尤其地球表面附近的大气更是经常变化的，这就给我们详细研究大气特性带来了 很大的困难。为了对我们所使用的红外装置的性能作出评价，就必须对红外装置将要 应用的地区的气象条件作出详细的调查和研究。有了充分的气象资料之后，我们方可 恰当地、较为准确地估算大气对红外辐射的衰减。然而，一个国家或某一地区的详细 气象资料是高度保密的。因此，我们这里只能介绍大气的主要气象条件梗概，以及典 型的气象条件数据。 为了便于叙述温度随着海拔高度的变化而改变的情况，一般地将地球大气分成四 个同心层。从海平面到l o k m 高度之间的大气，成为对流层。在对流层中，随着高度的 增加，温度逐渐降低。 我们把海拔l o 一2 5 k m 之间的大气层成为同温层，或称为平流层。在同温层内大气 的温度基本上是保持不变的。从海拔2 5 8 0 k m 的大气层称为中层大气，也称为中间层。 大约在2 5 5 0 k m 内随着高度的增加温度逐渐上升，在5 0 - - - 6 0 k m 的区域温度达到最高。 这段内温度的升高是由于臭氧对太阳紫外线的选择吸收所至。尽管臭氧的大部分位于 3 0 k m 以下，大气臭氧的形成和消失却主要在3 0 k m 以上。在中层大气中，由6 0 - - 8 0 k m 内 随着高度的增加温度又逐渐下降。海拔8 0 - - - 8 0 0 0 k m 称为热层。其中由8 0 - - - 9 0 k i n 之间 温度达到最低，以后温度又以每千米4 。c 的速度上升。在l o o k m 以上，昼夜气温有很 大的差异，这是由于电离层中白昼与夜间离子浓度有很大的变化的缘故，而最高温度 是出现在白昼。需要说明的是，在任何高度上，温度值只是一个代表值，不论用什么 不同的方法或者取同一种方法，各次测量的结果是有很大的差异的。即使是在同一时 刻，由于地理位置不同，在同一高度处大气的温度也会有一些差异。在指定的地理位 置，大气温度也会随时间变化，当然也只是围绕着平均值起伏的。 大气的压强也是随着高度的不同而变化的。以后我们说高度，一般地就是指海拔 高度。在同温层以下的大气，通常称为低层大气。由于通常的红外装置大都在低层大 气中使用，所以，这是人们最关心的部分。在这样的区域测量温度所用的工具就是实 验室中常用的湿度计、电阻温度计以及温差电偶。因为空气密度较大，热量由空气到 温度表的传导作用，足以使温度表可靠的指示出空气的温度。同时也由于该处空气密 度较大，所以古典流体动力学的运动方程可以应用“”“1 。 1 2 国内外的发展现状 利用大气探测激光雷达测试大气光谱透过率有着广泛的现实意义。 十几年前，人们对大气气溶胶吸收和散射的物理意义有了很好的理解，然而，将 这些知识应用到真实的气象和环境条件所需要的数据却很有限。在这期间，人们进行 了数百次的光电系统野外试验，以建立系统特性与传输变量和环境条件的关系。这类 知识库大多被收集在由国家实验室控制的计算机模型中，如：l o w t r a n 和e o s a e l 2 1 1 。 海湾战争期间，战场指挥官们应用了这些知识，美国的红外系统在很低的能见度条件 下取得的战绩清楚的证明了大气效应研究以及分析与讨论大气透过率计算精度的重要 性。 目前，人们对大气现象的认识以及将大气物理学用于预测红外和电光系统性能方 面都取得了巨大进步。运用系统对光电和红外传感器的依赖日益增强也推动了此项技 术的进展，而且人们也认识到大气传输条件会严重影响这类探测器的性能，此外，高 能激光与高功率激光的发展，以及人们在激光大气传输参数对微小不确定的极端敏感 性方面的认识需求，也促进了上述进步“”一 3 7 1 。 1 3 论文研究意义及研究内容 1 3 1 研究意义 大气科学研究在很大程度上要依靠对大气现象和过程的探测，从而使大气探测成 为大气科学的基础和重要组成部分。 