CN103278479A - 大气辐射传输修正***及修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气辐射传输修正***及修正方法，包括有温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***、总控计算机，温度湿度廓线探测***包括有地基微波辐射计，地基微波辐射计的信号输出端连接有计算机一；气溶胶廓线探测***包括有微脉冲激光雷达，微脉冲激光雷达的信号输出端连接有计算机二；地面大气参数测量***包括有自动气象站、能见度仪、雨量感应器，自动气象站、能见度仪、雨量感应器的信号输出端共同接入计算机三；各计算机分别通过网线连接路由器，总控计算机内安装有大气光学参数控制软件、大气透过率计算软件，计算测量设备所关心的各个波段的平均透过率。本发明计算速度高，稳定性和实时性好。

Description

大气辐射传输修正***及修正方法

技术领域

本发明涉及大气参数测量仪器及大气辐射传输计算软件领域，具体涉及一套由硬件设备和计算软件集成的大气辐射传输修正***及修正方法。 

背景技术

使用地基光电观测设备对空中目标进行跟踪探测时，必须考虑大气对目标辐射信号的衰减作用。大气中的分子和气溶胶粒子散射和吸收来自目标的辐射信号，使目标辐射特性测量值和目标在穿过大气之前的辐射值存在很大的差别，且该差别随天气条件和局地大气参数（如水汽和其他吸收气体含量、大气气溶胶、温度、气压等）有很大的变化。因此，为获取目标的本征辐射信号，必须进行大气修正，扣除大气影响。 

大气辐射传输修正方法包括实际大气透过率的测量和根据探测的大气参数模拟计算大气透过率。目前，实时测量长斜程路径的大气透过率非常困难，且不易实现。而通过构建大气光谱透过率的计算模式对测量的辐射信号进行修正是有效方法。其前提是必须具备有效的大气光谱透过率模式和实时测量的大气参数。 

目前，国内目标辐射测量中的大气修正都是基于国外大气辐射传输软件（如MODTRAN等），采用标准大气模式计算大气透过率。其中的大气模式与我国典型地区实际大气存在较大差异，因此这对于我国光电工程应用来说，其在计算精度和计算效率上均存在一定局限性。 

因此，在保证计算精度和效率的前提下，开发一种适合于我国目标辐射特性测量的大气修正软件显得非常有必要。与此同时，要达到实时修正测量的红外辐射，必须实时获取当地的大气光学参数。因此，通过各种硬件设备实时测量大气光学参数是进行红外辐射传输大气修正的前提。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有目标辐射测量大气修正计算精度和计算效率差的特点，提供一套包含大气参数探测的硬件设备和相应的控制软件的大气光学参数测量***、大气光谱透过率计算软件和服务于大气透过率计算的当地大气参数数据库模式在内的实时大气传输修正***；根据实际测量的大气参数，采用本修 正方法，可以得到可见光到远红外所关心波段的大气透过率。在大气窗口波段（大气透过率大于50%的波段）的大气传输修正不确定度小于15%。 

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为： 

大气辐射传输修正***，其特征在于：包括有温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***、总控计算机，所述的温度湿度廓线探测***包括有地基微波辐射计，地基微波辐射计的信号输出端连接有计算机一；所述的气溶胶廓线探测***包括有微脉冲激光雷达，微脉冲激光雷达的信号输出端连接有计算机二；所述的地面大气参数测量***包括有自动气象站、能见度仪、雨量感应器，自动气象站、能见度仪、雨量感应器的信号输出端共同接入计算机三；所述的计算机一、计算机二、计算机三、总控计算机分别通过网线连接路由器，总控计算机内安装有大气光学参数控制软件，大气光学参数控制软件控制各种大气光学参数的收集，并将收集到的大气参数存储在总控计算机相应文件夹目录下面，具体为实时显示地基微波辐射计的工作状态和测量的0~10km范围内的温度、水汽廓线，并存储其测量数据；实时显示微脉冲激光雷达测量的0~10km范围内的气溶胶消光系数廓线，并存储其测量数据；实时显示自动气象站测量的地面气象参数信息，有温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向，并存储其测量数据；实时显示能见度仪测量的地面能见度，并存储其测量数据；当存在恶劣阴雨天气时，实时显示雨量感应器测量的降雨量，并存储其测量数据，同时大气光学参数控制软件根据事先设定的阈值给出气象报警提示；总控计算机内还安装有大气透过率计算软件，通过路由器与计算任务数据中心通信，大气透过率计算软件根据接收的观测目标的位置和时间信息，从总控计算机存储的测量大气参数文件夹下调用最近时刻测量的地面大气参数，通过计算得到可见光到红外波段的大气光谱透过率，用于大气辐射传输修正。 

