CN113075694A - 多波段星光成像光度计及其探测方法 - Google Patents

多波段星光成像光度计及其探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多波段星光成像光度计及其探测方法，光学成像探测系统安装在二维跟踪转台上；气象和GPS模块置于开阔位置，光学成像探测系统、二维跟踪转台、气象和GPS模块分别通过电源和数据线与控制与数据采集模块相连，控制与数据采集模块与计算机相连。计算机通过控制与数据采集模块获取气象和GPS模块采集到的经纬度、气象参数和时间信息，并根据所选目标星，计算目标星的赤经角和赤纬角，并传递给二维跟踪转台，使光学成像探测系统对准目标星，并采集目标星及其周围天空图像，同时记录存储在计算机内。本发明可实时且有效扣除背景杂光影响，提高观测数据质量，实现夜间气溶胶的观测，可在没有定标的情况先实现高精度测量。

Description

多波段星光成像光度计及其探测方法
技术领域
本发明属于气溶胶探测技术领域，具体涉及一种多波段星光成像光度计及其探测方法。
背景技术
近年来，随着全球变化研究的不断深入，气溶胶气候效应越来越受到人们的重视。气溶胶和天气、气候通过直接辐射和间接辐射两方面来影响全球能量辐射平衡，这是一个复杂的相互作用和反馈机理。另外由细颗粒物引起的雾霾天气是中国北方城市主要污染类型，并严重影响着人类健康。受限于资料缺乏，气溶胶气候影响、环境效应评估分析基本上来自于白天的卫星和地基观测资料。
目前，夜间探测由于信号较弱，几乎所有的基于可见近红外波段的光学探测的卫星传感器如MODIS、MISR、PARASOL、SCIAMACHY等，地面观测设备如CIMEL，POM，MICROTOP等都只能通过跟踪太阳，通过测量太阳光谱提供白天的气溶胶光学参数，夜间无法实现测量。CIMEL的升级版本可针对月亮提供部分(月亮必须半圆以上)测量。但由于月亮与地球、太阳相对关系变化，再加上月亮的章动，Cimel的对月观测无法提供可靠的夜间数据。模式研究表明，夜间气溶胶数据的应用，即便精度不高，也可以帮助我们了解其在昼夜大气循环中的作用，大大丰富我们对于气溶胶在天气、气候和环境效应的认识。
因此，如何实现气溶胶的昼夜不间断观测，并提供夜间气溶胶的直接观测数据，从未填补夜间气溶胶数据缺乏的空白成为天气、气候和环境研究领域的迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有气溶胶探测技术只能在白天工作，无法提供夜间大气气溶胶和其他成份参数的局限性，本发明提供了基于星光信号测量的多波段星光成像光度计探测系统。
本发明还提供一种夜间星光信号处理系统，通过星光及其周围夜空的成像，实现星光信号和暗背景扣除，从而实现目标星的多个波段的星光信号测量，进一步提取夜空大气气溶胶参数、水汽含量和其他大气成份含量。
具体的技术方案为：
多波段星光成像光度计，包括光学成像探测系统、二维跟踪转台、气象和GPS模块、控制与数据采集模块、计算机；
所述的光学成像探测系统安装在二维跟踪转台上；气象和GPS模块置于开阔位置，光学成像探测系统、二维跟踪转台、气象和GPS模块分别通过电源和数据线与控制与数据采集模块相连，控制与数据采集模块与计算机相连。
计算机通过控制与数据采集模块获取气象和GPS模块采集到的经纬度、气象参数(温度、气压、湿度和是否下雨)和时间信息，并根据所选目标星，计算目标星的赤经角和赤纬角，并传递给二维跟踪转台，使光学成像探测系统对准目标星，并采集目标星及其周围天空图像，同时记录存储在计算机内。
其中，光学成像探测系统包括光学望远镜、滤光轮、CCD成像探测器、遮光筒、抱箍、支撑平台；所述的光学望远镜、滤光轮和CCD成像探测器依次相连；计算机通过控制与数据采集模块发出指令给滤光轮，使滤光轮旋转到相应波长的滤光片，滤光片到达位置后，计算机发出指令，CCD成像探测器采集目标星及其周围天空图像，并将图像数据下传给计算机处理。
进一步的，光学望远镜包括窗口片、胶合透镜、光阑、视场校正片；窗口片用于封装光学望远镜，阻挡灰尘，利于维护。胶合透镜将一定视场的光引入光学望远镜内，经光阑限制视场，然后通过视场校正片到达滤光轮和CCD成像探测器。
其中，二维跟踪转台为赤道仪方式的二维跟踪转台，包括载物台、赤纬驱动机构、赤纬轴、赤经驱动机构、平衡锤套杆、平衡锤，赤经轴、安装支柱；计算机经控制与数据采集模块发出指令给二维跟踪转台赤经角和赤纬角信息，赤经驱动机构和赤纬驱动机构驱动载物台，使其指向目标星位置，以供光学成像探测系统观测。