现代光电仪器具有全天候、多功能、智能化的特点。其光学仪器包含白光、红外、 微光、激光等系统，其光谱范围已远远超出可见光波段。光电仪器的探测能力除与其 本身的像质及透光率有关外，也受到目标光谱辐射特性、大气光谱传输特性及接收器 4 件的光谱响应特性的影响。由于大气的辐射特征与气象条件、大气中各种分子、气溶 胶的浓度及光学性质有着及其密切的关系，光电武器在实际大气中使用不可避免地要 受到大气的影响，大气的光学特性是一个涉及多学科、多角度、多层次的非常复杂的 研究课题。 从本课题研究工作的应用角度出发，研究大气的光学特性是根据仪器设备在一定 距离上测得的辐射数据，还原成作为目标的辐射源的数据，或者在已知辐射源数据的 条件下确定大气的透过特性。期间重点考虑影响大气透过率的各种不确定性因素。 通过对影响大气光谱透过率测试精度各种不确定性因素加以分析，可以为研究各 种目标与背景的光辐射特性提供前提条件，并可建立目标与大气的光学特性数据库与 数学模型，不仅可以为实地测试提供科学客观的依据，使实验结果规范化，为制定和修 订试验标准提供重要的参考依据：而且可为军用武器系统的论证、研制、试验、仿真、 训练和作战服务。目前在实地试验中，对影响大气光谱透过率测试精度的各个影响因 素分析与讨论是十分必要的。 1 3 2 论文研究内容 本文主要研究利用激光雷达原理测试大气的光谱透过率期间，由于环境、天气等气 象条件的不确定性，以及激光雷达、粒谱分析仪等用于测量的仪器精度，和用于计算 输出的m o d t r a n 软件的计算误差对最终大气透过率计算结果的影响。重点分析和讨论 影响大气透过率测试精度的各部分因素，以及与总体误差相关的各部分系统误差和随 机误差的来源、分析及评定，具体包含： 1 激光雷达测量误差及数据处理引入误差： 2 气溶胶粒谱分析仪测量误差及处理产生误差； 3 气象参数仪测量误差对计算的影响； 4 m o d t r a n 模式计算误差； 通过对以上问题的详细分析和讨论，以便进一步提高大气透过率的测试精度，给 出科学、客观的透过率结果。 1 4 本章小结 本章通过简单阐述红外辐射在大气中的传输的相关理论，包括地球大气的基本组 成，大气的气象条件以及红外辐射在大气中传输的影响因素等，引出了利用现代化智 能设备及方法测试大气辐射透过率的必要性及其大气透过率测试系统精度分析的必要 性，同时，分析了与测试大气透过率及大气透过率测试精度相关课题在国际、国内领 域的研究发展方向，明确指出了本课题研究的现实意义。最后，对本论文的主要内容 做了简单概括。 第二章大气透过率测试原理 大气辐射透过率的测试原理可以简单概括为：把气象仪器测量的气象参数，激光 雷达测量的气溶胶距离分辨的垂直分布，粒谱分析仪测量的气溶胶颗粒大小分布等参 数自动输入到m o d t r a n 软件计算，可以计算得到实时的各波段下大气透过率数据。 2 1 大气探测激光雷达测量原理 2 1 1 大气探测激光雷达测量原理 表示激光雷达回波信号强度与各种因素关系的数学表达式称为激光雷达方程。 大气探测激光雷达方程为： a,4t p ( r ) = c p o 兰a r 声( a ，r 0 e x p - 2 【口( 五，r d r 】 ( 2 一1 ) k 式( 2 - 1 ) 中p ( r ) 为激光雷达接收到的来自r 到r + r 高度大气段的回波信号功率， p 。为发射的功率，c 为激光雷达的校正常数，r 为探测距离( 或高度) ，a 为接收望远镜 的受光面积，( a ，r ) 为大气中某种被探测组分的后向散射系数，口( 五，r ) 为大气总的消 光系数。 为更清楚地看出各种因素对激光雷达回波信号的影响，将( 2 - 1 ) 式所示的激光雷 a 达方程写成两项乘积的形式，即p ( r ) = a x b 。