所述的大气辐射传输修正***，其特征在于：所述的地基微波辐射计包括有微波发射单元、微波接收单元。 

所述的大气辐射传输修正***，其特征在于：所述的微脉冲激光雷达包括有半导体激光泵浦的Nd:YAG脉冲激光器、激光发射和信号接收的光学***、高灵敏度光电探测器、高速多通道计数器，激光器垂直向上发射532nm的激光，接收光学***接收经大气气溶胶后向散射的回波信号，实现大气气溶胶的时空分布 探测。 

所述的大气辐射传输修正***，其特征在于：所述的自动气象站采集近地面常规气象参数，如温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向；所述的能见度仪，通过前向散射原理测量地面能见度；所述的雨量感应器主要是感应液态水。  

大气辐射传输修正方法，其特征在于：大气透过率计算软件通过分别计算分子吸收、气溶胶衰减、分子连续吸收和散射的透过率，总的大气透过率等于以上三部分透过率的乘积，其具体计算过程如下： 

（1）根据接收的目标位置和探测时间信息，调用最近时刻下温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***实测的大气参数：包括微波辐射计测量的温度和水汽廓线、微脉冲激光雷达测量的气溶胶消光廓线、地面大气参数测量***测量的地面气象参数； 

定义影响大气衰减的高度为地面到海拔120km高度；大气高度层分为50层：分别为0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.0, 15.0, 16.0, 17.0, 18.0, 19.0, 20.0, 21.0, 22.0, 23.0, 24.0, 25.0, 27.5, 30.0, 32.5, 35.0, 37.5, 40.0, 42.5, 45.0, 47.5, 50.0, 55.0, 60.0, 65.0, 70.0, 75.0, 80.0, 85.0, 90.0, 95.0, 100.0, 105.0, 110.0, 115.0, 120.0 km； 

根据地基微波辐射计测量的地面至10km高度上的温度和水汽含量廓线，用插值法得到地面到10km规定高度上的值，10km高度以上的水汽含量、温度采用站点附近的历年的相同时间的大气探空数据，根据地面测量的气压和历年气压廓线得到实际的气压廓线；而CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄、O₂分子含量廓线随时间变化不是很大，直接采用标准大气模式中相同季节和纬度的数据； 

（2）所述的分子吸收透过率计算采用我们提出的基于逐线积分拟合的快速算法；首先用LBLRTM计算H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O₂ 7种吸收气体在9个参考气压和9个参考温度下，不同吸收含量的单色透过率，9个参考气压分别为1100hPa、350 hPa、100 hPa、35 hPa、10 hPa、3.5 hPa、1 hPa、0.35 hPa、0.1 hPa；9个参考温度分别为200k、215k、230k、245K、260k、275K、290k、305K和320k；在每种气压和温度下，用一种非线性拟合算法拟合不同吸收含量下的计算值将得到一系列的拟合系数，建立每个子波段、每种吸收气体的拟合系数数据库： 

$T_v(t,p,u)=\exp \{-u\·\exp \left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{i(t,p)}{\left[\log \left(u\right)\right]}^i\right)\}---\left(1\right)$

该算法中，t为参考温度，p为参考气压，u为吸收含量，c_i(t,p)为某种参考温度和参考气压下拟合得到的系数，M为拟合的最高次数，Tv(t,p,u)是指平均到了指定波数间隔的平均透过率，M取4就具有足够的精度，则对每种吸收气体在每个子波段上将得到9×9×5＝405个拟合系数； 

