CN104034700B - 一种大气传输激光透过率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用太阳辐射计获得激光大气透过率的方法，利用太阳辐射计测量得到特定波段的太阳辐射总透过率T_sun和大气垂直水汽柱含量PW，结合辐射传输方程和MODTRAN5.0软件模拟计算、光谱响应函数f(λ)，最后得到大气对激光的总透过率T_laser的最终计算模型。本发明方法充分考虑了激光窄光谱透过率与太阳光宽光谱透过率的差异，建立了激光大气透过率与太阳辐射计测量得到的太阳透过率和大气垂直水汽柱含量的关系，将激光在大气中传输时透过率测量误差降到最小，适用于大气分子吸收主要表现为H₂O吸收的情况。

Description

一种大气传输激光透过率的测量方法

技术领域

本发明涉及激光大气传输领域，具体是一种大气传输激光透过率的测量方法。

背景技术

激光在大气中传输时，会因大气的作用而受到衰减，激光的传输效率即透过率的测量和计算对于激光大气探测、激光传输实验和自由空间激光通信都非常重要。通常情况下，激光透过率的测量是通过发射激光的方式直接测量，但是单一的测量方式不易验证测量的准确性，当激光在大气中的透过率不易直接测量时，建立太阳透过率与激光透过率的关系，利用太阳透过率导出激光透过率，是对直接测量方式强有力的补充。但是由于太阳是宽光谱，窄带滤光片也有一定的带宽，若直接将特定波长的太阳光透过率等同于激光透过率是存在一定误差的，尤其是对于同时输出多条波长且间隔相近的激光器而言，这种近似会导致较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气传输激光透过率的测量方法，以解决现有技术激光在大气中传输时透过率测量不准确的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种大气传输激光透过率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、利用太阳辐射计测量得到特定波段的太阳辐射总透过率T_sun和大气垂直水汽柱含量PW；

(2)、根据大气对太阳光、激光的衰减特性，对于大气中的分子吸收主要是水汽吸收的波段，确定大气对太阳光、激光的衰减作用之间的关系，并建立大气对激光的总透过率T_laser，其表达式如公式(1)所示：

T_laser＝1-[(1-T_{laser_w})+((1-T_sun)-(1-T_{sun_w}))]＝T_sun-T_{sun_w}+T_{laser_w} (1)，

公式(1)中，T_sun为太阳辐射计测量得到特定波段的太阳辐射总透过率，T_{sun_w}为太阳辐射水汽透过率，T_{laser_w}为激光谱线水汽透过率；

(3)、利用所测量的太阳辐射总透过率T_sun和大气垂直水汽柱含量PW，结合辐射传输方程和MODTRAN5.0软件以及滤光片的光谱响应函数、激光谱线的相对强度，计算太阳辐射水汽透过率T_{sun_w}和激光谱线水汽透过率T_{laser_w}；

其中，太阳辐射水汽透过率T_{sun_w}的计算公式如公式(2)所示：

$T_{\mathrm{sun}\_w}=\exp (-a_1{\left(\mathrm{mPW}\right)}^{b_1})---\left(2\right),$

激光谱线水汽透过率的计算公式如公式(3)所示：

$T_{\mathrm{laser}\_w}=\exp (-a_2{\left(\mathrm{mPW}\right)}^{b_2})---\left(3\right),$

公式(2)和公式(3)中，m＝{cosθ+0.15(93.885-θ)^-1.253}^-1，θ是天顶角，根据测量需要可以任意选取；a₁、b₁、a₂、b₂为常数，与给定的大气条件、太阳辐射计滤光片的光谱响应函数f(λ)、水汽的垂直分布因素有关，所述的滤光片的光谱响应函数f(λ)直接由所选用的滤波片决定；

根据辐射传输方程，借助于MODTRAN5.0软件和相关数据处理计算常数a_i、b_i(i＝1,2)的过程如下：

依照Bruegge和Halthore的研究，通带水汽透过率T_w与斜程水汽量w(w＝mPW)的关系为：

$T_w=\exp \left({-a}_i{w}^{b_i}\right)---\left(4\right)$

对(4)式变换则有：

In(In(1/T_w))＝Ina_i+b_iInw (5)

