CN103033491A - 多波段光辐射大气透过率实验室测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，包括以下步骤：由辐射光源装置产生辐射光；将辐射光转化为平行的正弦辐射光；将正弦辐射光由模拟大气柱传输衰减装置前方射入，后方射出；所述模拟大气柱传输衰减装置包括一个充有至少一种待测压缩气体的密封罐，密封罐前、后方均设有光学窗口；所述待测压缩气体为压缩到的密封罐内的，截面积与密封罐相同的一定长度范围内的大气中的某种气体；对经过模拟大气柱传输衰减装置衰减的正弦辐射光进行数据采集和分析处理。本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，可在实验室环境下通过压缩空气柱来模拟实现紫外、可见以及红外光辐射在大气传输中的衰减系数的测试，并且简便易行。

Description

多波段光辐射大气透过率实验室测试方法

技术领域

本发明涉及一种多波段光辐射测试方法，特别是一种在实验室环境下可以进行模拟的，多波段光辐射大气透过率实验室测试方法。

背景技术

近年来，目标辐射测量已成为国内外一个重要的研究方向，目标辐射测量是获取目标特征、对目标进行识别的重要手段，目前的目标辐射研究方法主要有仿真计算和辐射试验测量两种手段。仿真计算由于不受试验场地条件和成本限制而得到广泛应用，但无法验证其准确性和有效性，只能作为一种辅助手段；而辐射试验测量是获取目标真实辐射特性的直接手段，大气透过率是限制目标辐射测量精度的重要因素，然而直接的外场试验测量大气透过率存在诸多限制，如试验装置、试验条件的复杂等，为此本发明提出了一种在实验室环境下就可以简便地模拟大气透过率的测试方法。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种在实验室环境下就可以简便地模拟大气透过率的，基于压缩空气柱的，多波段光辐射大气透过率的测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，包括以下步骤：

步骤i：由辐射光源装置产生辐射光；

步骤ii：将辐射光转化为平行的正弦辐射光；

步骤iii：将正弦辐射光由模拟大气柱传输衰减装置前方射入，后方射出；所述模拟大气柱传输衰减装置包括一个充有至少一种待测压缩气体的密封罐，密封罐前、后方均设有光学窗口； 所述待测压缩气体为压缩到的密封罐内的，截面积与密封罐相同的一定长度范围内的大气中的某种气体；

步骤iv：对经过模拟大气柱传输衰减装置衰减的正弦辐射光进行数据采集和分析处理。

上述技术方案中，步骤ii具体为：以光阑、平行光产生装置和光学调制装置，将辐射光转化为平行的正弦辐射光。

上述技术方案中，步骤iv具体为：

以多波段光谱辐射计将经过所述模拟大气柱传输衰减装置衰减后的辐射光转化为电信号；

以锁相放大器将所述多波段光谱辐射计输出的电信号放大；

以数据采集装置对经过放大处理的电信号进行采集。

上述技术方案中，所述密封罐由前至后设有多个分隔的内部密封罐，多个内部密封罐之间两端均设有可以让正弦辐射光透过的光学窗口；每个内部密封罐中分别充有一种待测压缩气体。

上述技术方案中，每个内部密封罐中充有：二氧化碳、水蒸汽、臭氧或者气溶胶粒子。

上述技术方案中，每个内部密封罐中充有：可以吸收或散射辐射光的液体。

上述技术方案中，所述密封罐前、后的光学窗口分别为短波、中波或长波红外窗口。

上述技术方案中，所述密封罐的长度为：1-5米。

上述技术方案中，所述步骤iv具体包括：

记录模拟大气柱传输衰减装置内充满待测压缩气体的情况下探测到的，辐射光谱段能量分布；

记录模拟大气柱传输衰减装置内部为真空情况下，探测到的辐射光谱段能量分布；

比较之前两种情况下分别得到辐射光谱段能量分布，计算得到辐射光在某一固定谱段的大气透过率。

上述技术方案中，所述步骤iv还具体包括：

改变辐射光源装置的加热温度，使其连续发射出多个谱段的辐射光；

分别测量得到多个谱段的辐射光的大气透过率。

本发明具有如下优点：

本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法：

1、解决现有LOWTRAN、MODTRAN等商用软件缺乏精细谱段传输衰减系数的问题；

2、可以为传输衰减系数的计算提供简便的试验数据支持；

3、通过调整模拟大气柱传输衰减装置内压缩气体的成分及比例浓度，可以模拟不同环境大气的辐射透过率；

4、具有通用性，可以模拟测试紫外、可见以及红外光的大气透过率。

本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，可在实验室环境下通过压缩空气柱来模拟实现紫外、可见以及红外光辐射在大气传输中的衰减系数的测试，并且简便易行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例的流程示意图；