对均匀路径传输，任意温度、任意气压下的系数可插值得到，温度采用线性插值，当温度小于200k时，取200k的极限值，当温度大于320时取320k的极限值；气压采用对数插值，当气压大于1100hPa时，取1100hPa的极限值，当气压小于0.1hPa时取0.1hPa的极限值； 

对非均匀路径传输，首先用插值法得到每层高度上的系数，然后用Curtis-Godson(C-G)近似 

${\tilde{C}}_i=\frac{\∫C_i(t,p)\·\stackrel{\‾}{k}\·\mathrm{du}(t,p)}{\stackrel{\‾}{k}\·\mathrm{du}(t,p)}---\left(2\right)$

得到该路径上的平均系数，最后有效透过率为 

$T_v\left(U\right)=\exp [-U\·\exp ({\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=M}{\tilde{C}}_i{\left[\log \left(U\right)\right]}^i\}---\left(3\right)$

式中U为该路径上总的吸收含量 

$U=\∫\mathrm{du}(t,p)---\left(4\right)$

1）所述的气溶胶衰减透过率计算算法，是根据气溶胶种类（或提供气溶胶复折射率）、地面能见度、实测气溶胶尺度谱分布、消光高度分布廓线用Mie散射公式计算气溶胶衰减的模式，具体为： 

任意波长地面到某个高度H上的气溶胶衰减可按以下公式计算 

$T_{\mathrm{aer}}(\mathrm{\λ},H)=\exp (-{{\∫}_0}^H\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},h)\·\mathrm{dh})---\left(5\right)$

式中：β(λ,h)为任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数，h是传输路径，λ为波长； 

根据这个波长的数据推广到任意波长和规定高度层上的消光廓线，则任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数由两部分组成： 

$\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},h)\≈\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},0)\×N\left(h\right)---\left(6\right)$

式中：β(λ,0) 是地面的气溶胶衰减系数随光谱变化的部分，N(h)是气溶胶衰减廓线随高度变化部分； 

根据目标探测的时间信息和应用场景位置选择合适的气溶胶模型，并根据在当地大气参数数据库建设中实际测量的当地的气溶胶平均谱分布，由下式用Mie散射公式计算近地面气溶胶相对衰减系数β¹(λ,0)： 

${\mathrm{\β}}^1(\mathrm{\λ},0)={\∫}_{r_1}^{r_2}{\mathrm{\πr}}^2{Q}_e(\mathrm{\λ},m)\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dr}}\mathrm{dr}---\left(7\right)$

其中，

 是用粒子计数器测量的地面大气气溶胶平均粒子谱分布；根据激光雷达测得的地面能见度(vis)和以下公式计算得到0.53μm波长上的绝对衰减系数 

$\mathrm{\β}\left(\mathrm{0.53,0}\right)=\frac{3.912}{\mathrm{vis}}-{\mathrm{\β}}_M---\left(8\right)$

式中，β_M是0.53μm分子散射系数，在海平面处可近似地取0.0016km ^-1；则近地面任意波长的消光系数为 

$\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},0)={\mathrm{\β}}^1(\mathrm{\λ},0)\·\mathrm{\β}\left(\mathrm{0.53,0}\right)---\left(9\right)$

根据实测的地面至3km范围内波长为532nm处各个高度上的消光系数，归一化到近地面的消光系数，得到地面到3km上各个高度上的相对消光系数N(h)；3km以上高度的消光系数随时间变化不是很大，则直接用modtran给出的高度分布N(h)；任意波长和任意高度的消光系数近似为地面消光系数β(λ,0)乘以高度分布N(h)； 

2）所述的分子连续吸收，起作用的主要有H₂O、CO₂、O₃、O₂和N₂，分子散射主要考虑瑞利散射，分子的连续吸收和散射透过率可采用国际上公认的最新的MT_CKD1.2方法进行计算； 

大气透过率计算软件根据实时观测的影响目标辐射在大气中传输的关键大气光学参数（大气水汽、温度和气溶胶高度分布廓线以及地面常规气象参数）和目标的位置信息，计算获得测量时刻的各个观测波段的大气光谱透过率；根据近一年时间的实地观测的大气参数和收集的历史气象数据得到当地的大气参数模 式；通过与国外现有的模式比较以及与有关的部分实际测量数据比较，校验大气传输修正精度。 