利用MODTRAN5.0软件针对不同的天顶角θ和太阳辐射计测量得到的大气垂直水汽柱含量PW得到不同w对应的通带水汽透过率T_H2O，对于太阳光，将T_H2O对滤光片的光谱响应函数f(λ)加权得到T_{sun_w}；对于激光，将T_H2O对滤光片的光谱响应函数f(λ)和激光强度同时加权得到T_{laser_w}，将T_{sun_w}和w的一系列对应值，T_{laser_w}和w的一系列对应值根据式(5)拟合计算可得a₁、b₁、a₂、b₂值。

所述的一种大气传输激光透过率的测量方法，其特征在于：所述的大气中的分子吸收主要是水汽吸收的波段，选定1300～1360nm波段，在此波段内大气中的主要吸收气体为H₂O，其它分子的吸收几乎为0；1300～1360nm波段内，对于所选用的1330nm的滤光片和1319nm与1338nm双波长Nd:YAG脉冲激光，在中纬度夏季地区，得到a₁、b₁、a₂、b₂的值分别为a₁＝0.26262，b₁＝0.60347，a₂＝0.00263，b₂＝0.31861。

本发明的有益效果体现在：

本发明方法充分考虑了激光窄光谱透过率与太阳光宽光谱透过率的差异，建立了激光大气透过率与太阳辐射计测量得到的太阳透过率和大气垂直水汽柱含量的关系，将激光在大气中传输时透过率测量误差降到最小，适用于大气分子的吸收主要表现为H₂O吸收的情况。本发明方法可以在仪器测量太阳透过率的过程中，同时给出相应波段的激光透过率。作为激光大气透过率的一种间接测量方法，本发明方法操作简单，是对直接测量方法的强有力补充。

附图说明

图1为λ_a～λ_b波段太阳光谱、激光谱线位置及滤光片曲线图。

图2为中心波长1330nm的滤光片的光谱响应函数图。

图3为中纬度夏季模式下，1300～1360nm大气中主要分子的吸收图。

图4为波长1330nm太阳辐射计通道水汽量与太阳水汽透过率对应曲线图。

图5为波长1330nm太阳辐射计通道水汽量与激光水汽透过率对应曲线图。

具体实施方式

如图1所示，在波长λ_a～λ_c之间，太阳光谱是连续的，在不同的波长处，其透过率不同；滤波片在中心波长λ_b处，透过率最大，但两侧均有光波透过；激光谱线是分立的、并且有多条λ₁λ₂…λ_n谱线。在某一波长λ_b处，由太阳辐射计测量的太阳光在大气中的透过率为T_sun，测得的大气垂直水汽柱含量为PW，太阳辐射计上滤光片的光谱响应函数为f(λ)，计算波长λ_b处激光在大气中传输时的透过率T_laser。

本发明中，在某一波长λ_b处，由太阳辐射计测量太阳光在大气中的透过率为T_sun，测量的大气垂直水汽柱含量为PW，太阳辐射计上滤光片的光谱响应函数为f(λ)，计算出λ_b处激光在大气中传输时的透过率T_laser，具体包括以下步骤：

(1)、分析大气衰减特性，初步建立激光透过率与太阳透过率关系式

大气的衰减表现为大气分子的吸收散射和气溶胶的吸收散射，大气气体分子对辐射的吸收作用是由分子的光谱结构决定的，因而具有强烈的波长(或频率)选择性。大气中的主要吸收气体有H₂O、O₃、CO₂、O₂等，微量气体N₂O、CH₄、CO在某些波段也有比较强的吸收。大气中分子的散射服从瑞利散射公式，对于光波的衰减是连续的，气溶胶的吸收散射与波长有关，但没有强烈的波长选择。

通过上述的分析，对于某一特定的波长可得：

对于分子的吸收，太阳光的衰减与激光的衰减差距很大，需单独计算；对于分子的散射，可以认为太阳宽光谱的衰减近似等于激光的衰减；对于气溶胶的衰减，可以认为太阳宽光谱的衰减近似等于激光的衰减；

若考虑分子吸收主要是水汽吸收的波段(此时其它分子的吸收较微弱)，激光的透过率衰减表现为H₂O对激光的衰减、气溶胶对激光的衰减(吸收散射)、其它分子对激光的衰减(吸收散射)的总和。

