魏合理， 戴聰明， 武鵬飛， 唐超禮

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國科學(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)

用于被動測距的氧氣A帶大氣吸收仿真計算

魏合理1，2， 戴聰明1， 武鵬飛1， 唐超禮1

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國科學(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帶被動測距的關(guān)鍵是氧氣吸收的準(zhǔn)確計算.采用通用輻射大氣傳輸計算軟件(CART)模擬計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.對于斜程地對空測距，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帶被動測距更適合于空對地目標(biāo)的測距.在氧氣A帶被動測距的實(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；被動測距；光譜分辨率

引 言

被動測距技術(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)平臺上測量云高.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].

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

1 氧氣A帶吸收被動測距的原理

來自目標(biāo)的輻射經(jīng)過大氣傳輸之后，被探測器接收，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，輻射隨波長緩慢地變化.目標(biāo)的輻射到達(dá)傳感器后的波長分布主要受隨波長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算軟件CART[7]計算的在氧氣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算大氣透過率和背景輻射的計算軟件，其算法、計算精度驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[7]及其所引用的文獻(xiàn).我們計算時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波段的影響很小，并且分子散射和氣溶膠消光隨波長平緩地變化.

探測設(shè)備接收到目標(biāo)的光譜信號可表示為：

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)隨波長變化不大或隨波長線性變化(因其隨波長變化慢，式中沒有標(biāo)注波長變量?)，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處的基線值，基線信號：

Vb0(λ)=I0·Tot·R·Tms·Taer

(2)

各個波長處信號與基線信號的比值即為氧氣的光譜吸收透過率：

(3)

這樣，測量來自目標(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)的被動測距.氧氣A帶被動測距的核心就是計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測距，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，測量得到的氧氣在各個波長上的吸收的透過率是氧氣在一個光譜間隔Δλ內(nèi)的平均值，即：

(4)

我們模擬計算了不同光譜分辨率Δλ下氧氣的吸收，研究儀器光譜分辨率對氧氣A帶被動測距的影響.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帶對應(yīng)的波長分辨率約為0.06nm，我們按矩形函數(shù)對計算結(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帶的計算結(jié)果，分別見圖3.由此可見，計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測距時，光譜分辨率是一個必須考慮的參量.

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)到飽和的距離會更遠(yuǎn).圖5是按1cm-1光譜分辨率計算的水平傳輸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)分辨率時飽和距離約4km的原因.當(dāng)水平傳輸距離達(dá)到30km時，大多數(shù)氧氣吸收帶的峰值都達(dá)到了飽和.

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

圖6計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積分，得到這個波段的吸收之和.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關(guān).這表明整個氧氣A帶的總的吸收(而不是不同波長的A帶吸收)僅與傳輸路徑有關(guān)，而與分辨率無關(guān).

3 斜程路徑氧氣A帶吸收的模擬計算

3.1 地對空觀測模擬

對于斜程情況，地對空被動測距時，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計算了地對空觀測不同天頂角下氧氣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.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)行地對空觀測時，垂直方向難以達(dá)到10km以外的距離，對于低仰角可以遙測較遠(yuǎn)的距離.這些結(jié)果對于工程設(shè)計可能具有一定的參考價值.

3.2 空對地觀測模擬

圖8模擬計算了空對地觀測不同天頂角下氧氣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，天頂角180°表示垂直向下觀測.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Φ赜^測隨著距離增大(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，傳輸?shù)?00km距離時還沒有飽和；相同斜程距離處天頂角越大氧氣吸收越大.圖7和8的計算結(jié)果表明：對于空對地的下行傳輸，氧氣A帶被動測距動態(tài)范圍大，靈敏度高，越偏離天頂方向更具優(yōu)勢，這說明氧氣A帶測距更適用于機(jī)載或星載向下的目標(biāo)測距.

3.3 衛(wèi)星觀測云高觀測模擬

本節(jié)模擬計算從大氣頂?shù)皆祈敻叨妊鯕獾奈眨接懷鯕釧帶被動測距用于云頂高度的測量，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，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斜程距離增大，累計吸收增大.這一特性已被用來從衛(wèi)星上遙測云頂?shù)母叨萚8]，對應(yīng)不同天頂角，建立一個氧氣A帶吸收與云高的二維查找表就可以方便地利用氧氣A帶的吸收來遙測云頂高度.

4 小結(jié)

在用氧氣A帶被動測距時，觀測設(shè)備的光譜分辨率是必須考慮的一個參數(shù).本文的計算表明：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.觀測距離和動態(tài)范圍都與設(shè)備的光譜分辨率有關(guān).對于斜程觀測，天頂角影響地對空被動測距的飽和距離；計算結(jié)果顯示氧氣A帶被動測距更適合于空間向下目標(biāo)的測距.在氧氣A帶被動測距的實(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

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

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

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

P422.3，P225.2

A

1001-2443(2015)05-0409-05