与现有技术相比本发明具有的积极效果在于： 

(3)由于使用自主研发的大气辐射传输算法进行大气修正，解决了目标辐射特性测量领域中的大气修正完全依赖于国外大气辐射传输计算软件的局面，填补了国内大气辐射传输修正领域的空白； 

(4)采用了先进的大气光学参数探测设备，实时测量影响光波大气传输重要的大气光学参数，提高了大气辐射传输修正的计算精度； 

(5)根据实际的目标位置信息和时间信息，采用该时刻下实测的大气参数进行辐射传输计算，提高了目标辐射测量大气修正的实时性； 

(6)与采用国外标准大气模式相比，采用基于历年当地气象探空数据和实际测量的当地的大气参数形成的当地的大气模式来计算的大气透过率，提高了大气透过率的计算精度。 

附图说明

图1是本发明的原理框图。 

图2是本发明的硬件***布局图。 

图3是大气透过率计算软件处理流程图。 

图4是大气透过率计算软件总体结构图。 

图5是大气透过率计算软件计算值和仪器实测值的对比图。 

具体实施方式

如图1、2所示，大气辐射传输修正***，包括有温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***、总控计算机9，温度湿度廓线探测***包括有地基微波辐射计1，地基微波辐射计1的信号输出端连接有计算机2；气溶胶廓线探测***包括有微脉冲激光雷达3，微脉冲激光雷达3的信号输出端连接有计算机4；地面大气参数测量***包括有自动气象站5、能见度仪6、雨量感应器7，自动气象站5、能见度仪6、雨量感应器7的信号输出端共同接入计算机8；计算机2、计算机4、计算机8、总控计算机9分别通过网线连接路由器10，总控计算机9内安装有大气光学参数控制软件，大气光学参数控制软件控制各种大气光学参数的收集，并将收集到的大气参数存储在总控计算机相应 文件夹目录下面，具体为实时显示地基微波辐射计的工作状态和测量的0~10km范围内的温度、水汽廓线，并存储其测量数据；实时显示微脉冲激光雷达测量的0~10km范围内的气溶胶消光系数廓线，并存储其测量数据；实时显示自动气象站测量的地面气象参数信息，有温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向，并存储其测量数据；实时显示能见度仪测量的地面能见度，并存储其测量数据；当存在恶劣阴雨天气时，实时显示雨量感应器测量的降雨量，并存储其测量数据，同时大气光学参数控制软件根据事先设定的阈值给出气象报警提示；总控计算机9内还安装有大气透过率计算软件，通过路由器10与计算任务数据中心11通信，大气透过率计算软件根据接收的观测目标的位置和时间信息，从总控计算机存储的测量大气参数文件夹下调用最近时刻测量的地面大气参数，通过计算得到可见光到红外波段的大气光谱透过率，用于目标辐射大气传输修正。 

大气辐射传输修正方法，大气透过率计算软件通过分别计算分子吸收、气溶胶衰减、分子连续吸收和散射的透过率，总的大气透过率等于以上三部分透过率的乘积，其具体计算过程如下： 

（1）根据接收的目标位置和探测时间信息，调用最近时刻下温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***实测的大气参数：包括微波辐射计测量的温度和水汽廓线、微脉冲激光雷达测量的气溶胶消光廓线、地面大气参数测量***测量的地面气象参数； 

定义影响大气衰减的高度为地面到海拔120km高度；大气高度层分为50层：分别为0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.0, 15.0, 16.0, 17.0, 18.0, 19.0, 20.0, 21.0, 22.0, 23.0, 24.0, 25.0, 27.5, 30.0, 32.5, 35.0, 37.5, 40.0, 42.5, 45.0, 47.5, 50.0, 55.0, 60.0, 65.0, 70.0, 75.0, 80.0, 85.0, 90.0, 95.0, 100.0, 105.0, 110.0, 115.0, 120.0 km； 

