CN106770062B - 一种大气透过率测量及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气透过率测量及标定方法，飞行器上挂载有稳定云台，在稳定云台上安装有稳定发光的LED光源和激光头，所述的飞行器具有自动执行飞行任务并稳定悬停的能力，所述的地面测量装置包括有地面站电脑、二维跟踪平台以及安装在二维跟踪平台上的望远镜。本发明通过对测量路径的密集采样测量并将测量数据进行对比计算的数学处理方法，得到测量路径上的大气透过率及大气衰减系数，消除了目标光源和测量仪器定标误差的影响，能够提高大气透过率的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及大气透过率测量技术领域，尤其涉及一种大气透过率测量及标定方法。
背景技术
大气透过率是反映大气辐射传输性质的重要参量，在大气辐射、地球资源遥感、环境监测、空间目标监测等应用中具有重要的参考价值。空间目标的红外辐射特性是目标识别、在轨信息判定的重要依据之一。红外辐射特性包括目标的温度和辐射照度等信息，通常采用地基测量方法进行测量。在地基测量中，获得高精度的中波红外整层大气透过率意义重大。
目前，大气透过率的获取途径主要有3种：大气模式计算法、二次修正的大气模式计算法以及直接测量法。大气模式计算法应用大气辐射传输计算软件，针对典型的大气模式由地面能见度、大气温湿压等参数计算大气透过率。MODTRAN是国外较成熟的大气辐射传输计算软件，国内主要有安徽光机所的魏合理等人编制的通用辐射传输软件CART。二次修正的大气模式计算法是对基于传统的大气模式计算法进行特定条件下的测量修正。典型的测量修正方法利用高精度的面源黑体模拟标准目标对大气透过率进行现场测量，根据现场测量结果对传统的大气模式计算法的计算结果进行二次修正。长春光机所的杨词银等人建立了大气透过率比例校正数学模型，并基于该模型对大气透过率做了二次测量修正。赵军等人讨论了野外远场测量中大气透过率的修正问题。直接测量法分为红外光谱透过率测量和宽带内平均透过率测量。魏合理、詹杰等人研制了昼夜兼用的可见光波段的大气光谱透过率测量仪。减寿洪等人建立了红外波段大气透过率分段测量的数学模型。
目前，测量大气透过率的仪器设备种类繁多，各种仪器的定标也没有一个统一的方法。最常用的方式是Langley-plot法。
根据Bouguer-Lambert-Beer定律，通过大气到达地面的太阳直接辐射照度
Eλ＝Eλ，0R-2exp(-mτλ)
其中Eλ，0代表波长为λ处大气上界的辐射通量密度，Eλ代表波长为λ处到达地面的辐射通量密度，R为日地距离校正因子，m为大气质量数，τλ是大气总的垂直光学厚度。对上式取对数有：
ln Eλ+ln R2＝ln Eλ，0-mτλ
由于仪器接收到的辐射量Eλ与仪器输出的电压Vλ成正比关系，因此有:
ln Vλ+ln R2＝ln Vλ，0-mτλ
Langley定标时，进行不同天顶角情况下的太阳直接辐射测量，仪器的输出Vλ是m的函数，分别以ln Vλ+ln R2和m为纵横坐标做线性拟合，则直线的斜率就是大气的垂直光学厚度，截距就是仪器在大气上界测得的电压信号ln Vλ。从理论上讲，这种定标方法是比较精确的，但在实际操作中，Langley定标对环境条件要求比较严格，很难满足，所使用的数据多存在一些噪声，使定标质量下降。
对比定标法也是测量大气透过率仪器较为常用的方法，该方法的基本原理是使用标准仪器对待定标仪器进行定标在稳定的天气条件下待定标仪器与标准仪器同时同地进行观测，可得计算待标仪器定标常数：
V02＝(V2/V1)*V01
其中V02是待标仪器的定标常数V01是标准仪器的定标常数V1、V2分别为标准仪器和待标仪器测得的电压值.V1、V2值为固定值这种方法要求标准仪器的定标常数精确测得的电压值准确才能保证待标仪器的定标结果具有较高可信度。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种大气透过率测量及标定方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种大气透过率测量及标定方法，包括有飞行器和地面测量装置，在所述的飞行器上挂载有稳定云台，在稳定云台上安装有稳定发光的LED光源和激光头，所述的地面测量装置包括有地面站电脑、二维跟踪平台以及安装在二维跟踪平台上的望远镜，由地面站电脑发送控制信号给飞行器的飞控，控制飞行器飞到待测路径的开始端，测量开始时，通过将即时位置、高度与二维跟踪平台位置、高度求差算出飞行器与二维跟踪平台的水平距离、垂直距离和方位信息，利用反三角函数算出此时云台所需的角度，利用该角度对稳定云台进行控制以保证LED光源始终指向地面测量装置，在地面站电脑上设定飞行路径上的若干航点及每个航点的停留时间并发送给飞控，飞控按照地面站的设置控制飞行器按照飞行任务飞行，地面测量装置通过望远镜对LED光源光辐射进行接收，在测量过程中，通过驱动二维跟踪平台使望远镜跟踪飞行器进行测量，将飞行器上的数据与地面站电脑数据对比，提取出在各个航点上地面接收到的图像亮度信息从而得到距离与图像总灰度的关系，由于地面站电脑接收到的图像总灰度与接收到的光通量成正比，利用公式
