CN105928902A - 高光谱分辨率整层大气透过率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，利用目标跟踪装置获取透过大气层的太阳光或星光作为信号光，利用高度相干性的窄线宽激光器作为本振激光，将透过大气层的信号光和本振激光在外差探测器中进行光学混频，并依次经过中频滤波器和平方律探测器后，再次送入到带通滤波器中滤除噪声，并最终被计算机采集得到透过大气层的信号光和本振激光合束产生的外差信号，对该外差信号进行处理，获取透过大气层的微弱信号光的高分辨率光谱，用于整层大气透过率的实时测量，可用于大气光学、气象研究和大气污染监测、探测等领域，可实现快速响应、实时在线测量高光谱分辨率的整层大气透过率。

Description

高光谱分辨率整层大气透过率测量方法

技术领域

本发明涉及高分辨率整层大气透过率测量领域，是一种基于激光外差测量方法结合星光跟踪实现高光谱分辨率整层大气透过率实时测量的方法。本方法属于光学领域。

背景技术

整层大气透过率是反映大气辐射传输特性的重要参数，在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、目标识别等问题的研究中具有重要意义。特别是高分辨率整层大气透过率的测量，除了可以应用于上述研究之外，还可以应用于远距离或整层大气透过率，多组分温室气体廓线反演等领域。常见的整层大气透过率测量装置，如太阳辐射计和傅立叶变换光谱仪，难以兼顾高分辨率和便携机动的应用需求，本发明涉及的方法可以实现高分辨整层大气透过率实时测量和便携机动的外场应用需求。

发明内容

本发明基于激光外差光谱技术，把利用目标跟踪装置捕获到的太阳光(或星光)和窄线宽红外激光在外差探测器中进行光学混频，对测量得到的光学混频信号(即外差信号)进行后期处理，可以获取太阳光(或星光)透过整层大气的透过率信息。在稳定晴朗天气对仪器进行朗利标定(有水汽吸收波段采用改进的朗利标定)，标定后，可用于整层大气透过率的测量。该方法克服了传统傅立叶变换光谱仪无法兼顾高分辨率和便携性以及测量时间长的不足；和太阳辐射计相比，分辨率得到了极大的提高，可实现快速响应、实时在线测量以及高光谱分辨率的整层大气透过率测量。既保留了太阳辐射计的优点，又具有激光器窄线宽的优点，故有极高的光谱分辨率和较高的噪声抑制性能，可应用于大气光学、气象研究和空气污染监测、探测等领域。

本发明的技术方案如下：

高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：利用目标跟踪装置获取透过大气层的太阳光或星光作为信号光，利用高度相干性的窄线宽激光器作为本振激光，将透过大气层的信号光和本振激光在外差探测器中进行光学混频，并依次经过中频滤波器和平方律探测器后，再次送入到带通滤波器中滤除噪声，并最终被计算机采集得到透过大气层的信号光和本振激光合束产生的外差信号，该外差信号带有太阳光或星光透过整层大气的透过率信息，对该外差信号进行朗利法标定获得所采用的外差探测器的标定系数后，获取透过大气层的微弱信号光的高分辨率光谱，用于整层大气透过率的实时测量，具体如下：

(1)、根据透过大气层的太阳光或星光作为信号光与窄线宽本振激光在外差探测器中进行混频，将该外差信号依次经过低通中频滤波器、平方律特性探测器、带通滤波器处理后，得到的功率信号与本振激光功率以及本振激光中心波长附近信号光的光功率成正比关系；

(2)、通过计算机实时控制并扫描窄线宽本振激光发射的波长、功率以及外差信号的功率，将采集到的外差信号的功率与本振激光的功率进行归一化，即得到本振激光波长扫描范围内的太阳光或星光透过整层大气的光谱；

(3)、选择合适天气对该波段光谱信号进行标定，标定后即可反演获取该波段光透过整层大气的透过率信息。

所述的本振激的波长和以及外差探测器的工作波段可以根据探测波段进行选择，用于实现不同波段的整层大气透过率的测量。

所述的低通滤波器为电子器件滤波器而非光学滤波器件，滤掉光学混频信号中的高频信息信号，仅保留中频信息信号，从而实现透过大气层的微弱信号光的高分辨率。

所采用的电子滤波器件的带宽为百兆赫兹，与之对应的光谱分辨率约为外差探测器探测带宽的2倍，与此对应的光谱分辨率优于0.01cm^-1，该分辨率远远高于常见的太阳辐射计的分辨率，且和高分辨率傅立叶变换光谱仪的分辨率相当。