其中，a = c x p 0 x ；xa r 为仅与激光 k 。 雷达参数相关的量，称之为雷达项；b = ( 五，r ) x e x p - - 2c 。口( 五，r f ) d r l 为仅与大气参数 相关的量，我们称之为大气项。 在雷达项a 中，激光发射功率p 0 和接收望远镜面积a 对激光雷达回波信号的影响 是很明显的，p 0 和a 越大，激光雷达接收到的回波功率p ( r ) 就越大。这就是通常将 乘积p 。x a ( 单位为w x m 2 ) 称为激光雷达质量因子的原因。根据用途的不同，激光雷 达的配置相差很大，质量因子可以很不相同。探测高度以r2 的形式出现在雷达项的分 母中，表示即使在大气无衰减的条件下，激光雷达回波信号也与探测高度的平方成正 比。这种随高度平方的衰减源于被探测大气对接收望远镜所张的立体角随高度的减小， 而与大气散射的强弱无关。a r 表示探测高度分辨，其最小值取决于发射激光的脉冲宽 度r ，即r 。= c x 舵，此处，c 为光速。对大多数目前用于激光雷达的脉冲激光器 而言，f 约在1 0 “s 量级，使r 。，。仅在几米量级。因此，在实际应用中a r 往往是由回 波信号检测电路中的采样门宽所决定。雷达项中的校正常数c 还可进一步写成 c = g q r ，其中群为光电探测器的效率，q 为接收光学系统的透射率，g 为重叠因子， 后者表示发射激光束与接收望远镜视场的重合程度，完全重合时其值为1 ，否则为零。 在大气项b 中，后向散射系数( a ，r ) ( 单位为c m 。s 1 ) 表示高度r 处大气对激光 的散射能力，它还可进一步写成( a ，r ) = n ( r ) x 盯( z ) ，其中，n ( r ) 为被探测大气 6 组分的密度( 单位为c m 4 ) ，通常为高度r 的函数；盯( a ) 为被探测大气组分的后向散 射截面( 单位为c m 2 s 。1 ) 。f l ( x ，r 1 是激光雷达方程中代表回波产生机制的量，表示回波 信号的强度与被探测大气组分的密度和其后向散射截面成正比。这也是从激光雷达回 波中能够反演出被探测大气组分的密度的原因。而e x p - - 2 、口( 五，r ) d r 】则代表光在激 光雷达和探测高度r 之间往返传播所受到的衰减”。“。 m i e 散射气溶胶激光雷达是整个大气光谱透过率测试分系统的核心，基本原理为： 当激光在大气中传输时，气溶胶粒子和分子会产生散射和消光效应，激光雷达通过接 收和检测大气后向散射光信号，可以得到大气水平能见度和透过率。与其它测量手段 相比，它具有测量范围大，空间和时间分辨率高，测量精度高，实时性强等优点。尤 其是它能够直接测量可见或红外波长( 如本系统可直接测量1 0 6 9 i n ) 的大气水平能见 度和透过率。单波长激光雷达测量的数据通过接口电路传输到数据处理计算机，由 m o d t r a n 软件计算可以得到从可见到近红外波段的大气透过率。 若采用多波长激光雷达可以提供气溶胶的粒谱分布信息，适当选择工作波长还可 以测量垂直方向上的温度、压力廓线以及水汽含量。 2 12m i e 散射雷达方程 m i e 散射激光雷达方程可写为： r1 p ( 五，z ) = c 声( 旯，z ) - 丁2 ( 2 , z ) z 2 = c 矽( 旯，三) r e x p | _ 2 r c r ( 三7 ) d e7 z 2 j f 9 9 、 其中，p ( z ，z ) 为距离z 、激光波长九处大气后向散射信号强度( w ) ；c 为激光雷达仪 器常数( wk m 3 s r ) ；包括激光发射初始能量，接收望远镜的有效接收面积，光学系统 透过率等。b ( 九，z ) 和n ( 九，z ) 分别为距离z 激光波长九处大气消光系数( k i n 。