为了同步获取夜间晴空视线无云下整层大气透过率和水汽总量,将望远镜、多波段滤光片与近红外增强型CCD相结合,搭建了利用恒星辐射进行测量的研究平台。首先通过望远镜收集恒星辐射,辐射通过分波段滤光片滤光,利用CCD采集恒星图像。进一步提取拍摄图像的灰度值,采用Langley标定法计算整层大气透过率,同时利用改进的Langley法计算大气水汽总量。对测量结果、激光雷达和微波辐射计的测量值进行比较,验证了测量方法的可靠性。所开展的工作丰富了夜晚同步测量整层大气透过率和水汽总量的手段,对空间遥感和气象研究有一定的应用价值。

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数, 在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理, 并着重介绍了利用激光外差光谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法, 以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题组研制的 4.5 μm、3.53 μm 波段高分辨率激光外差光谱仪, 光谱分辨率分别达到了 0.006 cm-1、0.002 cm-1, 以及利用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系统工程应用中的后续发展进行了展望。

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参量, 在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、特别是光电工程等领域, 都需要对大气透过率进行深入的研究。文中详细讨论了整层大气透过率的获取原理和方法, 分析了不同获取方法的最新进展和存在的相关问题, 对比分析了软件仿真计算和直接测量的优缺点, 并对后续的研究工作进行了展望。

在昼夜观测恒星测量恒星宽光谱成像信号强度的基础上, 首先通过MODTRAN软件结合系统参数、恒星光谱特征研究了宽光谱信标利用Langley法标定大气透过率的标定误差, 据此通过标定恒星成像强度得到了整层大气宽光谱透过率; 然后, 利用大气模式研究了晴朗大气条件下宽光谱大气透过率与激光波段大气透过率的关系, 进一步得到了532 nm和1 064 nm的整层大气透过率; 最后, 将白天时段观测恒星测量的大气透过率与太阳辐射计观测太阳得到的透过率进行了实验对比。结果表明: 两种方法得到的大气透过率时间变化趋势一致、大小相仿。在此基础上开展了整层大气透过率的连续观测, 获得了整层大气透过率的昼夜连续数据、特别是获取了晨昏时段弱湍流时刻的整层大气透过率数据; 文中所开展的工作丰富了整层大气透过率的测量手段, 对地基激光工程研究和应用有促进作用。

提出了基于大气辐射传输方程的红外大气透过率测量方法，使用中波红外辐射亮度测量装置在青海德令哈和北京怀柔对红外大气透过率进行了实测验证；并与模型计算结果进行了对比。只需在短时间内精确测量不同天顶角处的大气辐射亮度，采用大气辐射传输方程对测量数据进行拟合，即可得到测试波段整层大气透过率。实测结果：德令哈大气透过率0.730，相对不确定度2.4%；怀柔大气透过率0.625，相对不确定度0.8%。此测量方法不需使用大口径望远镜，简便易行；更重要的是测量不基于大气外的标准星，透过率测量精度不受标准星亮度精度的影响。

分析了夜间利用恒星测量整层大气透过率的原理, 研制了用于夜间整层大气透过率测量的设备, 该设备能够对高度角大于15° 的任意天区内的0~5等恒星在400~750 nm分波段弱辐射大气透过率测量, 测量带宽为30 nm。采用自动控制CCD曝光时间的方法获取分波段恒星的弱辐射信号, 利用图像反馈模式纠正望远镜追星的误差, 实现无人值守自动连续整夜观测。设备定标采用Langley-plot定标方法与多目标星定标方法相结合。测量结果分别与CART和Modtran理论计算值进行了比较, 比较结果证明了测量方法的可行性和设备的可靠性。

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术, 利用该技术研制的装置易于集成化小型化, 可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。 基于激光外差光谱测量技术, 结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统, 系统分辨率约为0006 cm-1。 该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频, 通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测, 获得了高光谱分辨率的外差信号。 采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标, 获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度, 实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。 同时, 将实测整层大气透过率与MODTRAN50软件仿真计算的结果进行对比分析, 两者的一致性较好。 分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠, 在大气科学、 天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。

介绍了利用夜晚恒星辐射测量整层大气透过率的仪器及定标方法。基于已有的研究工作基础,利用Visual C++6.0开发和完善了整 层大气透过率采集程序,使仪器具有自动采集数据功能。利用整层大气透过率测量仪对不同光谱类型的恒星分别进行了测量定标 实验,对测量数据进行了分析和处理,得到了六大类光谱恒星在大气层上界的仪器测量值。基于夜晚整层大气透过率测量多目标 定标原理,在完成各大光谱类型的恒星辐射定标测量后,就能进行仪器的实时大气透过率测量。