陆文强 1,2,3杨世植 1,2,3,*罗涛 1,2,3李学彬 1,2,3[ ... ]韩叶颜 1,2,3
1 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大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 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基础科学研究中心，安徽 合肥 230031
5 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通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达（MODIS/CALIOP）的匹配数据集，提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别，利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明，分类网络的精确度可达到84%，检测率达到79%。对成功识别的透明卷云参数进行了反演，得到透明卷云光学厚度的平均绝对误差为0.2，均方根误差为0.25，相关系数为0.79。对云顶高度进行了反演，得到云顶高度的平均绝对误差为0.61 km，均方根误差为0.74 km，相关系数达到0.87。本研究利用MODIS/CALIOP匹配数据集以及神经网络算法，可得到透明卷云的分布以及其参数特性，为其在南海海域上空的分布情况提供了数据支撑，有助于相关研究人员了解该地区透明卷云的分布情况，提高辐射计算的精度。
大气光学 透明卷云 中分辨率成像光谱仪 云和气溶胶探测激光雷达 神经网络 中国南海海域
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
3 西安理工大学自动化学院, 陕西 西安 710048
高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成, 是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。 依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性, 采用C版本的离散纵标法(CDISORT), 充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素, 研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性, 并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异, 数值计算了三种激光波长(0.65, 1.06和3.8 μm)在卷云中传输时的衰减和透过特性。 计算结果表明: 较小太阳天顶角(小于80°)入射时, 两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小, 其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%, 较大太阳天顶角(大于80°)入射时, 两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大, 0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%; 卷云粒子单次散射时, 激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、 传输距离、 光学厚度及激光波长等因素有关, 随光学厚度的增加, 云层的激光透过率减少, 1.06 μm激光波长入射时透过率最大, 3.8 μm激光波长入射时透过率最小; 0.65和1.06 μm激光波长入射时, 随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加, 而3.8 μm波长激光, 随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少, 随相对方位角的增加, 云层的激光透过率减少, 且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。 该研究工作将为开展地空链路星载、 机载激光通信、 激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持, 同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、 制导和预警等应用提供预先理论研究基础。
激光辐射传输 卷云 透过率 多次散射 Laser radiation transmission Cirrus clouds Cloud transmittance Multiple scattering
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
卷云光学厚度是对全球气候、地球辐射收支影响较大的云光学参数之一。在**、大气科学等领域对卷云光学参数的求解算法有广泛的应用需求。应用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据求解卷云参数的算法，多采用卫星多通道数据，数据处理过程较为复杂。为解决这一问题，利用RT3模型结合MODIS云参数，模拟计算卷云反射率，建立卷云光学厚度查找表，设计简单算法，实现了卷云光学厚度的有效反演。对比卷云光学厚度反演结果和MODIS实际测得的数据，可得两者相关性达到0.97，验证了此算法下卷云光学厚度反演的可靠性。选取MODIS不同时间段的数据，分析了卷云光学厚度在不同时间、空间范围的变化情况，平均误差小于0.16，进一步验证了基于RT3模型的查找表反演卷云光学厚度的有效性。研究结果有助于实现全球范围内卷云光学特性的简单有效反演。
大气光学 卷云 光学厚度 倍加累加法 反演 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1901003
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
卷云对量子通信光信号的传输有极大的影响。根据卷云特性建立了卷云冰晶粒子的分布模型,研究了卷云的消光特性,并根据卷云的散射特性,分析了卷云冰水含量、传输距离、链路消光特性、信道容量和信道纠缠度衰减的定量关系,研究了噪声影响下隐形传态保真度的变化,并进行了仿真实验。实验结果表明,当传输距离为3 km时,在卷云冰水含量(体积质量)为0.4 g·m -3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.05 dB·km -1、0.94 dB·km -1和0.52,而在卷云冰水含量(体积质量)为 0.1 g·m -3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.20 dB·km -1、0.82 dB·km -1和0.07。由实验结果可见,自由空间量子通信信道的性能在卷云的影响下均发生了不同程度的变化。因此,在进行量子通信时,需考虑卷云的影响,根据卷云的变化调整性能参数,以提高通信质量。