1 ) 和后向 g ( k m 。s t - 1 ) ；t 2 ，z ) 为大气双程透过率。 2 2 气溶胶光学特性的探测 2 2 1 求解水平透过率和能见度 激光雷达可以水平测量大气能见度和透过率。其方法为，假定水平方向大气水平 均一，对( 2 - 2 ) 式取对数后再用线性回归法，可以得到大气平均消光系数。在传输路径 上积分大气消光系数可以得到不同传输距离处的大气透过率t 2 ( z 。z ：) 。 在试验时，在实验条件中常有能见度和透明度的要求，如p g 8 7 a 式2 5 m m 牵引高炮系 统的激光测距机要求大气能见度大于1 2 k m ，这就需要确定能见度、透明度和大气透过 率的关系。 大气透明度的定义为白光通过l k m 的大气透过率。能见度( 又称为气象视距、能 见距离、气象学距离、可见距离等) 的定义为人眼对着地平线天空刚好能看见大的( 视 角大于3 0 ) 黑色目标的最大距离，严格的定义指在可见区指定波长矗处通常取o 5 5 a e n 处的目标和背景对比度降低到2 时的距离，2 的对比度是人眼刚好能辨认目标和背 景的典型平均值”1 。 大气水平能见度v i 与大气消光系数a ( k ) 可用下列关系描述： ， 3 9 1 2 9 肘2 a ( 0 5 5 ) 2 3 ) 上式中v m 为水平能见度，a ( 0 5 5 ) 茭b 人眼敏感的绿光( = 0 5 5 n ) 的大气消光系 数。对于不同波长，需对上式进行修正： z m ( 护淼( 志) 9 ( z 4 ) 对不同情况的能见度，q 取自于k r u s e 等给出的经验常数值。当大气能见度好时， 气象学距离大于8 0 k m ，则q 为1 6 ，中等能见度大气q 取1 3 ，对浓厚的雾能见度很差 小于6 k m 可取q = o 5 8 5 v m “3 某个波长的透过率t ( a ) 和气象学距离的关系为 m 闽p _ 詈c 耕 沼s ， 透明度f 和能见度的关系为 l n r = - 3 9 1 2 ( 2 - 6 ) 一般情况透明度和能见度的关系如表2 - 1 所示， 表2 1 透明度和能见度的关系 率。 透明度和透过率的关系： 。r = 去弘以 协， 式中，五、五为可见光区域两端波长，丁( 在此为可见光区域l k m 大气光谱透过 2 2 2 求解气溶胶粒子消光系数的距离分布 当斜程或垂直方向发射激光时，利用f e r n a l d 方法可以得到气溶胶消光系数随距 离分布，然后可以得到斜程能见度和透过率。该方法已被广泛使用。气溶胶消光系数 q 。( z ) 的计算公式为： ( a ) 后向积分式： 删一妻喇 x ( z i c x p f2 ( s 。s2 一1 ) 卜：( z ) d z 】 ：i i i ：j ； ；+ z j xc z ，e x 一【：c s t s ：一，? n ：c z ，a z 】a z ( 2 8 ) ( b ) 前向积分式： a l ( z ) _ - a ：( z ) + z c x ( z ) e x p - 2 ( s 。s ：- 1 ) f a ：( z ) d z 币音滁矗面s ：x ( z 榔l s ：叫，弘：圳a z ( 2 9 ) 上式中，x ( z ) 为距离平方校正后的大气回波信号，分子数据可由大气模式和探 空数据给出。 z 。为参考高度，并假设已知参考高度处的气溶胶消光系数( 边界值) ，用来归一化 雷达系统常数。 2 2 3 气溶胶消光系数的探测 利用激光雷达可探测气溶胶的光学参数，后向散射系数和消光系数口。这两个参 数都有重要应用价值，其中气溶胶的消光系数与大气的光学厚度、透射系数以及大气 的能见度直接相关，而气溶胶的散射系数则与气溶胶的密度相关。在定条件下，根 据这些光学参量还可导出其它一些物理参量。 