1 海装驻上海地区第二军事代表室, 上海 200129
2 中国电子科技集团公司第二十七研究所, 河南 郑州 450047
3 北京航空航天大学仪器与光电工程学院, 北京 100083
对动态不良天候成像图像去雾霾方法进行了研究, 提出了基于改进色彩同态滤波、基于物理模型暗通道快速实时图像去雾霾方法, 将算法应用于静止场景和含运动目标场景, 并对比分析了各算法运行和测试效果, 经验证, 所提出的方法图像增强后全局熵值(7.608 3)更小, 图像的不确定性低, 纹理更清晰, 且单帧处理平均耗时12.223 ms, 满足实时性运行要求, 为后续复杂气象环境下目标检测、识别奠定了基础。
雾霾动态天候 图像增强 改进的同态滤波 暗通道物理模型 算法测试 haze dynamic weather image enhancement improved homomorphic filtering dark channel physical model algorithm testing
1 陆军工程大学, 石家庄 050000
2 陆军步兵学院, 石家庄 050000
3 武警第一机动总队机动第六支队, 河北 保定 072000
针对山区范围内敌军雷达站的分布、洞库位置、交通补给线路等大目标的识别提出一种基于非局部先验的算法。首先在山区雾霾图像内采用对色彩的索引以求得聚类检测的雾霾线, 进而对雾霾线中像素的传输系数初始值进行估计, 最后, 采用最优化的算法对传输系数正则化处理, 得到无雾霾图像。
图像去雾霾 大目标识别 非局部先验 图像复原 山区 image dehazing large target recognition non-local prior image restoration mountainous area
1 西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安 710048
2 2. Electrical & Computer Engineering Department, California State Univ, Northridge, CA 91330, USA
3 西安工程大学理学院, 陕西 西安 710048
在非直视无线紫外光通信中, 利用大气中的粒子对紫外光进行散射作用来传递信息, 非直视紫外光通信在近距离隐蔽通信中有广阔的应用前景。 雾霾粒子属于气溶胶范畴, 由空气中的灰尘、 硫化物、 有机碳氢化合物等粒子组成。 雾霾粒子的尺度、 浓度、 形状等因素均会对无线紫外光散射通信的传输特性产生较大的影响。 首先, 基于蒙特卡罗方法建立了非直视紫外光多次散射模型, 将霾粒子的半径和浓度这两个物理量引入该模型中, 通过模拟大量光子在雾霾条件下经多次散射到达接收端的概率, 进而仿真分析了系统路径损耗与粒子半径和浓度之间的关系。 结果表明, (1) 在无线紫外光近距离通信条件下, 雾霾浓度越大, 路径损耗越小, 系统通信性能越好; (2) 通信距离大于500 m时, 增加雾霾粒子浓度, 系统路径损耗总体先减小再增大; (3) 在粒子浓度一定情况下, 增大粒子半径, 路径损耗先减小后增大, 且随着通信距离的增大, 路径损耗极小值的位置不断向粒子半径小的一侧移动。 其次, 在模型中引入粒子尺度谱分布的概念, 对粒子尺度谱分布进行分割, 分别求出不同粒径及其所对应浓度。 假定粒子尺度谱分布中不同粒径的粒子依次对光子产生散射作用, 对相应光子到达接收端的概率求和, 得到光子到达接收端的总概率, 进而求得多种粒径的粒子共同存在情况下系统的路径损耗, 使仿真模型更加逼近实际大气信道中多种半径雾霾粒子共同存在的事实。 最后, 搭建实验平台, 分别在良好、 严重雾霾、 极严重雾霾三种不同天气条件下, 实验测量了系统路径损耗和通信距离、 收发仰角之间的关系, 并与考虑粒子尺度谱分布模型中计算得到的路径损耗进行对比, 实验数据与仿真结果趋势一致, 雾霾天气下的通信质量优于良好天气, 收发仰角越大对应的路径损耗也越大。
紫外光 雾霾粒子 粒子谱分布 路径损耗 Ultraviolet Haze particles Size distribution Path loss
1 山西省气候中心，山西 太原 030002
2 山西省气象台，山西 太原 030002
3 大连市气象装备保障中心，辽宁 大连 116001