得到距离与透过率关系，公式中，K为比例系数，I0为lED光源正向发光强度，r为地面接收望远镜半径，R为飞行器与地面接收望远镜距离，τ为透过率，将不同距离下透过率相除后即可消除I0对测量的影响；再控制飞行器飞到能见度仪旁，调整云台俯仰角度，使云台指向测量望远镜；设定飞行路径及飞行速度,并使飞行路径靠近待定标仪器的测量路径，加载任务到飞行器上；调整地面测量望远镜，通过望远镜对LED光源光辐射进行接收，开始跟踪测序，地面测量开始，飞行器切换到自动模式，飞行器开始飞行，达到现场定标的目的。
郎伯定律，即发光强度余弦定律是指辐射强度按余弦规律变化，I＝I0*cosθ.在其发光方向±0.5°内，其光强误差约为0.87％，小于LED光源5％的发光误差,因此可以忽略不计。使用电子稳定云台和激光指示可控制LED的指向误差在±0.5°内。
本发明的优点是：
1、本发明通过对测量路径的密集采样测量并将测量数据进行对比计算的数学处理方法，通过测量飞行器在各个航点上接收系统接收的光强并将光强进行对比得到测量路径上的大气透过率及大气衰减系数，消除了目标光源和测量仪器定标误差的影响，能够提高大气透过率的测量精度。
2、本发明提出的测量方法是从透过率的定义出发，具有操作简单、测量前无需精密调节的优点。
3、本发明定标方法是从透过率的定义出发，可在野外对仪器进行现场定标，定标结果更为准确可靠。
附图说明
图1为本发明结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种大气透过率测量及标定方法，其特征在于：包括有飞行器1和地面测量装置2，在所述的飞行器1上挂载有稳定云台3，在稳定云台3上安装有稳定发光的LED光源和激光头，所述的地面测量装置2包括有地面站电脑、二维跟踪平台4以及安装在二维跟踪平台4上的望远镜5，由地面站电脑发送控制信号给飞行器1的飞控，控制飞行器1飞到待测路径的开始端，测量开始时，通过将即时位置、高度与二维跟踪平台位置、高度求差算出飞行器1与二维跟踪平台4的水平距离、垂直距离和方位信息，利用反三角函数算出此时云台所需的角度，利用该角度对稳定云台3进行控制以保证LED光源始终指向地面测量装置2，在地面站电脑上设定飞行路径上的若干航点及每个航点的停留时间并发送给飞控，飞控按照地面站的设置控制飞行器1按照飞行任务飞行，地面测量装置2通过望远镜5对LED光源光辐射进行接收，在测量过程中，通过驱动二维跟踪平台4使望远镜5跟踪飞行器进行测量，将飞行器1上的数据与地面站电脑数据对比，提取出在各个航点上地面接收到的图像亮度信息从而得到距离与图像总灰度的关系，由于地面站电脑接收到的图像总灰度与接收到的光通量成正比，利用公式
得到距离与透过率关系，公式中，K为比例系数，I0为lED光源正向发光强度，r为地面接收望远镜半径，R为飞行器与地面接收望远镜距离，τ为透过率，将不同距离下透过率相除后即可消除I0对测量的影响；再控制飞行器飞到能见度仪旁，调整云台俯仰角度，使云台指向测量望远镜；设定飞行路径及飞行速度,并使飞行路径靠近待定标仪器的测量路径，加载任务到飞行器上；调整地面测量望远镜，通过望远镜对LED光源光辐射进行接收，开始跟踪测序，地面测量开始，飞行器切换到自动模式，飞行器开始飞行，达到现场定标的目的。
Claims (1)
1.一种大气透过率测量及标定方法，其特征在于：包括有飞行器和地面测量装置，在所述的飞行器上挂载有稳定云台，在稳定云台上安装有稳定发光的LED光源和激光头，所述的地面测量装置包括有地面站电脑、二维跟踪平台以及安装在二维跟踪平台上的望远镜，由地面站电脑发送控制信号给飞行器的飞控，控制飞行器飞到待测路径的开始端，测量开始时，通过将即时位置、高度与二维跟踪平台位置、高度求差算出飞行器与二维跟踪平台的水平距离、垂直距离和方位信息，利用反三角函数算出此时云台所需的角度，利用该角度对稳定云台进行控制以保证LED光源始终指向地面测量装置，在地面站电脑上设定飞行路径上的若干航点及每个航点的停留时间并发送给飞控，飞控按照地面站的设置控制飞行器按照飞行任务飞行，地面测量装置通过望远镜对LED光源光辐射进行接收，在测量过程中，通过驱动二维跟踪平台使望远镜跟踪飞行器进行测量，将飞行器上的数据与地面站电脑数据对比，提取出在各个航点上地面接收到的图像亮度信息从而得到距离与图像总灰度的关系，由于地面站电脑接收到的图像总灰度与接收到的光通量成正比，利用公式
得到距离与透过率关系，公式中，K为比例系数，I 0 为L ED光源正向发光强度，r为地面接收望远镜半径，R为飞行器与地面接收望远镜距离，τ为透过率，将不同距离下透过率相除后即可消除I 0 对测量的影响;再控制飞行器飞到能见度仪旁，调整云台俯仰角度，使云台指向测量望远镜；设定飞行路径及飞行速度,并使飞行路径靠近待标定仪器的测量路径，加载任务到飞行器上；调整地面测量望远镜，通过望远镜对LED光源光辐射进行接收，开始跟踪测序，地面测量开始，飞行器切换到自动模式，飞行器开始飞行，达到现场标定的目的。
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