从( 2 - 2 ) 式的简化激光雷达方程可以看出，b 和a 都包含在同一激光雷达方程之 中。要想从一个方程中求解出两个未知数或其中之一，必须首先确定此两未知数的相 互关系，如它们的比值( 称为激光雷达比) 。如前文所述，在m i e 散射激光雷达方 程中，包含气溶胶的散射系数屈和大气分子的散射系数成，口中包含气溶胶的消光系 数口。和大气分子的消光系数甜。对于大气分子，其激光雷达比可由理论计算得到，即 9 口。成= 87 3 。而气溶胶的激光雷达比则与诸多因素有关，如折射率、尺寸、形态 和组成等。实验表明，即使是对于相同折射率和相同尺寸分布的气溶胶，由于非球形 粒子的表面波效应，其实测成瑾。也较m i e 散射理论计算要小几十倍。实际气溶胶粒 子的尺寸、形状和组成的分布以及折射率参数的差异很大，使得相应的气溶胶激光雷 达比的确定很困难。 在气溶胶散射很强且分布均匀的情况下，求解激光雷达方程的简单方法，称为斜 率法( c o l l i s ，1 9 9 6 ) 3 1 | o 令 s ( r ) = i n r 2 p ( r ) 】 ( 2 1 0 ) 式中p ( r ) 为高度r 处的激光雷达回波功率，s ( r ) 称为高度修正后的对数回波功率。 由激光雷达方程，有 s s 。= 1 n 导一2f a d r ( 2 一1 1 ) p o 式中s = s ( r ) ，s 。= s ( r 0 ) ，r o 为参考高度。和口分别为气溶胶的散射系数和 消光系数，其中0 _ 卢( r o ) 。上式的微分形式为 坐：土望一2 口 d r d r ( 2 1 2 ) 显然，在已知比值口的d d r = 0 情况下，上式可以求解。但是，在气溶胶处 于均匀状态，其散射系数不随高度变化时，从而消光系数可以求得，为 ld s 口。一 2d r ( 2 1 3 ) 即气溶胶的消光系数为激光雷达高度修正对数回波曲线斜率之半，故称这种求解 激光雷达方程的方法为斜率法。 由于在实际大气中，云、雾、烟、尘等的分布哪怕是在最小的高度范围内也经常 呈现较大的变化，多数属于非均匀分布的情况，这就在很大程度上限制了上述斜率法 的应用。为此，人们又相继发展了许多更为适用的激光雷达方程求解方法，其中比较 成功的当数散射激光雷达数据的分析反演方法。 2 。3 粒谱分析仪工作原理 气溶胶粒谱分析仪是安徽光学精密机械研究所专门为军方研制，用于监测大气中 气溶胶粒子成分和特性的气溶胶分析仪器。重点是测量悬浮粒子的直径分布函数，分 析大气中的悬浮粒子是否有异常现象。 粒谱分析仪的工作原理是，当空气被抽入仪器后，气溶胶粒子通过仪器内部的喷 嘴加速，进入测量区。粒子一离开喷嘴，就进入两束有部分重叠的红色激光束中。这 两束激光与粒子作用，会产生一个与每个粒子飞行时间相关的双峰信号。通过两个峰 之间的信号时间计算，可得到每个气溶胶粒子的空气动力学直径，而峰的高度值可用 来计算散射光强度。散射光用雪崩光电探测器检测。 图2 1 气溶胶粒谱分析仪 目前我们通常使用的大气透过率计算软件中，气溶胶的类型基本按大气模型计算 软件给出的标准大气模型来选择( a f r l 提出的各地理位置，和气候特征大气模型) 。 因此不可避免的带来误差。为了具体计算各种光电传感器所受到的大气辐射影响，必 须了解使用区域的气溶胶粒子分布密度和气溶胶粒子半径分布情况。因为在考虑气溶 胶散射影响时，最主要的是由粒子半径分布决定的其散射不对称性，和由此引起的折 射率指数变化。由此可以进一步得到地区模型程序在内部计算中使用的不对称因子系 数、散射系数和相函数。这样就可以根据传感器响应的波段，计算出辐射在此特定波 段上的大气影响。 激光雷达测量大气消光系数，粒谱分析仪测量气溶胶的粒谱数据，通过预处理软 件计算得到用于m o d t r a n 计算中的不对称因子系数和能见度等大气模型计算所需的 输入参数。 