用于被動(dòng)測(cè)距的氧氣A帶大氣吸收仿真計(jì)算

魏合理， 戴聰明， 武鵬飛， 唐超禮

(1.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境光學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230031)

用于被動(dòng)測(cè)距的氧氣A帶大氣吸收仿真計(jì)算

魏合理1，2， 戴聰明1， 武鵬飛1， 唐超禮1

(1.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境光學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230031)

氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距的關(guān)鍵是氧氣吸收的準(zhǔn)確計(jì)算.采用通用輻射大氣傳輸計(jì)算軟件(CART)模擬計(jì)算了不同光譜分辨率的氧氣A帶的吸收.結(jié)果表明：氧氣A帶的峰值吸收隨路徑單調(diào)增加到一飽和值，光譜分辨率越低，達(dá)到飽和的距離越遠(yuǎn)；光譜分辨率越高達(dá)到飽和的距離越近.對(duì)于斜程地對(duì)空測(cè)距，天頂角越小飽和距離越近，天頂角越大飽和距離越遠(yuǎn).氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距更適合于空對(duì)地目標(biāo)的測(cè)距.在氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距的實(shí)際應(yīng)用中需考慮光譜分辨率和天頂角的影響.

氧氣A帶；吸收；被動(dòng)測(cè)距；光譜分辨率

引 言

被動(dòng)測(cè)距技術(shù)是一種基于目標(biāo)本身的輻射特性和大氣中氣體分子吸收光譜特征的測(cè)距方法，在某些工程中有重要的應(yīng)用.目前可采用的大氣吸收帶有二氧化碳吸收帶和氧氣A帶等[1,2].因?yàn)檫@些氣體的相對(duì)含量隨路徑變化很小，目標(biāo)輻射通過大氣被這些氣體吸收，吸收大小僅隨路徑距離變化，因此，測(cè)量出目標(biāo)輻射的吸收即可用來確定目標(biāo)的距離.位于可見光邊緣到近紅外760 nm波段的氧氣A 吸收帶的大氣遙感和測(cè)距自20 世紀(jì)60 年代就引起了研究人員的關(guān)注[1].它首先成功地用于在衛(wèi)星或飛機(jī)平臺(tái)上測(cè)量云高.氧氣A 帶因其獨(dú)特的光譜分布、且不受其它吸收氣體干擾，近年來在遙感方面有重要的應(yīng)用，可用來反演云頂高度、云光學(xué)厚度、地表氣壓、大氣壓力廓線、高層大氣溫度廓線、氣溶膠廓線等[3].

氧氣吸收的計(jì)算是利用氧氣A吸收帶進(jìn)行被動(dòng)測(cè)距技術(shù)的核心.已有很多研究者研究了氧氣A帶的吸收的計(jì)算[4-6].本文首先介紹了氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距的原理，然后利用我們研制的通用輻射大氣傳輸計(jì)算軟件(CART)[7]計(jì)算了不同光譜分辨率氧氣A帶的吸收隨路徑的變化，并計(jì)算了不同天頂角下氧氣的吸收.研究氧氣A帶的吸收在被動(dòng)測(cè)距時(shí)受光譜分辨率和觀測(cè)天頂角的影響.

1 氧氣A帶吸收被動(dòng)測(cè)距的原理

來自目標(biāo)的輻射經(jīng)過大氣傳輸之后，被探測(cè)器接收，得到被大氣吸收后的光譜.目標(biāo)本身的輻射在氧氣A帶波段可以近似地當(dāng)作灰體輻射，輻射隨波長(zhǎng)緩慢地變化.目標(biāo)的輻射到達(dá)傳感器后的波長(zhǎng)分布主要受隨波長(zhǎng)迅速變化的大氣分子吸收的影響.圖1是用通用輻射大氣傳輸計(jì)算軟件CART[7]計(jì)算的在氧氣A帶760nm波段附近所有成分的大氣光譜透過率及氧氣的光譜透過率.CART是我們研制的用來計(jì)算大氣透過率和背景輻射的計(jì)算軟件，其算法、計(jì)算精度驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[7]及其所引用的文獻(xiàn).我們計(jì)算時(shí)假定在海平面水平傳輸5km，地面能見度23km，鄉(xiāng)村型氣溶膠模式，采用合肥地區(qū)大氣平均模式.圖2是除氧氣外所有其它大氣成分的透過率，主要包括大氣氣溶膠消光(Aero-extinction)、分子散射(Rayleigh-Scat)及其它大氣成分(Others)的衰減.其它大氣成分(如水汽分子吸收)在海平面水平5km的距離上在該波段產(chǎn)生不到0.1%的吸收.從圖1和2中可以看出，在氧氣A帶760nm波段，大氣衰減主要由大氣中氧氣分子吸收、分子散射和氣溶膠消光決定，其它大氣成分在這個(gè)波段的影響很小，并且分子散射和氣溶膠消光隨波長(zhǎng)平緩地變化.

