中北大学, 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心, 其精度直接影响到被测距离的精度, 而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。 为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响, 选用氧气A带为研究对象, 采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率, 利用随机Malkmus模型计算被测目标距离, 从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。 为此, 搭建了被动测距实验系统, 通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量, 验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。 首先, 介绍氧气A带透过率的计算方法, 计算理论值; 以卤素灯为光源, 利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线, 计算实测大气透过率, 分析光谱分辨率对单谱线的影响; 然后, 在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上, 对透过率计算模型进行拟合、 校正, 验证光谱分辨率对带模型的影响。 对于单条谱线, 仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大, 而对带平均谱线, 相同波数点的光谱信号取平均, 获得平均效应, 使得被测谱线几乎没有变化; 分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、 不同的精度要求选择合适的分辨率。 实验结果表明: 分辨率对单谱线的透过率影响较大, 随着分辨率的降低, 被捕获的光谱信息点取值越少, 被测目标距离相关系数越小; 分辨率对带平均透过率的计算影响较小, 不同分辨率下测得的目标距离, 几乎重合; 而仪器分辨率越高则测量时间越长, 当使用带平均透过率计算被测目标距离, 在精度要求范围内, 可以适当降低仪器分辨率, 从而极大地提高测量速度, 并达到测量实时性, 同时降低系统搭建的成本。 该结论可为透过率测量的应用提供依据。
仪器分辨率 氧气A带 透过率 被动测距 曲线拟合 Instrument resolution Oxygen A band Transmittance Passive ranging Curve fitting 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1974
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 上海卫星工程研究所, 上海 201109
5 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
云顶压强可用于估计云高, 对气象观测和云特性研究等具有重要的作用。基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪 (DPC) 在氧气 A 吸收带设置的 763 nm 和 765 nm 两个波段进行了云顶压强反演方法的研究。首先, 通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式, 并对拟合公式进行了误差分析和校正。然后, 分析了气溶胶、大气廓线等因素对云顶压强反演结果的影响, 并进一步利用晴空地表对反演方法进行了稳定性测试和原理性验证。测试结果表明氧气 A 带方法稳定性较好, 可以适用于不同天气状况和观测角度; 验证结果表明 DPC 反演压强与 DEM 估算压强有很好的一致性, 地表压强的平均偏差约为 47.6 hPa。最后, 将 DPC 反演的云顶压强与 MODIS 云顶压强产品 (MYD06) 进行了对比, 结果表明两颗卫星的云顶压强观测结果具有较好的空间一致性。
云顶压强 差分吸收光谱技术 氧气 A 吸收带 反演 cloud top pressure differential optical absorption spectroscopy oxygen A-band retrieval 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 256