图2是本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例中模拟大气柱传输衰减装置的结构示意图；

图3是本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例中模拟大气柱传输衰减装置的另一种结构示意图；

图4是本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例中多波段光谱辐射计的结构示意图。

图中标号名称为：

1-辐射光源装置，2-光阑，3平行光产生装置，4-光学调制装置，5-模拟大气柱传输衰减装置，6-多波段光谱辐射计，7-锁相放大器，8-信号发生器控制装置，9-数据采集装置，10-前光学窗口，11-光学窗口，12-后光学窗口，13-压缩气体柱，14-压缩气体柱，15-光学镜头，16-单色仪，17-探测器。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，主要原理是将一定长度范围内大气视为同等密度、同等比例成份的气体，并忽略大气折射等影响。大气的传输衰减主要是由于大气成分中水蒸汽(H₂O)、二氧化碳(CO₂)和臭氧(O₃)的强烈辐射吸收以及气溶胶粒子的散射所造成，其中水蒸汽较强的吸收带中心位于0.94μm、1.1μm、1.38μm、2.7μm，主要影响近红外区的吸收，二氧化碳的主要吸收带中心位于2.7μm、4.3μm、10μm、14.7μm，主要影响大气的中、远红外辐射透射比，臭氧的吸收主要影响大气的紫外辐射透射比，辐射光在可见光波段(0.38μm - 0.77μm)的衰减主要是由于气溶胶粒子散射造成，因此采用等比例折算的方法，可以将一定长度范围内大气折算到长度为L（实验室允许长度）的密封罐内；也就是说，是将大气中的某种气体，例如二氧化碳气体，按照其在空气中的比例，计算出截面积与与密封罐相同的一定长度范围内的该某种气体的总体积，然后进行压缩后密封在长度为L的密封罐内。再通过对比辐射光经过等比例折算后的大气传输前后的能量在各谱段上的分布情况，最后经过归一化处理就可以得到各谱段的传输衰减系数。

本发明多波段光辐射大气透过率实验室测试系统，通过辐射光源装置模拟产生多波段的辐射光，并将辐射光经过光阑、平行光产生装置、光学调制装置处理后，将辐射光转化为平行的正弦辐射光，模拟实际环境中远处照射来的辐射光，入射辐射光束照射到充满等比例压缩气体的密封罐装置，密封罐装置前、后方均设有光学窗口，辐射光经前光学窗口、充满的等比例压缩气体、后光学窗口后，经过压缩水蒸汽和/或二氧化碳气体和/或臭氧气体的吸收或气溶胶粒子的散射，辐射光减弱，模拟了辐射光在大气传输中的衰减，经多波段光谱辐射计，探测器可以交替得到“所需的辐射源信号加外界噪声信号”和“外界噪声信号”，信号再由锁相放大器放大，把微弱的“所需的辐射源信号”从噪声信号起伏中检测出来，提高信噪比，从而实现信号采集。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

实施例1

图1、2和4显示了本发明的一种具体实施方式。图1为本发明的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例的流程示意图。如图1所示，本发明的测试系统主要包括用于产生多波段辐射光的辐射光源装置1、光阑2、平行光产生装置3、光学调制装置4、模拟大气柱传输衰减装置5、多波段光谱辐射计6、锁相放大器7、信号发生器控制装置8以及数据采集装置9。

所述用于产生多波段辐射光的辐射光源装置1在本实施例中采用腔型黑体辐射源，且在测试前需要对腔型黑体辐射源进行标定，得到其温度和发射谱段的关系。

所述光阑2位于所述辐射光源装置1的前方，由所述辐射光源装置1产生的辐射光通过所述光阑2，所述光阑2可以遮挡大部分所述辐射光源装置1的壳体等外界背景辐射光干扰。

所述平行光产生装置3位于所述光阑2的前方，在本实施例中采用反射式平行光管，用于将从所述光阑2透过的辐射光转化为平行的辐射光。由于在外场实际测量时，远处传来的辐射光都被视为是均匀的平行光，因此在本实施例中辐射光经过所述光阑2后，再通过所述平行光产生装置3对辐射光进行准直，以模拟外场实际测量时辐射光的照射环境。