近年来，太原盆地气溶胶污染比较严重。为探讨太原盆地气溶胶垂直分布及气象要素的影响，本研究团队应用CALIOP气溶胶资料、地面观测站资料获得了太原盆地2018—2020年气溶胶消光系数的垂直分布；基于HYSPLIT后向轨迹和聚类分析方法，结合CALIOP气溶胶类型数据、NCEP/NCAR再分析资料、MICAPS高空和地面常规观测资料对太原盆地不同来源的气溶胶的垂直分布、类型及天气形势进行了探讨。结果表明：太原盆地霾日气溶胶消光系数的最大值为1.22 km－1，消光系数随着高度的增加而减小；晴日消光系数的最大值为0.33 km－1；新疆和内蒙古方向的气团对太原霾日的贡献最大(46%)，其次为来自本地的污染气团(39%)；太原盆地受西北或偏西气流的影响，同时在低层暖平流的控制下，易聚集污染沙尘型气溶胶；在静稳天气背景下，低层暖平流导致逆温层形成，地面弱气压区及弱风速区使污染物不易扩散，容易聚集污染沙尘型气溶胶和大陆污染型气溶胶；地面上，太原盆地处于高压底前部，地面风速较大，700～850 hPa处的冷平流将高纬度的污染物输送至太原盆地，气溶胶以沙尘型气溶胶为主，气溶胶抬升高度较大。
遥感 霾日 气溶胶类型 CALIPSO 垂直分布 太原盆地
1 河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001
2 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
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态，为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此，厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化，建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法，研究了四波段条件（0.44、0.675、0.87、1.02 μm）下，混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明：混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区，在瑞利散射区，混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明，当混合比小于0.3时，硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位；当混合比大于0.7时，粒子散射特性主要受沙尘核的影响；在此区间内，粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响，并会出现强于（或弱于）任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。
灰霾 沙尘 硫酸盐 非球形粒子 混合比 光学特性 haze dust sulfate non-spherical particle mixing ratio optical properties 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210052
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
基于典型雾霾粒子的消光、吸收、散射截面、不对称因子参量和粒径分布函数的分析, 运用蒙特卡罗方法研究了不同组分、不同混合方式的雾霾介质中波长 0.55 μm 激光的传输散射特性, 比较了典型污染物颗粒介质对光的透射率影响。研究表明, 同等浓度下, 硫酸铵介质对光的透射率最高, 碳溶胶介质的透射率最低, 且雾霾的透射率小于灰霾透射率。此外, 对不同混合状态簇团粒子组成介质的透射率比较分析表明, 典型污染物粒子外混合状态和内混合状态对光的衰减性几乎相同, 而雾霾介质中水组分的分布对光的透射率有明显的影响。
激光传输 雾霾 蒙特卡罗方法 分布函数 透射率 laser beam transmission haze Monte Carlo method distribution function transmittance 大气与环境光学学报
2021, 16(5): 373
1 合肥中科光博量子科技有限公司, 安徽 合肥 230088
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