探測(cè)設(shè)備接收到目標(biāo)的光譜信號(hào)可表示為：

V(λ)=I0·R·Tot·Tms·Taer·TO2(λ)

(1)

式中TO2為氧氣吸收的透過率，I0為目標(biāo)的光譜輻射，R為儀器光譜響應(yīng)度；Tot、Tns、Taer分別為其它成分、大氣分子散射、氣溶膠消光的透過率.除了氧氣吸收外，其它的部分在氧氣吸收的20nm波段范圍內(nèi)隨波長(zhǎng)變化不大或隨波長(zhǎng)線性變化(因其隨波長(zhǎng)變化慢，式中沒有標(biāo)注波長(zhǎng)變量?)，因此，采用氧氣A帶兩端如755nm和759nm波段附近的大氣透過率連線作為基線(圖1中的基線Baseline)，按線性插值得到其波長(zhǎng)處的基線值，基線信號(hào)：

Vb0(λ)=I0·Tot·R·Tms·Taer

(2)

各個(gè)波長(zhǎng)處信號(hào)與基線信號(hào)的比值即為氧氣的光譜吸收透過率：

(3)

這樣，測(cè)量來自目標(biāo)在氧氣A帶的光譜輻射，通過上述的基線扣除后就可得到氧氣的光譜吸收.因此，若假定目標(biāo)的發(fā)射為灰體，利用扣除基線后氧氣A帶的吸收隨距離的變化關(guān)系就可以用于目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)距.氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距的核心就是計(jì)算氧氣吸收隨路徑的變化.

2 水平路徑不同光譜分辨率氧氣A帶吸收

氧氣A帶的吸收被廣泛地用于被動(dòng)測(cè)距，因?yàn)檠鯕庠诖髿庵械暮烤鶆蚍植?，在給定仰角的情況下，氧氣的吸收僅隨路徑距離單值變化.但是，不同的光學(xué)設(shè)備具有不同的光譜分辨率，測(cè)量得到的氧氣在各個(gè)波長(zhǎng)上的吸收的透過率是氧氣在一個(gè)光譜間隔Δλ內(nèi)的平均值，即：

(4)

我們模擬計(jì)算了不同光譜分辨率Δλ下氧氣的吸收，研究?jī)x器光譜分辨率對(duì)氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距的影響.圖3是水平傳輸5km距離上不同光譜分辨率氧氣A帶的光譜吸收.定義不同光譜分辨率下氧氣的吸收為：

(5)

CART本身的光譜分辨率為1cm-1，在氧氣A帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分辨率約為0.06nm，我們按矩形函數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平滑，得到光譜分辨率分別為0.4nm，2nm和10nm的氧氣A帶的計(jì)算結(jié)果，分別見圖3.由此可見，計(jì)算得到的不同光譜分辨率下的氧氣吸收大不一樣，主要表現(xiàn)在基線隨光譜分辨率的降低變寬，峰值吸收隨光譜分辨率的降低變小，吸收結(jié)構(gòu)隨光譜分辨率的降低變得平滑.因此，對(duì)于特定光譜分辨率的儀器，在利用氧氣A帶峰值吸收與基線的比值的被動(dòng)測(cè)距時(shí)，光譜分辨率是一個(gè)必須考慮的參量.