根据地基微波辐射计测量的地面至10km高度上的温度和水汽含量廓线，用插值法得到地面到10km规定高度上的值，10km高度以上的水汽含量、温度采用站点附近的历年的相同时间的大气探空数据，根据地面测量的气压和历年气压廓线得到实际的气压廓线；而CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄、O₂分子含量廓线随时间变化不是很大，直接采用标准大气模式中相同季节和纬度的数据； 

（2）所述的分子吸收透过率计算采用我们提出的基于逐线积分拟合的快速 算法；首先用LBLRTM计算H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O₂ 7种吸收气体在9个参考气压和9个参考温度下，不同吸收含量的单色透过率，9个参考气压分别为1100hPa、350 hPa、100 hPa、35 hPa、10 hPa、3.5 hPa、1 hPa、0.35 hPa、0.1 hPa；9个参考温度分别为200k、215k、230k、245K、260k、275K、290k、305K和320k；在每种气压和温度下，用一种非线性拟合算法拟合不同吸收含量下的计算值将得到一系列的拟合系数，建立每个子波段、每种吸收气体的拟合系数数据库： 

$T_v(t,p,u)=\exp \{-u\·\exp \left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{i(t,p)}{\left[\log \left(u\right)\right]}^i\right)\}---\left(1\right)$

该算法中，t为参考温度，p为参考气压，u为吸收含量，c_i(t,p)为某种参考温度和参考气压下拟合得到的系数，M为拟合的最高次数，T_v(t,p,u)是指平均到了指定波数间隔的平均透过率，M取4就具有足够的精度，则对每种吸收气体在每个子波段上将得到9×9×5＝405个拟合系数； 

对均匀路径传输，任意温度、任意气压下的系数可插值得到，温度采用线性插值，当温度小于200k时，取200k的极限值，当温度大于320时取320k的极限值；气压采用对数插值，当气压大于1100hPa时，取1100hPa的极限值，当气压小于0.1hPa时取0.1hPa的极限值； 

对非均匀路径传输，首先用插值法得到每层高度上的系数，然后用Curtis-Godson(C-G)近似 

${\tilde{C}}_i=\frac{\∫C_i(t,p)\·\stackrel{\‾}{k}\·\mathrm{du}(t,p)}{\stackrel{\‾}{k}\·\mathrm{du}(t,p)}---\left(2\right)$

得到该路径上的平均系数，最后有效透过率为 

$T_v\left(U\right)=\exp [-U\·\exp ({\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=M}{\tilde{C}}_i{\left[\log \left(U\right)\right]}^i\}---\left(3\right)$

式中U为该路径上总的吸收含量 

$U=\∫\mathrm{du}(t,p)---\left(4\right)$

3）所述的气溶胶衰减透过率计算算法，是根据气溶胶种类（或提供气溶胶复折射率）、地面能见度、实测气溶胶尺度谱分布、消光高度分布廓线用Mie散射公式计算气溶胶衰减的模式，具体为： 

任意波长地面到某个高度H上的气溶胶衰减可按以下公式计算 

$T_{\mathrm{aer}}(\mathrm{\λ},H)=\exp (-{{\∫}_0}^H\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},h)\·\mathrm{dh})---\left(5\right)$

式中：β(λ,h)为任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数，h是传输路径，λ为波长； 

根据这个波长的数据推广到任意波长和规定高度层上的消光廓线，则任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数由两部分组成： 

$\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},h)\≈\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},0)\×N\left(h\right)---\left(6\right)$

式中：β(λ,0) 是地面的气溶胶衰减系数随光谱变化的部分，N(h)是气溶胶衰减廓线随高度变化部分； 

根据目标探测的时间信息和应用场景位置选择合适的气溶胶模型，并根据在当地大气参数数据库建设中实际测量的当地的气溶胶平均谱分布，由下式用Mie散射公式计算近地面气溶胶相对衰减系数β¹(λ,0)： 

${\mathrm{\β}}^1(\mathrm{\λ},0)={\∫}_{r_1}^{r_2}{\mathrm{\πr}}^2{Q}_e(\mathrm{\λ},m)\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dr}}\mathrm{dr}---\left(7\right)$