于是，激光的透过率衰减可以理解为H₂O对激光的衰减、气溶胶对太阳光的衰减(吸收散射)、其它分子对太阳光的衰减(吸收散射)作用的总和。其中气溶胶和其它分子对太阳光的衰减等于大气对太阳的总衰减减去H₂O分子对太阳光的衰减。

基于上面的分析，可以用下面的表达式来说明激光透过率与太阳透过率的关系：

对于某一特定波长λ，设T_sun为太阳辐射总透过率，1-T_sun为大气对太阳辐射的总衰减，T_laser为激光总透过率，T_{sun_w}为太阳辐射水汽透过率，1-T_{sun_w}为水汽对太阳辐射的衰减，T_{laser_w}为激光谱线水汽透过率，1-T_{laser_w}为水汽对激光的衰减，则有公式(1)

T_laser＝1-[(1-T_{laser_w})+((1-T_sun)-(1-T_{sun_w}))]

(1)

＝T_sun-T_{sun_w}+T_{laser_w}

公式(1)中，中括号里面的第一项表示水汽对激光的衰减，后面两项是将太阳总衰减减去水汽引起的衰减，得到除水汽外大气对太阳的衰减，也即除水汽外大气对激光的衰减。于是中括号里面的三项便构成了大气对激光的总衰减。用1减去总衰减便得到激光总透过率。

(2)、太阳光和激光水汽透过率的计算

对于公式(1)中T_sun，可由太阳辐射计直接测量得到，而水汽透过率T_{sun_w}由下式计算：

T_w＝exp(-aw^b) (2)

公式(2)中w是大气路径水汽总量，a、b是常数，由辐射传输方程模拟确定，并且激光和太阳的a、b值大小不同。

下面给出参数a、b的具体求解方法：

a、b与给定的大气条件，太阳辐射计通道滤光片的波长位置、宽度和形状有关，还与大气中的温压递减率和水汽的垂直分布有关。实际应用中由辐射传输方程模拟确定，本发明系数a、b的确定借助于MODTRAN5.0软件确定。

对公式(2)作变换，则有公式(3)：

In(In(1/T_w))＝Ina+bInw (3)

以In(In(1/T_w))与lnw画直线，直线的斜率是b，截距是Ina，由此就可以模拟出系数a、b，式中T_w为通带的水汽透过率。

对于太阳光，其通带的水汽透过率T_w(即T_{sun_w}(λ))如公式(4)：

$T_{\mathrm{sun}\_w}=\frac{{\∫T}_{H_{2}O}\left(\mathrm{\λ}\right)f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

其中T_H2O(λ)是未加滤波片权重的水汽透过率，可以由MODTRAN5.0软件直接给出，f(λ)为滤波片的光谱响应函数。

与式(4)对应，激光的通带水汽透过率T_w(即T_{laser_w}(λ))如公式(5)：

$T_{\mathrm{laser}\_w}=\frac{{\∫T}_{\mathrm{laser}\_H_{2}O}\left(\mathrm{\λ}\right)f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(5\right)$

其中T_{laser_H2O}(λ)是考虑激光谱线权重的水汽透过率。

下面给出T_{laser_H2O}(λ)的求解，在滤光片的响应范围内，设激光谱线的数目为n，激光谱线的强度为I(λ)，考虑谱线强度之前激光水汽透过率为T_H2O(λ)，则在激光谱线相应位置λ₁，λ₂，…，λ_n处，T_{laser_H2O}(λ)可由公式(6)计算：

$1/n:I\left(\mathrm{\λ}\right)=(1-T_{H_{2}O}):(1-T_{\mathrm{laser}\_H_{2}O})---\left(6\right)$

公式(6)的含义是激光谱线的强度与透过率衰减成正比，强度越大，衰减越大。由公式(6)可得T_{laser_H2O}(λ)如公式(7)所示：

$T_{\mathrm{laser}\_H_{2}O}\left(\mathrm{\λ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\mathrm{nI}\left(\mathrm{\λ}\right)(1-T_{H2O}\left(\mathrm{\λ}\right))& \mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2,...{\mathrm{\λ}}_n\\ 1\mathrm{\λ}\≠{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2,...{\mathrm{\λ}}_n& \end{array}\right.---\left(7\right)$

公式(7)中T_H2O(λ)可以由MODTRAN5.0软件直接给出。

大气路径水汽总量w与垂直水汽柱含量PW关系如公式(8)所示：

w＝mPW (8)