所采用的平方律探测器，可将外差电流信号转化为功率信号，从而使得采集的功率信号正比于信号光和本振光的功率。

高分辨整层大气透过率测量方法是利用激光外差技术来获取信号光光谱信号的装置，当星光为太阳光时，利用激光外差技术来获取信号光光谱信号的装置，采用的装置包括了太阳光获取部分、外差混频部分、本振激光波长测量部分等。

太阳光或星光获取部分由高精度目标跟踪装置来完成。目标跟踪装置通过当前经纬度、时间等信息来计算太阳或星的方位角和天顶角或者通过目标成像的位置计算相对偏移量，驱动电机使目标跟踪装置实时跟踪目标并收集太阳光或星光。本振激光由激光控制器控制的可调谐窄线宽激光器提供。

收集到的太阳光或星光与本振激光在合束镜上进行合束，合束后的光束通过透镜聚焦在外差探测器上，经外差探测器探测产生的光电流中包括反映太阳光或星光和本振激光功率的低频信号、本振激光与太阳光或星光混频形成的外差信号。由于太阳光或星光是一个宽带光源，所以由太阳光或星光和本振激光拍频形成的外差电信号也是一个宽带信号。外差信号在时域上的表述类似于带限白噪声，其带宽由处理电路决定；同时，由于本振激光的线宽非常窄，外差信号的功率正比于激光功率以及激光中心波长附近太阳光的光功率。太阳光经过大气传输时，在特定波段上被气体分子吸收，从而导致该波段太阳光功率的衰减。相应地，外差信号的功率也随之减小。扫描本振激光的波长，外差信号的功率变化情况就可以用来获取太阳光功率随波长变化的信息，即太阳光透过整层大气的光谱。实际测量时，计算机控制激光控制器来扫描可调谐窄线宽激光器的中心波长，外差信号的功率密度通过外差探测器内的肖特基二极管转换成电压信号来测量。通过采集卡记录对应波长上锁相的输出信号，即得到了该波段的太阳吸收光谱信息。

本发明的工作原理如下：

激光外差探测技术利用激光的高度相干性和探测器的平方律特性，可以实现利用功率较高的本振激光提取极其微弱信号光的目的，其探测原理如图1所示。信号光1和本振激光2首先通过合束器3进行合束匹配，然后由快响应光电探测器4，也叫外差探测器进行探测。为便于分析，假设两束光都是理想的单色光，即：本振激光E_LO＝A_LOcosω_LOt，信号光E_s＝A_scosω_st。外差探测器探测到的输出电流为：

i＝α(A_LOcosω_LOt+A_scosω_st)² (1)

忽略外差探测器无法探测的高频项，则探测到的中频电流信号为：

i_IF＝αA_LOA_scos(ω_LO-ω_s)t (2)

信号功率:

P_IF＝(i_IF)²R＝2α²P_LOP_SR (3)

信号光一般为太阳或星光或者其他热辐射光源，这些光源都可以等效成一个特定温度的黑体。宽带光可以表示成单色光的波列之和，宽带光的每个光波长分量与本振激光在光电探测器上形成的外差电流信号分量满足如下规律：其信号频率为对应光分量与本振激光的光频率之差、信号功率与对应光分量的强度成正比。所有外差信号分量相叠加形成了具有一定频率宽度的外差信号，通过后续的电子学滤波，使得外差探测具有很高的光谱分辨率。

利用该方法测量整层大气透过率或者整层大气透过光谱时，需要对外差信号进行标定。选择晴朗稳定天气，假设大气由若干平行平面层组成，在某一给定的太阳位置(用太阳天顶角θ表示)时，根据比尔-朗伯定律，在地面上所观测到的波长为λ的直接太阳辐射的辐照度F(λ)可表示为：

$F\left(\mathrm{\λ}\right)=F_0\left(\mathrm{\λ}\right){\left(\frac{d_0}{d}\right)}^2\exp \[-m\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\]---\left(4\right)$

其中，F₀(λ)为日地平均距离处大气顶的太阳直射辐照度，τ(λ)是波长为λ的总大气光学厚度，m(θ)是沿天顶角θ的光路上的相对大气质量，(d₀/d)²是日-地距离修正因子，用来修正大气上界太阳直射辐照度。(d₀/d)²采用公式

${\left(\frac{d_0}{d}\right)}^2=1+0.033cos\frac{2\mathrm{\π}\·J}{365}---\left(5\right)$

d是测量当天的日地距离，d₀是日地平均距离，J是从1月1日起到当天的累计天数(0～365)。

太阳光度计测得的信号电压值V(λ)正比于探测器在仪器视场角内接收的太阳辐照度，式(4)可改写为

$\ln \[V\left(\mathrm{\λ}\right)/{\left(\frac{d_0}{d}\right)}^2\]={\mathrm{lnV}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)-m\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(6\right)$