其中，气象和GPS模块包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、雨感应器、GPS模块、电路板；气象和GPS模块将气象参数和时间参数下传存在在计算机内。
本发明还提供上述多波段星光成像光度计的探测方法，包括以下步骤：
(1)、利用气象和GPS模块获取安装地理位置(经纬度)、时间和气象参数传递给计算机，计算机根据观测时间，选取合适的目标星作为光源，计算星光光源所在赤经和赤纬；
(2)、通过控制与数据采集模块，驱动二维跟踪转台，使光学成像探测系统(1)指向星光位置，对准目标光源；
(3)、通过控制与数据采集模块，控制滤光轮旋转，分别指定和依次选择滤光片，不同的滤光片可以让不同波长的光进入CCD成像探测器，从而实现多个波段的星空曝光成像；
(4)、利用星光的位置，计算斜程大气透过率T(λ)：
Tλ＝I(λ)/I0(λ)
Figure BDA0003004787310000021
τa＝-c*ln(Tλ)-τm-τgas
其中I和I0分别为光强测量值和星光光强，λ代表测量中心波长，τ代表光学厚度，下标a，gas，m分别代表气溶胶，大气成分和分子散射贡献，大气成份影响可通过非吸收波段选择扣除；c为大气质量数，由星光位置仰角计算得到；
(5)、利用测量大气压力，计算大气分子散射光学厚度τm；
(6)、获得气溶胶光学厚度参数τa。
本发明具有的技术效果有：
1、星光望远镜设计：与现有日光和月光光度计不同，多波段星光成像光度计属于微光探测，目标光强很弱，背景干扰大。采用大口径、小视场，对目标星及其周围天空进行分波段成像，可实时且有效扣除背景杂光影响，提高观测数据质量。
2、星光光度计观测，可实现夜间气溶胶的观测，可弥补日光光度计无法在夜间观测，月光光度计无法在月面照度较低(如玄月)时进行观测的缺陷，从而填补夜间气溶胶观测数据的空白。
3、通过波段选择，可同时实现夜间水汽和其他大气成份含量的观测。
4、本发明还可实现多目标星交替观测，通过交替观测，降低对设备定标的依赖性，可在没有定标的情况先实现高精度测量。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的光学成像探测系统结构示意图；
图3是本发明的二维跟踪转台结构示意图；
图4是本发明的光学望远镜结构示意图；
图5是本发明的气象和GPS传感器结构示意图；
图6是本发明的具体结构示意图；
图7是实施例1探测示意图；
图8是实施例2探测示意图；
图9是实施例3探测示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，多波段星光成像光度计，包括光学成像探测系统1、二维跟踪转台2、气象和GPS模块3、控制与数据采集模块4、计算机5；
所述的光学成像探测系统1安装在二维跟踪转台2上；气象和GPS模块3置于开阔位置，光学成像探测系统1、二维跟踪转台2、气象和GPS模块3分别通过电源和数据线与控制与数据采集模块4相连，控制与数据采集模块4与计算机5相连。
计算机5通过控制与数据采集模块4获取气象和GPS模块(3)采集到的经纬度、气象参数(温度、气压、湿度和是否下雨)和时间信息，并根据所选目标星，计算目标星的赤经角和赤纬角，并传递给二维跟踪转台2，使光学成像探测系统1对准目标星，并采集目标星及其周围天空图像，同时记录存储在计算机5内。
如图2所示，光学成像探测系统1包括光学望远镜6、滤光轮7、CCD成像探测器8、遮光筒9、抱箍10、支撑平台11；所述的光学望远镜6、滤光轮7和CCD成像探测器8依次相连；计算机5通过控制与数据采集模块4发出指令给滤光轮7，使滤光轮7旋转到相应波长的滤光片，滤光片到达位置后，计算机5发出指令，CCD成像探测器8采集目标星及其周围天空图像，并将图像数据下传给计算机5处理。
如图3所示，二维跟踪转台2为赤道仪方式的二维跟踪转台，包括载物台12、赤纬驱动机构13、赤纬轴14、赤经驱动机构15、平衡锤套杆16、平衡锤17，赤经轴18、安装支柱19；计算机5经控制与数据采集模块4发出指令给二维跟踪转台2赤经角和赤纬角信息，赤经驱动机构15和赤纬驱动机构13驱动载物台12，使其指向目标星位置，以供光学成像探测系统1观测。