公式(8)中m是大气质量，是天顶角θ函数，由公式(9)给出：

m＝{cosθ+0.15(93.885-θ)^-1.253}^-1 (9)

在利用MODTRAN5.0软件计算a₁、b₁、a₂、b₂时，先设定PW值，然后让软件计算不同天顶角θ下对应的T_H2O(λ)。再对软件得出的结果进行处理，处理方法为：利用(8)式得到w值，利用(4)式计算T_{sun_w}，利用(5)(7)式计算T_{laser_w}，将得到的一系列的w和T_{sun_w}数值代入(3)式，拟合直线得到a₁和b₁。将得到的一系列的w和T_{laser_w}数值代入(3)式，拟合直线得到a₂和b₂。

结合公式(2)、(8)，太阳和激光的水汽透过率分别如公式(10)和公式(11)所示：

$T_{\mathrm{sun}\_w}=\exp (-a_1{\left(\mathrm{mPW}\right)}^{b_1})---\left(10\right)$

$T_{\mathrm{laser}\_w}=\exp (-a_2{\left(\mathrm{mPW}\right)}^{b_2})---\left(11\right)$

(3)、最终得到透过率计算模型

在已知大气垂直水汽柱含量为PW情况下，太阳水汽透过率T_{sun_w}，激光水汽透过率T_{laser_w}可由公式(12)来确定：

T_laser＝T_sun-exp(-a₁(mPW)^b1)+exp(-a₂(mPW)^b2) (12)

对于本发明运用的实施例，利用公式(12)来说明某一波段太阳光透过率与激光透过率的较大差别，从而论证了本发明的必要性。

令天顶角θ为0度(即观测方向与地平面垂直)，根据公式(9)，此时m为0.9995，则在不同太阳透过率和水汽含量下，激光透过率见表4。T_sun为太阳光透过率，T_laser为公式(14)计算的激光透过率，从表中可以看出，水汽越大，太阳光透过率和激光透过率差距越大，最大相差1.18倍。这也说明了将某一波长处测量的太阳光透过率直接当作激光透过率是存在较大误差的，而本发明给出了太阳光透过率与激光透过率的关系，使从而使这种误差降到最小。

将上述的方法用在下面的实施例：

在可见光～近红外波段，0.3-1.4微米可作为大气窗口，该波段可以用于光学摄影，扫描方式成像。利用本发明的方法，由1330nm的太阳光透过率和大气中的垂直水汽柱含量PW计算该波段的激光透过率。

(1)、设输出激光总强度为1，对于1319和1338nm的双波长Nd:YAG脉冲激光器，其输出谱线相对强度I(λ)分别为0.45和0.55。

表11319和1338nm双波长Nd:YAG脉冲激光输出谱线相对强度I(λ)

λ/nm	1319	1338
			I(λ)	0.45	0.55

(2)、中心波长1330nm滤光片的光谱响应函数f(λ)函数如下式，函数曲线见如图2：

$f\left(\mathrm{\λ}\right)={0.95157e}^{-0.5{\left(\frac{\mathrm{\λ}-1330}{4.96226}\right)}^2}+0.00629---\left(13\right)$

(3)、在滤光片有效的光谱响应范围1300～1360nm，大气中的主要吸收气体为H₂O，其中O₃虽有吸收，但吸收很小，其它分子的吸收几乎为0，如图3所示。

(4)、对于中纬度夏季乡村地区，借助于MODTRAN软件和式(3)(4)(8)(9)可得1330nm不同天顶角水汽量与太阳水汽透过率关系见表2。依据表2画出In(In(1/T_{sun_w}))与lnw的直线关系，如图4。由图4可得a₁＝0.26262，b₁＝0.60347。

表2波长1330nm处中纬度夏季不同天顶角水汽量与太阳水汽透过率关系

(5)、若要计算激光的水汽透过率，先根据表1和式(7)计算T_{laser_H2O}(λ)，再由式(3)(5)(8)(9)以及MODTRAN软件，可得1330nm不同天顶角水汽量与激光水汽透过率关系见表3。同样画出In(In(1/T_{laser_w}))与lnw的直线关系，如图5。由图5可得a₂＝0.00263，b₂＝0.31861。