圖4是不同光譜分辨率下氧氣A帶的峰值吸收隨水平傳輸距離的變化.“峰值”是指吸收最大波長(zhǎng)位置的值.從中可以看出，各種分辨率下氧氣峰值吸收都隨距離單調(diào)地增大，這正是氧氣A帶用于測(cè)距的原理所在.氧氣A帶的峰值吸收隨路徑單調(diào)增加到一飽和值(飽和定義為吸收接近1、透過率接近0的狀態(tài))，光譜分辨率越低，達(dá)到飽和的距離越遠(yuǎn)；光譜分辨率越高達(dá)到飽和的距離越近.對(duì)于2nm光譜分辨率，氧氣吸收的水平飽和距離可達(dá)20km.此處計(jì)算用的是峰值吸收，若采用非峰值吸收光譜，達(dá)到飽和的距離會(huì)更遠(yuǎn).圖5是按1cm-1光譜分辨率計(jì)算的水平傳輸1km，10km，和30km距離上氧氣A帶的光譜吸收.可以看出，氧氣A帶不同波長(zhǎng)吸收差別很大，在1km距離上，用1cm-1的光譜分辨率，峰值吸收還沒有飽和；但在10km以上的距離上，很多波長(zhǎng)上的吸收都達(dá)到了飽和，這就是圖4中0.06nm(1cm-1)分辨率時(shí)飽和距離約4km的原因.當(dāng)水平傳輸距離達(dá)到30km時(shí)，大多數(shù)氧氣吸收帶的峰值都達(dá)到了飽和.

另外，由于不同波長(zhǎng)上，氧氣吸收差別很大，這為測(cè)距提供了大的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于不同的測(cè)距范圍要求，可選擇不同的波段.遠(yuǎn)距離測(cè)距選擇弱吸收波段，近距離測(cè)距選擇強(qiáng)吸收波段.但光譜分辨率限制了強(qiáng)弱吸收波長(zhǎng)的選擇和動(dòng)態(tài)范圍.若需要大的動(dòng)態(tài)范圍，則需要提高儀器的光譜分辨率.

圖6計(jì)算了不同光譜分辨率氧氣A帶平均總吸收隨距離的變化關(guān)系.氧氣A帶平均總吸收定義為吸收按波長(zhǎng)積分，得到這個(gè)波段的吸收之和.可以看出，平均總吸收隨距離單調(diào)增加，與光譜分辨率幾乎無(wú)關(guān).這是因?yàn)槿鐖D3氧氣A帶的吸收光譜中，不同光譜分辨率可以分辨出吸收光譜細(xì)節(jié)，但總吸收(即圖3中各曲線的面積積分)都一樣，所以氧氣A帶的平均總吸收與分辨率無(wú)關(guān).這表明整個(gè)氧氣A帶的總的吸收(而不是不同波長(zhǎng)的A帶吸收)僅與傳輸路徑有關(guān)，而與分辨率無(wú)關(guān).

3 斜程路徑氧氣A帶吸收的模擬計(jì)算

3.1 地對(duì)空觀測(cè)模擬

對(duì)于斜程情況，地對(duì)空被動(dòng)測(cè)距時(shí)，由于大氣中氧氣密度隨高度指數(shù)遞減，因此，天頂方向氧氣A帶的吸收隨距離的增加將越來越慢，低仰角下氧氣A帶吸收隨距離增加較快.圖7計(jì)算了地對(duì)空觀測(cè)不同天頂角下氧氣A帶平均總吸收隨斜程距離的變化，其中天頂角90°表示水平觀測(cè).從中可以看出，如前所述，在不同天頂角下氧氣平均總吸收隨距離單調(diào)增加，但是，在天頂方向(天頂角0°)，從海平面垂直向上傳輸?shù)酱蠹s8km斜程路徑以后，氧氣吸收隨路徑增加很少，達(dá)到一漸進(jìn)值，我們也稱之為飽和.而在大天頂角(低仰角)下，飽和距離可以達(dá)到40km以上.因此，用氧氣A帶進(jìn)行地對(duì)空觀測(cè)時(shí)，垂直方向難以達(dá)到10km以外的距離，對(duì)于低仰角可以遙測(cè)較遠(yuǎn)的距離.這些結(jié)果對(duì)于工程設(shè)計(jì)可能具有一定的參考價(jià)值.