以大气质量m(θ)为自变量，ln[V(λ)/(d₀/d)²]为变量在直角坐标系中作图，可以得到散点图，利用线性拟合散点图可得一条直线，这条直线的截距lnV₀(λ)就是外差信号的标定常数，斜率是大气总光学厚度τ(λ)。

该标定方法是目前在相关研究中最为普遍采用的标定方法，也叫朗利标定法(Liou K N.An introduction to atmospheric radiation.New York:Academic Press,1980.43～46)，只要大气条件合适(理想的标定天气条件)，标定可以得到足够高的精度，同时可以通过多次标定并进行相互比较来检验标定精度。标定后即可用于高分辨率整层大气透过率测量。

该方法具有如下特点：a)对微弱信号光具有放大作用：外差信号的幅值，不仅仅与信号光的功率有关，还与本振激光的功率有关。本振激光功率越大，外差信号的幅度也将随之放大。b)高的光谱分辨率：外差系统的光谱分辨率主要由本振激光线宽和外差探测器、中频滤波器、平方律探测器以及带通滤波器的带宽确定，在保证一定信噪比的情况下，系统可以达到很高的光谱分辨率。因而激光外差技术非常适合用于大气成分的高灵敏度、高光谱分辨率被动探测，以及高分辨率整层大气透过率测量。c)通过改变本振激光源的波长和选取不同波段外差探测器，可以测量不同波段的高分辨整层大气透过率，从而反演大气中气溶胶粒子的光学特性，计算出水汽、臭氧以及氮氧化物等污染气体分子在整个大气层中的总含量等。

附图说明：

图1是激光外差探测技术原理图。

其中，1、信号光；2、本振激光；3、合束器；4、外差探测器；

图2是本发明需要用到的目标跟踪模块简图。

其中，5、太阳或星；6、图像传感器及镜头；7、反射镜一；8、转台一；9、转台二；10、反射镜二；11、通光孔；

图3是本发明主体结构图。

其中，12、反射镜三；13、反射镜四；14、离轴抛物面镜；15、透镜一；16、合束镜；17、透镜二；18、外差探测器；19、中频滤波器；20、平方律探测器；21、带通滤波器；22、计算机；23、本振激光；24、激光控制器。

具体实施方式

参见图2-图3。

高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：利用目标跟踪装置获取透过大气层的太阳光或星光作为信号光，利用高度相干性的窄线宽激光器作为本振激光，将透过大气层的信号光和本振激光在外差探测器中进行光学混频，并依次经过中频滤波器和平方律探测器后，再次送入到带通滤波器中滤除噪声，并最终被计算机采集得到透过大气层的信号光和本振激光合束产生的外差信号，该外差信号带有太阳光或星光透过整层大气的透过率信息，对该外差信号进行朗利法标定获得所采用的外差探测器的标定系数后，获取透过大气层的微弱信号光的高分辨率光谱，用于整层大气透过率的实时测量，具体如下：

(1)、根据透过大气层的太阳光或星光作为信号光与窄线宽本振激光在外差探测器中进行混频，将该外差信号依次经过低通中频滤波器、平方律特性探测器、带通滤波器处理后，得到的功率信号与本振激光功率以及本振激光中心波长附近信号光的光功率成正比关系；

(2)、通过计算机实时控制并扫描窄线宽本振激光发射的波长、功率以及外差信号的功率，将采集到的外差信号的功率与本振激光的功率进行归一化，即得到本振激光波长扫描范围内的太阳光或星光透过整层大气的光谱；

(3)、选择合适天气对该波段光谱信号进行标定，标定后即可反演获取该波段光透过整层大气的透过率信息。

所述的本振激的波长和以及外差探测器的工作波段可以根据探测波段进行选择，用于实现不同波段的整层大气透过率的测量。

所述的低通滤波器为电子器件滤波器而非光学滤波器件，滤掉光学混频信号中的高频信息信号，仅保留中频信息信号，从而实现透过大气层的微弱信号光的高分辨率。

所采用的电子滤波器件的带宽为百兆赫兹，与之对应的光谱分辨率约为外差探测器探测带宽的2倍，与此对应的光谱分辨率优于0.01cm^-1，该分辨率远远高于常见的太阳辐射计的分辨率，且和高分辨率傅立叶变换光谱仪的分辨率相当。