其中，

 是用粒子计数器测量的地面大气气溶胶平均粒子谱分布；根据激光雷达测得的地面能见度(vis)和以下公式计算得到0.53μm波长上的绝对衰减系数 

$\mathrm{\β}\left(\mathrm{0.53,0}\right)=\frac{3.912}{\mathrm{vis}}-{\mathrm{\β}}_M---\left(8\right)$

式中，β_M是0.53μm分子散射系数，在海平面处可近似地取0.0016km ^-1；则近地面任意波长的消光系数为 

$\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},0)={\mathrm{\β}}^1(\mathrm{\λ},0)\·\mathrm{\β}\left(\mathrm{0.53,0}\right)---\left(9\right)$

根据实测的地面至3km范围内波长为532nm处各个高度上的消光系数，归一化到近地面的消光系数，得到地面到3km上各个高度上的相对消光系数N(h)；3km以上高度的消光系数随时间变化不是很大，则直接用modtran给出的高度分布N(h)；任意波长和任意高度的消光系数近似为地面消光系数β(λ,0)乘以高度分布N(h)； 

4）所述的分子连续吸收，起作用的主要有H₂O、CO₂、O₃、O₂和N₂， 分子散射主要考虑瑞利散射，分子的连续吸收和散射透过率可采用国际上公认的最新的MT_CKD1.2方法进行计算； 

大气透过率计算软件根据实时观测的影响目标辐射在大气中传输的关键大气光学参数（大气水汽、温度和气溶胶高度分布廓线以及地面常规气象参数）和目标的位置信息，计算获得测量时刻的各个观测波段的大气光谱透过率；根据近一年时间的实地观测的大气参数和收集的历史气象数据得到当地的大气参数模式；通过与国外现有的模式比较以及与有关的部分实际测量数据比较，校验大气传输修正精度。 

图1为大气辐射传输修正***原理框图。硬件部分主要包括大气参数实时探测设备，其探测结果作为大气修正模式的输入部分；软件部分主要为大气光谱透过率计算软件、作为软件输入的目标位置信息和仪器光谱响应函数，以及当地的大气参数模式。 

图2为大气辐射传输修正***布局图，其中微波辐射计和地面自动气象站直接裸露在外面开阔的地带；微脉冲激光雷达需安装在一小房间内，房间设垂直玻璃窗口，用于激光雷达对外工作，内置空调满足激光雷达环境工作温度在5~35度之间的要求；能见度仪应安装在离地面2~3米的高度处，传感器的接收端应指向北。 

大气辐射传输修正***处理流程如图3所示：   

进入主程序后，先获取三方面的数据：一：来自大气辐射修正***实测大气参数数据；二：来自测量***的请求大气透过率计算的目标轨迹文件，包括一次任务的目标在空间各个位置的时间信息和目标位置信息。其中实测大气参数包括：微波辐射计测量的地面至10km高度上的温度和水汽廓线。当获得仪器测到的温度、水汽含量廓线后，根据建立的当地的大气参数数据库，利用插值法制作实际的温度和水汽含量廓线；其它分子含量廓线和气压廓线则根据历年大气参数模式和时间信息制作实际的相应的廓线；根据雷达测得的地面到3km高度气溶胶消光廓线、地面能见度并选择合适的气溶胶模型制作实际的任意光谱上的气溶胶消光廓线。然后根据实际的大气参数廓线、气溶胶消光廓线、时间信息和目标位置的仰角和斜距信息，先计算一些位置点上宽波段内（1～12μm波长上）的大气光谱透过率，并结合光谱响应函数得到各个波段的平均大气透过率，其它位 置点上的各个波段平均大气透过率利用插值法得到，输出计算结果和大气参数给地基测量******，程序结束。

大气透过率计算软件总体结构如图4所示，各个模块的功能如下： 

PROFILE：负责根据仪器实际测量的任务期间的大气光学参数和当地的大气参数数据库，制作得到实际的大气参数廓线（包括大气温度廓线、压强廓线、各种吸收气体廓线、大气气溶胶消光廓线等），作为一组完整的大气参数数据廓线提供给主程序，供大气透过率计算用。 

TRANS： 按从可见光到远红外波段，按1cm^-1波长间隔，计算测量设备所关心波段的光谱透过率。TRANS子程序主要负责根据大气参数和光谱参数，计算各个波段的大气光谱透过率，供主程序调用。 