如图4所示，光学望远镜6包括窗口片20、胶合透镜21、光阑22、视场校正片23；窗口片20用于封装光学望远镜6，阻挡灰尘，利于维护。胶合透镜21将一定视场的光引入光学望远镜6内，经光阑22限制视场，然后通过视场校正片23到达滤光轮7和CCD成像探测器8；
如图5所示，气象和GPS模块3包括温度传感器24、湿度传感器25、气压传感器26、雨感应器27、GPS模块28、电路板29；气象和GPS模块3将气象参数和时间参数下传存在在计算机5内。
整体结构如图6所示。
多波段星光成像光度计探测方法，包括以下步骤：
(1)、利用气象和GPS模块(3)获取安装地理位置(经纬度)、时间和气象参数传递给计算机(5)，计算机(5)根据观测时间，选取合适的目标星作为光源，计算星光光源所在赤经和赤纬；
(2)、通过控制与数据采集模块(4)，驱动二维跟踪转台(2)，使光学成像探测系统(1)指向星光位置，对准目标光源；
(3)、通过控制与数据采集模块(4)，控制滤光轮(7)旋转，分别指定和依次选择滤光片，不同的滤光片可以让不同波长的光进入CCD成像探测器(8)，从而实现多个波段的星空曝光成像；
(4)、利用星光的位置，计算斜程大气透过率T(λ)：
Tλ＝I(λ)/I0(λ)
Figure BDA0003004787310000051
τa＝-c*ln(Tλ)-τm-τgas
其中I和I0分别为光强测量值和星光光强，λ代表测量中心波长，τ代表光学厚度，下标a，gas，m分别代表气溶胶，大气成分和分子散射贡献，大气成份影响可通过非吸收波段选择扣除；c为大气质量数，由星光位置仰角计算得到；
(5)、利用测量大气压力，计算大气分子散射光学厚度τm；
(6)、获得气溶胶光学厚度参数τa。
具体的探测提供以下几个实施例：
实施例1
如图7所示，根据仪器所处地理位置和时间，由计算机5自动选择适合本地观测一颗目标星A。利用气象和GPS模块3提供的地理位置经纬度、时间、和气象参数，由计算机5决策天气条件是否适合观测。如适合观测，计算机5自动计算目标星的赤经和赤纬，计算机5发出指令二维跟踪转台2，使光学成像探测系统1指向目标星位置，到达为位置后，控制滤光轮7旋转，依次或指定相应滤光片，分波段对目标星成像于CCD成像探测器8，采集图像下传到计算机5，计算机5自动筛选目标星像元及其背景天空像元，并计算目标星的星光强度。利用气象和GPS模块3传回的气象参数，时间参数和位置，计算大气rayleigh散射、水汽含量。然后计算气溶胶光学厚度。
如例图，本例可对一颗目标星A实现连续观测，由计算机5进行程序设定，设定时间间隔，起始观测时间、终止观测时间以及观测时间步长(两次观测的时间差，如每隔5分钟观测一次)，对一颗目标星实现连续观测，从而实现气溶胶、水汽的时间变化数据提取。
实施例2
基于实施例1，对不同的目标星交替观测，如图8，在准同一时间内，分别选择不同仰角的目标星A、目标星B和目标星C(目标星的数目可选)，根据仪器所处地理位置和时间，利用气象和GPS模块3提供的地理位置经纬度、时间、和气象参数，由计算机5决策天气条件是否适合观测。如适合观测，计算机5自动计算目标星A的赤经和赤纬，计算机5发出指令二维跟踪转台2，使光学成像探测系统1指向目标星A位置，到达为位置后，控制滤光轮7旋转，依次或指定相应滤光片，分波段对目标星成像于CCD成像探测器8，采集图像下传到计算机5，计算机自动筛选目标星像元及其背景天空像元；同理，再对目标星B和C进行同样的步骤进行观测。然后根据目标星A、B、C的位置和气象和GPS模块3传回的气象参数，时间参数和位置，分别计算目标星A、B、C所得到的的大气斜程rayleigh散射、水汽含量。气溶胶光学厚度。由于目标星A、B、C的大气质量数不同，依据此方法可进行进一步定标研究。
实施例3
基于实施例1，如图9所示，在有月光可见的天气条件下，选择月亮作为光源进行观测。具体实施如下：利用气象和GPS模块3提供的地理位置经纬度、时间、和气象参数，由计算机5决策天气条件是否适合观测。如适合观测，计算机5自动计算月亮的赤经和赤纬，计算机5发出指令二维跟踪转台2，使光学成像探测系统1指向月球，二维跟踪转台2到达位置后，控制滤光轮7旋转，依次或指定相应滤光片，分波段对月球成像于CCD成像探测器8，采集图像下传到计算机5。利用气象和GPS模块3传回的气象参数，时间参数和位置，计算大气rayleigh散射、水汽含量。然后基于计算机5内置的月球模型，计算月球观测时段的亮度模型和参数，由观测月球亮度和月球模型数据计算气溶胶光学厚度。