基于氧气A波段的临边辐射强度模拟数据对临近空间高度(60~110 km)的大气温度反演进行了研究及结果分析。 首先, 基于正演模型分别模拟了无噪声和加入噪声情况下的临边辐射强度模拟值, 基于这两种模拟数据分别进行了临近空间大气温度反演, 并对氧气A波段中的所有谱线的反演结果进行了分析, 确定了氧气A波段各谱线权函数变化规律可作为温度观测的判断依据。 温度通过影响线强和自吸收两部分来影响辐射强度, 且温度对它们的影响正好相反, 权函数就是用来表示温度对辐射强度影响大小的函数, 而反演结果的差距可从其权函数中得到规律。 在无噪声情况下, 当温度对自吸收的影响小于对线强的影响时, 权函数未发生正负翻转, 温度反演精度较高, 平均反演偏差为4.1 K; 当温度对自吸收的影响大于对线强的影响时(主要位于60~80 km高度), 权函数发生正负翻转, 原因是自吸收降低了辐射强度对温度的灵敏度, 此时温度的反演精度较差, 平均反演偏差达到34.9 K。 此外, 在有噪声的情况下, 强线比弱线的抗干扰能力更强, 反演精度更高, 在实际观测中也更适合用于温度的反演, 所以线强的强弱也是谱线选择的另一个重要的依据。 基于辐射弱线, 进一步通过人为提高信噪比来分析辐射强度对反演精度的影响, 结果表明: 辐射越强, 信噪比越大, 温度的反演精度越高, 反之则越低。 当气辉谱线线强达到10-26时, 也可以用于80 km以上的温度反演并获得较好的反演结果, 反演精度<5 K。
氧气A带 温度反演 临近空间 Oxygen A-band Temperature retrieval Near space
1 陆军装甲兵学院兵器与控制系, 北京 100072
2 军事科学院系统工程研究院, 北京 100010
3 中国人民解放军66011部队, 北京 102600
基于测距光谱通道数量和位置选定规则,以氧气A吸收带为例,从系统探测距离、目标与背景信噪比、系统工作海拔等约束条件对带宽的限制出发,利用MODTRAN和MATLAB软件综合仿真分析了满足系统实时性、目标信噪比及不同探测距离条件下通道带宽上下限的取值范围。结果表明:相同条件下,系统平台海拔越高,带宽下限取值越小、范围越大、选取越灵活,系统探测距离越远,有效探测范围也越大;目标信噪比要求越高,带宽下限取值越大、范围越小、选取越受限,探测距离和有效探测范围越小。因此,设计系统时应根据任务要求,确定光谱通道位置和数量,计算系统工作实时性、目标信噪比、系统最大最小工作距离等多重约束条件下各通道带宽取值上下限曲线,通过确定能够同时满足最大及最小工作距离条件的上下限曲线最小交集,便可在曲线交集区域内选定满足设计要求的通道带宽取值。这为单目多光谱被动测距系统的参数设计和工程化提供有效的理论支撑和计算方法,从而设计出高低精度搭配、远近距离兼顾的多光谱被动测距系统。
大气光学 被动测距 单目多光谱系统 光谱通道 氧气吸收带 带宽
1 装甲兵工程学院控制工程系, 北京 100072
2 中国人民解放军66011部队, 北京 102600
3 中国人民解放军66061部队, 北京 100144
为消除测距光谱通道位置和数量选取对氧气吸收衰减被动测距技术测距精度的影响,基于氧气吸收衰减被动测距技术的基本原理,分析氧气A、B吸收带光谱谱线特性。对于吸收带带肩上的光谱通道,利用蒙特卡罗法,以拟合非吸收基线与理想基线的误差平方和与相关度为指标,分析光谱通道位置和数量及拟合多项式级次对非吸收基线拟合精度的影响。对于吸收带带内光谱通道,分析不同光谱通道处吸收率大小对测距距离和测距精度的影响。结果表明:在综合考虑系统实时性和测距精度要求的情况下,A吸收带两带肩上光谱通道各为1个,B吸收带单带肩上光谱通道为2个,位置均宜选择在各带肩靠近吸收带一端;吸收带内光谱通道可根据测距任务中对测程和测距精度的要求灵活选择其数量和位置。因此,在无法一次性获取测距波段完整光谱曲线的情况下,单目多光谱被动测距系统采用较少的光谱通道和最简单的直线拟合方法,不仅可以保证系统的测距精度,而且能够减少滤波片更替和软件计算的时间周期,进而增强系统数据采集和解算的实时性。
大气光学 被动测距 单目多光谱系统 光谱通道 氧气吸收带 基线强度 光学学报
2017, 37(10): 1001002
1 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130039
为了研究被测目标在氧气A带的自发射光谱与透射率的关系, 根据透射率的计算方法, 提出了采用偏最小二乘回归法对氧气A带的光谱进行基线拟合, 搭建了实验系统, 验证了该方法拟合基线的准确度。首先, 以黑体辐射理论为依据, 给出氧气A带平均透射率计算方法, 以实际被测目标光谱为研究对象, 以带外数据为依据, 利用偏最小二乘法拟合被测目标在氧气A带的基线。为提高拟合精度, 剔除了测量奇异点, 并利用基线拟合不确定度来评价偏最小二乘回归法拟合基线的准确度。为了验证该方法的准确性, 以卤素灯为光源, 在0～130 m范围内, 获得不同距离处的光谱曲线, 以及相同距离不同分辨率下的光谱曲线, 将各种曲线分别进行基线拟合, 分析各自的标准偏差。结果表明, 同一距离处不同分辨率下的平均标准偏差为0.23%, 随着分辨率的降低, 基线拟合不确定度变小, 信噪比增大; 基线拟合不确定度还与测试设备的分辨率有关, 分辨率越高, 带外信息基线拟合不确定度越大, 反之, 带外基线拟合不确定度越小。