拉曼-米气溶胶激光雷达因无需假设雷达比, 而在准确测量气溶胶消光系数方面较传统米散射雷达更具优势。 在合肥市的外场探空比对实验结果表明, 2.5 km以下拉曼-米激光雷达反演的消光系数更为准确, 相差可达0.04 km-1, 且获取的水汽混合比廓线与探空数据一致性良好。 利用该技术获得了2019年—2020年秋、 冬季期间淮南市的气溶胶消光系数廓线和边界层高度等数据, 进而对空气质量污染期间的污染类型(本地污染排放、 传输型污染、 传输型污染叠加本地污染累积)和颗粒物的时空演变特征进行了统计分析。 结果显示该市在此期间受到20次细颗粒传输和8次沙尘传输影响。 其中沙尘传输主要来自西北方向, 由高空沉降至近地面(厚度达2 km以上), 平均大气边界层高度达1.23 km以上。 在典型细颗粒传输过程中, 边界层高度基本维持在1.1~1.2 km左右, 近地面风向以西北风为主, 少量东南风主导。 在细颗粒传输叠加本地累积的复合污染过程中, 边界层高度略低(平均高度在1.0 km左右), 近地面风向以偏北风为主, 污染气团自低空出现后, 其下沿高度持续降低并最终与近地面污染耦合。 在细颗粒导致的重污染过程中, 近地面水汽混合比及相对湿度数据与PM2.5的浓度变化趋势一致性良好, 说明颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化过程可能助推了PM2.5的生成, 加重污染形势。 对边界层的统计结果表明, 其高度变化对污染气团的沉降和近地面污染累积有十分明显的正相关性。 秋冬季期间, 该市的小时边界层高度大部分分布在1.6 km以下, 平均为1.0 km左右, 小时空气质量达重度污染期间, 边界层高度普遍不足0.6 km。 从气团后向轨迹模拟结果来看, 该市空气质量为中度及以上污染期间的气流主要来自偏北方向, 少量来自东南沿线, 因而污染期间需要加强市区偏北方向污染源的管控, 防止叠加影响。
拉曼-米气溶胶激光雷达 灰霾 沙尘气溶胶 淮南 大气探测 Raman-mie aerosol lidar Haze Dust aerosol Huainan city Atmospheric detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2484
武汉科技大学城市建设学院, 湖北 武汉 430065
为探究雾霾粒子吸湿性引起的散射吸湿增长特性,基于雾霾粒子湿度增长模型,利用Mie散射理论和多球T矩阵计算方法,详细研究了硫酸、硫酸铵、沙尘、硝酸铵以及碳质气溶胶5种典型雾霾粒子及其团簇在入射波长为532 nm、相对湿度在60%~95%范围内的散射吸湿增长特性。研究结果表明:对单一雾霾粒子,硫酸、硫酸铵以及硝酸铵这类二次水溶性无机粒子及其团簇的散射吸湿增长较突出,沙尘较为平缓,而碳质气溶胶则呈现抑制作用,同时,小粒径粒子的散射吸湿增长因子呈指数增长,而大粒径粒子则呈波动、负增长趋势;对于雾霾粒子的团簇,散射吸湿增长因子曲线整体增幅减小,粒子团簇的体积分数对散射吸湿的影响明显,随着体积分数的增加,散射吸湿增长因子曲线的波动频率增大,同时振幅减小,但整体呈现的吸湿增长还是由团簇粒子的粒径范围与成分决定,其中团簇粒径范围影响较大。这为探究雾霾粒子散射吸湿增长特性和研究大气污染提供了理论支持。
散射 雾霾粒子 Mie散射 多球T矩阵 散射吸湿增长因子 光学学报
2020, 40(24): 2429001
1 西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室，陕西 西安 710000
3 湖北航天技术研究院总体设计所，湖北 武汉 430040
为了研究紫外激光探测灰霾的后向散射特性，基于Mie散射理论和蒙特卡洛方法，建立紫外激光后向散射探测灰霾模型，仿真灰霾条件下紫外激光的后向散射过程，并分析了不同宽度紫外激光脉冲后向散射回波的峰值功率、波峰时延和半高全宽等特征。研究结果表明，在一定灰霾浓度范围内，灰霾浓度越低，发射脉冲越窄时，激光回波畸变越明显，当发射脉冲宽度大于10 ns，激光回波近似呈高斯分布；在发射脉冲宽度相同的条件下，激光回波峰值功率和回波波峰时延随着灰霾浓度的增大而增大，回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小，当发射脉冲宽度大于32 ns，回波峰值功率趋于平缓。文中研究成果可为紫外激光探测灰霾浓度及分析灰霾后向散射激光回波特性提供依据
紫外激光 灰霾 后向散射 脉冲宽度 UV laser haze backscattering pulse width 红外与激光工程
2020, 49(6): 20190414