如例图，本例可对月球进行连续跟踪观测，由计算机5进行程序设定，设定时间间隔，起始观测时间、终止观测时间以及观测时间步长(两次观测的时间差，如每隔5分钟观测一次)，从而实现气溶胶、水汽的时间变化数据提取。

Claims (6)

1.多波段星光成像光度计，其特征在于，包括光学成像探测系统(1)、二维跟踪转台(2)、气象和GPS模块(3)、控制与数据采集模块(4)、计算机(5)；
所述的光学成像探测系统(1)安装在二维跟踪转台(2)上；气象和GPS模块(3)置于开阔位置，光学成像探测系统(1)、二维跟踪转台(2)、气象和GPS模块(3)分别通过电源和数据线与控制与数据采集模块(4)相连，控制与数据采集模块(4)与计算机(5)相连；
计算机(5)通过控制与数据采集模块(4)获取气象和GPS模块(3)采集到的经纬度、气象参数和时间信息，并根据所选目标星，计算目标星的赤经角和赤纬角，并传递给二维跟踪转台(2)，使光学成像探测系统(1)对准目标星，并采集目标星及其周围天空图像，同时记录存储在计算机(5)内。
2.根据权利要求1所述的多波段星光成像光度计，其特征在于，所述的光学成像探测系统(1)包括光学望远镜(6)、滤光轮(7)、CCD成像探测器(8)、遮光筒(9)、抱箍(10)、支撑平台(11)；所述的光学望远镜(6)、滤光轮(7)和CCD成像探测器(8)依次相连；计算机(5)通过控制与数据采集模块(4)发出指令给滤光轮(7)，使滤光轮(7)旋转到相应波长的滤光片，滤光片到达位置后，计算机(5)发出指令，CCD成像探测器(8)采集目标星及其周围天空图像，并将图像数据下传给计算机(5)处理。
3.根据权利要求2所述的多波段星光成像光度计，其特征在于，所述的光学望远镜(6)包括窗口片(20)、胶合透镜(21)、光阑(22)、视场校正片(23)；窗口片(20)用于封装光学望远镜(6)，；胶合透镜(21)将一定视场的光引入光学望远镜(6)内，经光阑(22)限制视场，然后通过视场校正片(23)到达滤光轮(7)和CCD成像探测器(8)。
4.根据权利要求1所述的多波段星光成像光度计，其特征在于，所述的二维跟踪转台(2)为赤道仪方式的二维跟踪转台，包括载物台(12)、赤纬驱动机构(13)、赤纬轴(14)、赤经驱动机构(15)、平衡锤套杆(16)、平衡锤(17)，赤经轴(18)、安装支柱(19)；计算机(5)经控制与数据采集模块(4)发出指令给二维跟踪转台(2)赤经角和赤纬角信息，赤经驱动机构(15)和赤纬驱动机构(13)驱动载物台(12)，使其指向目标星位置，以供光学成像探测系统(1)观测。
5.根据权利要求1所述的多波段星光成像光度计，其特征在于，所述的气象和GPS模块(3)包括温度传感器(24)、湿度传感器(25)、气压传感器(26)、雨感应器(27)、GPS模块(28)、电路板(29)；气象和GPS模块(3)将气象参数和时间参数下传存在在计算机(5)内。
6.权利要求1到5任一项所述的多波段星光成像光度计的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、利用气象和GPS模块(3)获取安装地理位置、时间和气象参数传递给计算机(5)，计算机(5)根据观测时间，选取合适的目标星作为光源，计算星光光源所在赤经和赤纬；
(2)、通过控制与数据采集模块(4)，驱动二维跟踪转台(2)，使光学成像探测系统(1)指向星光位置，对准目标光源；
(3)、通过控制与数据采集模块(4)，控制滤光轮(7)旋转，分别指定和依次选择滤光片，不同的滤光片可以让不同波长的光进入CCD成像探测器(8)，从而实现多个波段的星空曝光成像；
(4)、利用星光的位置，计算斜程大气透过率T(λ)：
Tλ＝I(λ)/I0(λ)
Figure FDA0003004787300000021
τa＝-c*ln(Tλ)-τm-τgas
其中I和I0分别为光强测量值和星光光强，λ代表测量中心波长，τ代表光学厚度，下标a，gas，m分别代表气溶胶，大气成分和分子散射贡献，大气成份影响可通过非吸收波段选择扣除；c为大气质量数，由星光位置仰角计算得到；
(5)、利用测量大气压力，计算大气分子散射光学厚度τm；
(6)、获得气溶胶光学厚度参数τa。
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