3.2 空對(duì)地觀測(cè)模擬

圖8模擬計(jì)算了空對(duì)地觀測(cè)不同天頂角下氧氣A帶平均總吸收隨斜程距離的變化.模擬中假定從機(jī)載20km高度往下觀測(cè)，天頂角180°表示垂直向下觀測(cè).從中可以看出，在不同天頂角下氧氣平均總吸收隨斜程距離單調(diào)迅速增加，這是因?yàn)榭諏?duì)地觀測(cè)隨著距離增大(高度降低)氧氣密度迅速增大，吸收也迅速增大.在天頂角為100°時(shí)，傳輸?shù)?00km距離時(shí)還沒有飽和；相同斜程距離處天頂角越大氧氣吸收越大.圖7和8的計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于空對(duì)地的下行傳輸，氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距動(dòng)態(tài)范圍大，靈敏度高，越偏離天頂方向更具優(yōu)勢(shì)，這說明氧氣A帶測(cè)距更適用于機(jī)載或星載向下的目標(biāo)測(cè)距.

3.3 衛(wèi)星觀測(cè)云高觀測(cè)模擬

本節(jié)模擬計(jì)算從大氣頂?shù)皆祈敻叨妊鯕獾奈?，探討氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距用于云頂高度的測(cè)量，結(jié)果見圖9.云頂高度涵蓋從低層水云的幾百米高度到高層卷云的對(duì)流層頂高度(十幾公里).從圖9中可以看出在同一天頂角下觀測(cè)，氧氣A帶吸收隨著云頂高度的降低單調(diào)增大，并且隨著偏離天頂方向氧氣吸收增大，因?yàn)榇藭r(shí)斜程距離增大，累計(jì)吸收增大.這一特性已被用來從衛(wèi)星上遙測(cè)云頂?shù)母叨萚8]，對(duì)應(yīng)不同天頂角，建立一個(gè)氧氣A帶吸收與云高的二維查找表就可以方便地利用氧氣A帶的吸收來遙測(cè)云頂高度.

4 小結(jié)

在用氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距時(shí)，觀測(cè)設(shè)備的光譜分辨率是必須考慮的一個(gè)參數(shù).本文的計(jì)算表明：氧氣A帶的峰值吸收隨路徑單調(diào)增加到一飽和值，光譜分辨率越低，達(dá)到飽和的距離越遠(yuǎn)；光譜分辨率越高達(dá)到飽和的距離越近.觀測(cè)距離和動(dòng)態(tài)范圍都與設(shè)備的光譜分辨率有關(guān).對(duì)于斜程觀測(cè)，天頂角影響地對(duì)空被動(dòng)測(cè)距的飽和距離；計(jì)算結(jié)果顯示氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距更適合于空間向下目標(biāo)的測(cè)距.在氧氣A帶被動(dòng)測(cè)距的實(shí)際應(yīng)用中需考慮光譜分辨率和天頂角的影響.

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The Calculation of the Atmospheric Absorption of Oxygen A Band for Passive Ranging

WEI He-li1,2, DAI Cong-ming1, WU Pong-fei1, TANG Chao-li1

(1. Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China；2. School of Environmental Optics, USTC, Hefei 230031, China)

The key of passive ranging using oxygen A band is the calculation of the absorption of oxygen. The absorption of oxygen A band with various spectral resolution were computed using the Combined Atmospheric Radiation Transfer (CART) software. The results showed that the peak absorption of oxygen A band increases monotonically with distance to a saturated value. The lower the spectral resolution, the farther the saturated distance; The higher the spectral resolution,the closer the saturated distance. For the slant path, the smaller the zenith angle smaller is, the saturation distance closer, the larger the zenith angle is, the saturated distance farther. The passive ranging using oxygen A band is more suitable for air-to-ground targets. The effects of spectral resolution and the zenith angle to the practical application of passive ranging in oxygen A band should be considered.

oxygen A band; absorption; passive ranging; spectral resolution

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.05.001

2015-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61077081)；國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目.

魏合理(1965-)，男，安徽寧國(guó)人，研究員，博士生導(dǎo)師，安徽師范大學(xué)物理系1984級(jí)校友.

魏合理，戴聰明，武鵬飛，唐超禮.用于被動(dòng)測(cè)距的氧氣A帶大氣吸收仿真計(jì)算[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，38(5)：409-413.

P422.3，P225.2

A

1001-2443(2015)05-0409-05