所述光学调制装置4位于所述平行光产生装置3的前方，在本实施例中采用机械调制方式，用于将通过所述平行光产生装置3的平行辐射光转化为平行正弦辐射光，以便探测器17可以处理检测到的辐射光，并输出交流信号，方便后期电路处理。其中，所述光学调制装置4由所述信号发生器控制装置8提供信号激励从而工作；所述光学调制装置4还需要提供参考信号来触发所述锁相放大器7同步采样。

图2为本发明多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例中模拟大气柱传输衰减装置的结构示意图，所述模拟大气柱传输衰减装置5位于所述光学调制装置4的前方，在本实施例中采用等比例折算的方法，将一定长度范围（300 km）内大气折算到长度为L（1.5 m）的密封罐内，为压缩气体柱13。例如将大气中的二氧化碳气体，按照其在空气中的比例，计算出截面积与与密封罐相同的一定长度范围内的二氧化碳气体的总体积，然后进行压缩后密封在长度为L的密封罐内。如图2所示，所述模拟大气柱传输衰减装置5的前后两端分别设有前光学窗口10和后光学窗口12，所述前光学窗口10和所述后光学窗口12之间充满所述压缩气体柱13。其中，所述前光学窗口10和所述后光学窗口12采用中波红外窗口。本实施例中所述压缩气体柱13为等比例压缩后的二氧化碳气体和/或水蒸汽的气体柱，用以模拟300 km范围内大气传输路径，辐射光经过所述前光学窗口10、所述压缩气体柱13和所述后光学窗口12后，由于所述压缩气体柱13中的二氧化碳气体和/或水蒸汽的辐射吸收，辐射光的强度被削弱。

如图4所示，所述多波段光谱辐射计6由光学镜头15，单色仪16以及探测器17组成，位于所述模拟大气柱传输衰减装置5的后方，用于将经过所述模拟大气柱传输衰减装置5衰减后的辐射光转化为电信号，所述探测器17可以交替得到“所需的辐射源信号加外界噪声信号”和“外界噪声信号”。

所述锁相放大器9用于将所述探测器17输出的电信号放大，把微弱的“所需的辐射源信号”从噪声信号起伏中检测出来，提高信噪比，从而实现信号采集。其中，所述锁相放大器9由所述信号发生器控制装置8提供信号控制从而工作；所述锁相放大器9输出的信号由所述数据采集装置9采集。

本发明多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，为了可以分别测试多波段辐射光在大气传输中的衰减，设计了如下对比试验，对所述辐射光源装置1加热到一定温度，使其发射某一固定谱段的辐射光，首先记录所述模拟大气柱传输衰减装置5内充满所述压缩气体柱13的情况下，经所述锁相放大器9放大后探测到的辐射光谱段能量分布E₁(f)；再记录所述模拟大气柱传输衰减装置5内部为真空情况下，经所述锁相放大器9放大后探测到的辐射谱段上的能量分布E₂(f)，则可以得到辐射光在某一固定谱段的大气透过率δ(f)=E₁(f)/E₂(f)。根据标定后的所述辐射光源装置1的温度和发射谱段关系，连续改变所述辐射光源装置1的加热温度T₁、T₂、T₃、…，使所述辐射光源装置1连续发射出谱段为λ₁、λ₂、λ₃、…的辐射光，并按照上述对比试验的测试方法，可以得到辐射光各谱段的大气透过率δ₁(f) 、δ₂(f) 、δ₃(f)、…。

实施例2

图3是本发明多波段光辐射大气透过率实验室测试方法实施例中模拟大气柱传输衰减装置的另一种结构示意图。如图3所示，所述模拟大气柱传输衰减装置5可以分为多个内部密封罐，在本实施例中采用等比例折算的方法，将一定长度范围（250 km）内大气折算到长度为L（2 m）的密封罐内，各个密封罐之间设有光学窗口11，每个密封罐内分别充满压缩气体柱13和压缩气体柱14，其中压缩气体柱14也可以为液态水等可以吸收或散射辐射光的液体。可以通过组合不同的所述压缩气体柱13和压缩气体柱14，用来模拟不同的外场大气环境，测试不同的外场大气环境下辐射光的大气透过率。