2 4 本章小结 这章内容主要介绍了大气探测激光雷达的测量原理以及气溶胶粒谱分析仪的工 作原理。当激光在大气中传输时，气溶胶粒子和分子会产生散射和消光效应，激光雷 达通过接收和检测大气后向散射光信号，通过雷达方程，可以求解出大气水平能见度 和透过率，以及气溶胶粒子消光系数的距离分布，将得到的数据会同气象仪器测量的 气象参数，粒谱分析仪测量的气溶胶颗粒大小分布等参数自动输入到m o d t r a n 软件计 算，可以计算得到实时的各波段下大气透过率数据。 同时详细介绍了通过雷达方程求解大气水平能见度和透过率的计算过程，求解大 气气溶胶粒子消光系数距离分布的具体过程，以及如何探测大气气溶胶的消光系数。 第三章大气透过率测试系统概述 大气光谱透过率测试系统，主要由m i e 散射激光雷达( 单波长半导体泵浦全固化 激光器1 0 6 4n m ) 、气溶胶光学粒谱分析仪、通用大气辐射传输汉化 a o d t r a n ( 3 ，7 版本) 软件、基于测量地气溶胶模型的大气辐射传输软件、大气气溶胶模型和地面参数气象 站等组成。 把气象仪器测量的气象参数，激光雷达测量的气溶胶距离分辨的垂直分布，粒谱 分析仪测量的气溶胶颗粒大小分布等参数自动输入到m o d t r a n 软件计算，可以计算得 到实时的各波段下大气透过率数据。 大气光谱透过率测试系统的结构如图3 1 所示： 图3 1 大气光谱透过率测试系统结构图 图3 2 大气透过率测试系统框图 3 1 激光雷达及其工作参数 3 1 。1 激光雷达的组成 激光雷达使用类似无线电雷达原理，测量发射激光的回波，用来计算确定大气粒 子对光散射的作用。 卡塞格林望远镜 图3 3 檄光雷达框图 本系统采用单波长激光雷达系统，工作波长为1 0 6 4 n m ，提供1 0 6 4 n m 激光波长下的 气溶胶分布数据。接收系统口径2 6 0 m m ，可自动控制测量天顶角。系统由激光发射系统、 光学接收系统、信号检测系统和计算机等部分组成。 1 激光发射系统 激光发射系统包含脉冲激光器、激光电源、光束准直器和光束发射器三个部分。 脉冲激光器采用半导体二极管泵浦固体激光器代替传统的泵浦光源，使这类激光器变 成所谓全固体化激光器，和原来的泵浦激励相比，半导体二极管激励具有更高的转换 效率，更高的脉冲重复频率，更小的体积和更高的可靠性。因此特别适用于本系统小 型化和移动式的激光雷达。 2 光学接收系统 光学接收系统由接收望远镜、窄带滤光器、光电探测器等组成。接收望远镜用于 接收激光雷达回波信号，在大气探测激光雷达中，多采用牛顿反射式和卡塞格林反射 式两种接收望远镜，其中牛顿式反射望远镜由球面主镜和平面转折镜构成，而卡塞格 林式反射望远镜则由抛物面主镜和双曲面附镜构成。不管哪种形式，作为激光雷达的 接收望远镜，在其焦平面上均需设置一小孔光栏，以控制其接收视场。本系统采用卡 塞格林式反射望远镜。且整个系统采用收发共用方式，所以卡塞格林式反射望远镜同 时作为光束发射器。 反射式望远镜的所有镜面均由光学玻璃磨制而成。一般在其光学面上镀以金属铝 膜，以获得自紫外到红外的宽光谱范围内高的反射率。为保护反射膜层和增强其紫外 透射性能，经常还需在其上再镀上一层s i o ：或 l g f ：膜。反射式望远镜的主要优点是可 做成较大直径( 通常在1 m 左右，个别可达几米) ，有利于提高激光雷达的探测能力。 此外，反射式望远镜的象差也较小。反射式望远镜的直径焦距比，即d f 通常在l 3 1 5 范围。由于主镜直径较大，为保证强度，其厚度直径比需在l 7 1 1 0 范围。 光电探测器采用雪崩光电二极管，雪崩光电二极管利用高偏置下光致载流子的雪 崩式级联放大而获得很高的增益。