所采用的平方律探测器，可将外差电流信号转化为功率信号，从而使得采集的功率信号正比于信号光和本振光的功率。

高分辨整层大气透过率测量方法是利用激光外差技术来获取信号光光谱信号的，采用的装置主要由如图2所示的目标跟踪模块和以及如图3所示的激光外差模块组成，目标跟踪装置通过当前经纬度、时间等信息来计算太阳或星的方位角和天顶角或者通过目标成像的位置计算相对偏移量，驱动电机使目标跟踪装置实时跟踪目标并收集太阳光或星光。本振激光由激光控制器控制的可调谐窄线宽激光器提供。当星光为太阳光时，所述的目标跟踪模块利用图像传感器和镜头6接收太阳5信号，通过图像传感器采集到的信号信号经计算机处理并反馈给转台一8和转台二9，利用反馈信号调整目标跟踪装置的俯仰和倾斜角，从而实现实时跟踪目标。同时利用通光孔11，将太阳光入射到反射镜二10和反射镜一7上，通过精细调节反射镜二10和反射镜一7，使得接收到的太阳光能够竖直向下传输。

收集到的太阳光或星光与本振激光在合束镜上进行合束，合束后的光束通过透镜聚焦在外差探测器上，经外差探测器探测产生的光电流中包括反映太阳光或星光和本振激光功率的低频信号、本振激光与太阳光或星光混频形成的外差信号，具体参考图3，将目标跟踪模块捕捉到的太阳光,或星光作为信号光引入激光外差模块，利用反射镜三12和反射镜四13和离轴抛物面镜14将太阳光导入到由透镜一15和透镜二17组成的模式匹配透镜组中，同时利用激光控制器24驱动的窄线宽激光器作为本振激光23，用模式匹配透镜组中透镜一15和透镜二17之间的合束镜16将太阳光与本振激光合束并汇聚入射到外差探测器1)上，探测到的信号经中频滤波器19和平方律探测器20后，再次送入到带通滤波器21中滤除噪声，并最终被计算机22采集，采集到的信号即为太阳光和本阵光合束产生的外差信号，该外差信号经定标获得仪器标定系数后，即可用于实时测量整层大气透过率。

由于太阳光或星光是一个宽带光源，所以由太阳光或星光和本振激光拍频形成的外差电信号也是一个宽带信号。外差信号在时域上的表述类似于带限白噪声，其带宽由处理电路决定；同时，由于本振激光的线宽非常窄，外差信号的功率正比于激光功率以及激光中心波长附近太阳光的光功率。太阳光经过大气传输时，在特定波段上被气体分子吸收，从而导致该波段太阳光功率的衰减。相应地，外差信号的功率也随之减小。扫描本振激光的波长，外差信号的功率变化情况就可以用来获取太阳光功率随波长变化的信息，即太阳光透过整层大气的光谱。实际测量时，计算机控制激光控制器来扫描可调谐窄线宽激光器的中心波长，外差信号的功率密度通过外差探测器内的肖特基二极管转换成电压信号来测量。通过采集卡记录对应波长上锁相的输出信号，即得到了该波段的太阳吸收光谱信息。

Claims (6)

1.高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：利用目标跟踪装置获取透过大气层的太阳光或星光作为信号光，利用窄线宽激光器作为本振激光，将透过大气层的信号光和本振激光在外差探测器中进行光学混频得到外差信号，将该信号依次经过低通中频滤波器、平方律特性探测器、带通滤波器处理后，并最终被计算机采集得到透过大气层的信号光和本振激光合束产生的功率信号，对该信号进行标定获得标定系数后，可用以获取透过大气层的太阳光或星光的高分辨率光谱，用于整层大气透过率的实时测量，具体如下：

(1)、根据透过大气层的太阳光或星光作为信号光与窄线宽本振激光在外差探测器中进行混频，将该外差信号依次经过低通中频滤波器、平方律特性探测器、带通滤波器处理后，得到的功率信号与本振激光功率以及本振激光中心波长附近信号光的光功率成正比关系；

(2)、通过计算机实时控制并扫描窄线宽本振激光发射的波长、功率以及外差信号的功率，将采集到的外差信号的功率与本振激光的功率进行归一化，即得到本振激光波长扫描范围内的太阳光或星光透过整层大气的光谱；

(3)、选择合适天气对该波段光谱信号进行标定，标定后即可反演获取该波段光透过整层大气的透过率信息。

2.根据权利要求1所述的高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：所述的本振激的波长和以及外差探测器的工作波段可以根据探测波段进行选择。

3.根据权利要求1所述的高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：所述的低通中频滤波器和带通滤波器为电子器件滤波器，滤掉光学混频信号中的高频信息和噪声较大的低频信息，仅保留中频信息，该中频信号可在百兆赫兹以内，与此对应的光谱分辨率优于0.01cm^-1。

4.根据权利要求1所述的高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：所采用的平方律探测器，可将外差电流信号转化为功率信号，从而使得采集的功率信号正比于信号光和本振光的功率。

5.根据权利要求1所述的高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：所述的外差信号标定是采用朗利法进行标定的。

6.根据权利要求1-4任一项所述的高光谱分辨率整层大气透过率测量方法，其特征在于：所述的外差信号带有太阳光或星光透过整层大气的透过率信息。