其它同实施例1。

实施例3

与实施例1中不同的是：所述前光学窗口、所述光学窗口和所述后光学窗口均为短波红外窗口。

其它同实施例1。

实施例4

与实施例1中不同的是：所述前光学窗口、所述光学窗口和所述后光学窗口均为长波红外窗口。

其它同实施例1。

实施例5

与实施例1中不同的是：所述用于产生多波段辐射光的辐射光源装置在本实施例中采用紫外光源，且使紫外光源发出的紫外辐射光分别通过连续调节的分光计，得到不同谱段的紫外辐射光，用于后续测试辐射光各谱段的大气透过率。

所述前光学窗口和所述后光学窗口采用紫外窗口。

本实施例中所述压缩气体柱为等比例压缩后的臭氧气体柱，用以模拟一定长度范围（200 km）内大气传输路径，辐射光经过所述前光学窗口、所述压缩气体柱和所述后光学窗口后，由于所述压缩气体柱中的臭氧气体的辐射吸收，紫外光的强度被削弱。

其它同实施例1。

实施例6

与实施例1中不同的是：所述用于产生多波段辐射光的辐射光源装置在本实施例中采用可见光源，且使可见光源发出的可见光分别通过连续调节的分光计，得到不同谱段的可见光，用于后续测试可见各谱段的大气透过率。

所述前光学窗口和所述后光学窗口采用可见光窗口。

本实施例中所述压缩气体柱为等比例压缩后充满气溶胶粒子的气体柱，用以模拟一定长度范围（300 km）内大气传输路径，辐射光经过所述前光学窗口、所述压缩气体柱和所述后光学窗口12后，由于所述压缩气体柱中的气溶胶粒子的散射，可见光的强度被削弱。

其它同实施例1。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤i：由辐射光源装置产生辐射光；

步骤ii：将辐射光转化为平行的正弦辐射光；

步骤iii：将正弦辐射光由模拟大气柱传输衰减装置前方射入，后方射出；所述模拟大气柱传输衰减装置包括一个充有至少一种待测压缩气体的密封罐，密封罐前、后方均设有光学窗口；所述待测压缩气体为压缩到的密封罐内的，截面积与密封罐相同的一定长度范围内的大气中的某种气体；

步骤iv：对经过模拟大气柱传输衰减装置衰减的正弦辐射光进行数据采集和分析处理。

2.根据权利要求1所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，步骤ii具体为：以光阑、平行光产生装置和光学调制装置，将辐射光转化为平行的正弦辐射光。

3.根据权利要求1所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，步骤iv具体为：

以多波段光谱辐射计将经过所述模拟大气柱传输衰减装置衰减后的辐射光转化为电信号；

以锁相放大器将所述多波段光谱辐射计输出的电信号放大；

以数据采集装置对经过放大处理的电信号进行采集。

4.根据权利要求1所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，

所述密封罐由前至后设有多个分隔的内部密封罐，多个内部密封罐之间两端均设有可以让正弦辐射光透过的光学窗口；每个内部密封罐中分别充有一种待测压缩气体。

5.根据权利要求4所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，每个内部密封罐中充有：二氧化碳、水蒸汽、臭氧或者气溶胶粒子。

6.根据权利要求4所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，每个内部密封罐中充有：可以吸收或散射辐射光的液体。

7.根据权利要求1所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，所述密封罐前、后的光学窗口分别为短波、中波或长波红外窗口。

8.根据权利要求1所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，所述密封罐的长度为：1-5米。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，所述步骤iv具体包括：

记录模拟大气柱传输衰减装置内充满待测压缩气体的情况下探测到的，辐射光谱段能量分布；

记录模拟大气柱传输衰减装置内部为真空情况下，探测到的辐射光谱段能量分布；

比较之前两种情况下分别得到辐射光谱段能量分布，计算得到辐射光在某一固定谱段的大气透过率。

10.根据权利要求9所述的多波段光辐射大气透过率实验室测试方法，其特征在于，所述步骤iv还具体包括：

改变辐射光源装置的加热温度，使其连续发射出多个谱段的辐射光；

分别测量得到多个谱段的辐射光的大气透过率。

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