表3波长1330nm处中纬度夏季不同天顶角水汽量与激光水汽透过率关系

(6)、将计算得出的a₁、b₁、a₂、b₂代入式(14)，可得本发明利用的双波长Nd:YAG激光器在1330nm波段处，大气透过率为：

T_laser＝T_sun-exp(-0.26262·(mPW)^0.60347)+exp(-0.00263·(mPW)^0.31861 (14)

(7)、令天顶角为0度(即观测方向与地平面垂直)，根据(14)式，此时m为0.9995，则在不同太阳透过率T_sun和水汽含量PW下，激光透过率T_laser见表4。

表4中纬度夏季乡村地区不同水汽含量和太阳透过率对应的激光透过率

PW/g/cm2	1	2	3	4	5
						Tsun	0.7176	0.6138	0.5413	0.4826	0.4190
Tlaser	0.9459	0.9395	0.9368	0.9330	0.9148

Claims (2)

1.一种大气传输激光透过率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、利用太阳辐射计测量得到大气中的分子吸收主要是水汽吸收的波段的太阳辐射总透过率T_sun和大气垂直水汽柱含量PW；

(2)、根据大气对太阳光、激光的衰减特性，对于大气中的分子吸收主要是水汽吸收的波段，确定大气对太阳光、激光的衰减作用之间的关系，并建立大气对激光的总透过率T_laser，其表达式如下所示：

T_laser＝1-[(1-T_{laser_w})+((1-T_sun)-(1-T_{sun_w}))]＝T_sun-T_{sun_w}+T_{laser_w}

其中，T_sun为太阳辐射计测量得到大气中的分子吸收主要是水汽吸收的波段的太阳辐射总透过率，T_{sun_w}为太阳辐射水汽透过率，T_{laser_w}为激光谱线水汽透过率；

(3)、利用所测量的太阳辐射总透过率T_sun和大气垂直水汽柱含量PW，结合辐射传输方程和MODTRAN5.0软件以及滤光片的光谱响应函数、激光谱线的相对强度，计算太阳辐射水汽透过率T_{sun_w}和激光谱线水汽透过率T_{laser_w}；

其中，太阳辐射水汽透过率T_{sun_w}的计算公式如下式所示：

$T_{sun\_w}=\exp (-a_1{\left(mPW\right)}^{b_1})$

激光谱线水汽透过率的计算公式如下式所示：

$T_{laser\_w}=\exp (-a_2{\left(mPW\right)}^{b_2})$

上述两个公式中，m＝{cosθ+0.15(93.885-θ)^-1 _. ²⁵³}^-1，θ是天顶角，根据测量需要可以任意选取；PW为大气中垂直水汽柱含量；a₁、b₁、a₂、b₂为常数，与给定的大气条件、太阳辐射计滤光片的光谱响应函数f(λ)、水汽的垂直分布因素有关，所述的滤光片的光谱响应函数f(λ)直接由所选用的滤波片决定；

根据辐射传输方程，借助于MODTRAN5.0软件和相关数据处理计算常数a_i、b_i的过程如下，其中i＝1，2：

通带水汽透过率T_w与斜程水汽量w的关系为：

其中w＝mPW

对上式变换则有：

In(In(1/T_w))＝Ina_i+b_iInw

利用MODTRAN5.0软件针对不同的天顶角θ和太阳辐射计测量得到的大气垂直水汽柱含量PW得到不同w对应的通带水汽透过率T_H2O，对于太阳光，将T_H2O对滤光片的光谱响应函数f(λ)加权得到T_{sun_w}；对于激光，将T_H2O对滤光片的光谱响应函数f(λ)和激光强度同时加权得到T_{laser_w}，将T_{sun_w}和w的一系列对应值，T_{laser_w}和w的一系列对应值根据上式拟合计算可得a₁、b₁、a₂、b₂值。

2.根据权利要求1所述的一种大气传输激光透过率的测量方法，其特征在于：所述的大气中的分子吸收主要是水汽吸收的波段，选定1300～1360nm波段，在此波段范围内，对于所选用的1330nm的滤光片和1319nm与1338nm双波长Nd:YAG脉冲激光，在中纬度夏季地区，得到a₁、b₁、a₂、b₂的值分别为a₁＝0.26262，b₁＝0.60347，a₂＝0.00263，b₂＝0.31861。