光谱学 氧气A带 基线拟合 偏最小二乘回归 拟合不确定度
1 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术国家级重点实验室, 山西 太原 030051
针对比尔-朗伯定律单色传输和其他透过率模型计算速度慢的问题, 为了实现红外目标的高速被动测距, 研究了被动测距系统中氧分子A带吸收特征及大气中氧分子吸收率的计算方法。分析了大气中氧分子A带的吸收光谱及分布特性, 以当前大气参数和测量环境为基础, 结合HITRAN数据库, 将随机Malkums带模式引入到氧分子带平均吸收率计算中, 建立了基于随机Malkums带模式的被动测距数学模型。搭建了测距实验平台, 在12~128 m内对7个不同点进行了距离测量。实验结果表明, 在实际大气条件下, 利用该被动测距模型测得被测目标距离与实际距离的平均误差达到1.8%。该模型正确、可行, 满足红外目标被动测距的高速在线测试及隐蔽性、高精度、抗干扰能力强等要求。
红外目标 透过率计算 氧分子A带 随机Malkmus模型 被动测距 带平均吸收率 infrared target transmittance measurement molecular oxygen A-band random Malkmus band model passive ranging band average absorption
1 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原030051
被动测距技术结构简单、 隐身无源, 尤其适用于现代**目标的探测。 发展了基于目标辐射和氧分子光谱吸收衰减特性的近距离单波段被动测距方法。 根据Lambert-Beer定律, 确定氧气A带透过率与被测目标距离的关系; 分析吸收系数随环境参数变化的分布规律, 得到被测目标辐射强度分布。 根据带平均透过率和高温气体辐射窄带模型计算方法, 建立了基于洛伦兹线型的Elsasser模型近距离被动测距数学模型。 用实测数据计算透过率与理论模型进行拟合, 最终获得被测目标的距离信息, 考虑周围环境对氧分子吸收系数的影响, 校正测距精度。 搭建了测距实验平台, 10w黑体做光源, 采用分辨率为17 cm-1的光栅光谱仪, 光谱输入端采用23 mm口径的望远镜以提高光接收效率, 水平方向分别对200 m以内不同距离进行测试。 实验结果表明, 将测得数据经平滑处理后计算出透过率与相同条件下预测模型的预测值进行比较, 精度小于2.18%。
Elsasser模型 氧气A带 带平均吸收率 被动测距 Elsasser model Oxygen A band Band average transmission Passive ranging 光谱学与光谱分析
2014, 34(9): 2582
1 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
目标红外测距的实现同气体及其波段的选取密切相关。氧气A吸收带具有独特的谱线结构，对于火箭羽流或者高温辐射体的距离探测，氧气A吸收带是最佳的距离反演通道。通过深入研究逐线积分算法，设计了氧气A带标准光谱计算软件；利用吸收带带外数据，采用基线拟合的方法反演不同距离的带平均透射率，进而得到相应的距离。将ABB灯作为被测光源，在不同的距离下采集相应的光谱，并进行拟合计算，将实测数据的拟合计算结果同理论计算结果进行对比验证，其误差低于0.5%,在允许范围内。
光谱学 逐线积分 红外测距 氧气A吸收带
1 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 太原 030051
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为了实现红外光谱被动测距技术的准确测距以及透过率的精确计算, 采用插值法进行了基线拟合算法研究。以氧气A带为例, 利用逐线积分计算出A吸收带两边的带外数据, 采用多种插值拟合方法来拟合, 进行了详细的理论分析和仿真验证。通过几种拟合结果的对比, 多项式插值拟合取得了比较好的结果, 拟合精度最高。结果表明, 多项式插值拟合基线算法为建立透过率和距离等条件的数据库提供了方法, 为被动测距的实时测量提供了坚实的基础。
光谱学 氧气A带 基线拟合 逐线积分 spectroscopy oxygen A band baseline fitting line-by-line radiative transfer model