量子光学 量子通信 卷云 链路消光特性 纠缠度衰减 隐形传态保真度 光学学报
2021, 41(20): 2027001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 安徽四创电子股份有限公司,安徽 合肥 230088
基于自行研制的一种自动快速变视场太阳光度计(VFOVSP),实现了不同视场内太阳辐射的快速测量,为地基区分气溶胶粒子与云粒子提供了 一个新的技术手段。新型光度计采用基于CCD图像传感器的太阳跟踪技术,并采用程控可变视场光阑,实现了在较短的时间间隔内对 不同视场值的快速测量。通过在不同的天气条件下,对仪器不同视场测量数据分析初步表明:通过比较不同视场测量的大气光学厚度的 变化,可提供一种薄卷云与气溶胶的区分技术。该方法可以较快地识别出当前大气环境中是否有卷云存在,为研究卷云特性提供了基础。
新型光度计 不同视场 光学厚度 卷云识别 novel photometer different fields of view atmospheric optical thickness cirrus clouds recognition 大气与环境光学学报
2020, 15(3): 189
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术研究院, 安徽 合肥 230026
与气溶胶粒子相比,前向小角度太阳透射比值变化对卷云中的冰晶粒子更加敏感。研发了一种基于图像跟踪、自动快速变视场的太阳光度计VFOVSP,它可快速测量窄视场到宽视场太阳的透射辐射,为地基测量卷云提供了新的技术手段。介绍了仪器的系统组成与测量原理。在大气无吸收波段,将仪器VFOVSP经Langley法标定后的测量结果与POMO2的测量结果进行对比,以验证仪器测量精度的可靠性。在不同的天气条件下进行测量,结果表明:不同小角度视场下透射比值的变化与粒子的种类有关,这为区分薄卷云和气溶胶粒子提供了可能。该仪器弥补了传统太阳光度计在有云天气下实时性、单一视场探测的不足,可以较好地识别出当前大气下是否有卷云存在,能够更好地满足实际科研需求。
光学器件 可变视场 光度计 卷云探测 图像跟踪 光学学报
2018, 38(10): 1012001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
采用偏振辐射信息反演云顶高度时, 为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度, 使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征, 给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异, 说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture, GHM), 使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明, 当卷云光学厚度大于3时, 偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感, 对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表, 使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度, 并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明, 与POLDER3的官方算法相比, 使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围, 反演结果与MODIS产品有更好的一致性.
多角度 偏振信息 卷云 云顶高度 反演 multi-angle polarized information cirrus cloud cloud top height retrieval
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
卷云大气的红外辐射特性是空间光电探测系统的重要背景辐射源。基于2.7 μm和4.3 μm波段的卷云粒子散射特性参数, 建立了卷云大气辐射传输模型。在MODIS实测卷云和大气参数条件下, 仿真计算得到大气层顶的红外辐射图像。各像元辐亮度的统计结果显示: 在2.7 μm带的平均辐亮度为1.832e-2±3.024e-2 W/(m2·sr), 卷云像元平均辐亮度比晴空像元强433倍; 各像元在4.3 μm带的平均辐亮度为3.027e-2±2.99e-3 W/(m2·sr), 像元最大辐亮度是最小值的2.37倍。
卷云 吸收带 红外辐射 晴空大气 cirrus absorption band infrared radiance clear-sky atmosphere MODIS MODIS 红外与激光工程
2018, 47(12): 1204003
1 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 北京环境特性研究所 光学辐射重点实验室, 北京 100854
卷云反射率是天气、气候和地球能量平衡研究中关注的重要参数。卷云反射率的快速算法在遥感反演卷云特性参数中具有重要应用。依据卷云反射率随卷云光学厚度、有效尺度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等参数的变化, 利用离散坐标法(Discrete Ordinate Radiative Transfer method, DISORT)计算卷云反射率, 预先建立卷云反射率随相关参数变化的快速查找表, 以此建立了卷云反射率的快速算法。将MODIS卫星探测的卷云光学厚度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等因素作为输入参数, 计算得到了卷云反射率, 比较了计算的卷云反射率和MODIS实际测量的卷云反射率值, 相关系数达到0.94, 平均偏差小于18.5%, 说明了卷云快速算法计算合理可行。
卷云 反射率 计算 cirrus cloud reflectance calculation MODIS MODIS 红外与激光工程
2018, 47(9): 0917006