因此，它像光电倍增管一样，是一种高增益、低噪 声的光电探测器件。与光电倍增管相比，雪崩二极管具有更高的量子效率，以及结构 简单，使用方便等优点，很适合在激光雷达中应用。雪崩二极管的主要缺点是其光敏 面积尚偏小，给使用中探测光路的调整带来一些不便。 3 信号检测系统 信号检测系统的作用是将经过光电转换后的电信号进行一系列的放大、采样和累 加平均处理，使之成为一种反映回波信号强度随探测高度( 或距离) 而变化的激光雷 达回波，并用适当的方式将其显示出来。大气探测激光雷达的信号检测系统通常由放 大器、显示器、信号采样平均器和微机等组成，其核心是信号采样平均器。 ( 1 ) 放大器 放大器的作用是将来自光电探测器的微弱回波电信号放大到一定的幅度，以适应 信号采样平均器的工作要求，通常称为前置放大器。由于激光雷达的回波都是快速变 化的信号，因此，用于激光雷达的前置放大器除要求具有一定的增益( 通常为1 0 1 0 0 倍) 外，对其带宽也有一定要求( 如在i o o m h z 以上) 。此外，像所有信号处理系统的 前置放大器一样，对其噪声特性有较高的要求。为了迸一步降低激光雷达系统的引入 噪声，通常要求将前置放大器尽量靠近光电探测器安装，使两者之间的连接电缆尽可 能的短。待回波信号经前置放大器放大到一定水平后，则可用较长电缆将反馈送到检 测系统的其它仪器。 本系统激光雷达的前置放大器都为固定增益式。在有些激光雷达中，为了扩大探 测的动态范围，要求使用变增益的前置放大器。对数放大器是其中最常用的一种。对 数放大器可按信号的大小自动调整其放大量，使大信号受到较少的放大，而小信号则 受到较多的放大，最后使输出信号具有输入信号的对数形式，从而压缩了实际处理信 号的动态范围。另一种变增益前置放大器是开关增益放大器，即其增益可自动换挡。 每当输入信号降低到一定程度后，放大器将其增益自动提升一挡，从而实现了分级式 的信号动态范围压缩。 ( 2 ) 显示器 显示器用于按强度一时问的形式来实时显示激光雷达回波信号。显示器通常由一 台高频( 带宽i o o m h z 以上) 示波器担任，直接显示来自前置放大器的激光雷达回波。 由于从显示器上可以清楚地看出激光雷达回波的特征和变化，因此对监视激光雷达的 工作状态和指导激光雷达的整机调整都非常有用。 ( 3 ) 信号采样平均器 4 采样平均器用来对前置放大器输出的回波电信号进行采样和记录，并对在一段时 间内所获得的回波信号进行累加平均。按照被处理回波电信号强度的不同，激光雷达 所用的采样平均器有两种：模拟采样平均器和光子计数采样平均器。本系统为低空探 测激光雷达，由于探测的高度不高，因此所获得回波电信号较强，表现为具有一定幅 度的电压或电流随时间的变化，称为模拟信号。对这种信号的检测，可用较为简单的 模拟采样平均器来进行。 模拟采样平均器的主要部分为a o 转换器，将来自前置放大器的回波电信号经采 样、量化处理后存储下来。a d 转换器的位数决定对回波信号量化的精度。如8 位的 a o 转换器，只能将满度输入信号分2 5 6 个级别进行量化。设满度值为l v ，则其量化 精度约为2 m v 。而1 2 位的a d 转换器则有4 0 9 6 个量化级，在1 v 满度下，量化精度将 达约2 5 0 , v 。a d 转换器的采样时间( 或采样频率) 决定了对回波信号采样的高度分 辨率。如1 m h z 的a d 转换器，其最小采样时间为l ，所得回波信号的高度分辨率约 为1 5 0 m 。在低空探测激光雷达中，通常采用采样频率为1 0 m h z 以上的a d 转换器，以 保证激光雷达较高的低空探测分辨率。 用于激光雷达的采样平均器与普通a d 转换器所不同的是，它还必须具有触发采 样和信号累加两种功能。激光雷达工作时，其