MOLE：  负责计算分子吸收透过率，考虑大气中7种主要的吸收气体：H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O₂，是TRANS模块的必要组成部分。 

CONT：  负责计算各种分子连续吸收（主要考虑五种气体分子的连续吸收：H₂O、CO₂、O₃、O₂和N₂）和分子散射透过率， TRANS模块的必要组成部分。 

AERO： 负责计算气溶胶吸收和散射的透过率，TRANS模块的必要组成部分。 

大气透过率计算软件，采用历史探空数据和气象部分收集的其他数据及实地的观测重要的大气光学数据，建立了观测站的大气参数数据库。 

本发明采用多频段地基微波辐射计实时观测反演得到大气温度和水汽廓线。采用美国RadioMetrics公司生产的MP-3000A型微波辐射计，它可以连续不断地测量20-200Ghz的22个通道的微波信号，通过神经网络，经当地的大气探空廓线训练，得到实时的温度廓线、水汽廓线、液态水廓线等。廓线从0到500m高度上每50m输出一个数据，500m到2km高度上每100m输出一个数据，2km到10km每250m输出一个数据，共58个反演层，每2.5分钟输出一组廓线值。 

采用微脉冲激光雷达实现气溶胶消光高度分布廓线。采用了全固体化半导体泵浦Nd:YAG激光器作为雷达的光源，采用模块化的设计，激光发射和接收共轴***等措施，提高了***的稳定和可靠性。激光发射单元主要包含激光器和扩俗气；光学接收单元包含接收望远镜、微孔光栏、窄带滤光片和聚焦透镜。回波信号传递到探测器。多道光子计数器按照时序累加平均接收的信号，同时将它们存 储到数据存储单元。 

采用WXT520型传感器，研制了电源、接口和数据采集传输模块，完成地面自动气象站的研制。计算机和自动气象站之间的接口转换根据距离远近可以选用RS232或RS485接口，可以实时测量地面大气温度、露点温度、相对湿度、气压、风速、风向。 

能见度仪的传感器采用前向散射原理，其发射端通过一个高功率LED向测量区域发射波长为880nm的红外线光束。接受端将测量被测量区域中的微粒和气溶胶散射到接收端的红外线的量，然后计算处消光系数，从而得到地面可见光（0.55微米）水平能见度。 

将雨感应器外置接收端上布置了金属电阻丝，当没有水落到电阻丝上时，电阻丝接出后的两根信号线没有导通，相当于电阻丝的电阻很大；当有水滴落到电阻丝上时，电阻丝接线端导通了，呈现一定大小的电阻，通过电阻的变化，接线盒内AD模块采集到电阻两端间的电压，通过电压的变化判断是否有降雨，并通过串口伺服器给出数字信号。 

水平大气透过率由傅立叶光谱辐射计FTIR测得，利用大气光学参数测量***测量的地面大气参数(气压、温度、湿度)、地面能见度，用所研制的大气透过率计算软件计算光谱测量时刻下的大气透过率值，如图5所示，为了便于比较，图的上部分是将计算值和测量值同时平滑到5 cm^-1光谱分辨率的结果，图的下部分是计算值和测量值的差别。对应于此透过率光谱测量时刻(2010年4月7号16点50分)的大气参数分别为：气压1020hPa；温度287.75k；相对湿度35%；地面能见度24.3km，波段范围：2到10微米（1000到5000 cm^-1）。 

从图上可以看出，计算值和测量值符合得非常好，在2~10微米波段，两者的标准偏差为5.4%左右。 

Claims (5)

1.大气辐射传输修正***，其特征在于：包括有温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***、总控计算机，所述的温度湿度廓线探测***包括有地基微波辐射计，地基微波辐射计的信号输出端连接有计算机一；所述的气溶胶廓线探测***包括有微脉冲激光雷达，微脉冲激光雷达的信号输出端连接有计算机二；所述的地面大气参数测量***包括有自动气象站、能见度仪、雨量感应器，自动气象站、能见度仪、雨量感应器的信号输出端共同接入计算机三；所述的计算机一、计算机二、计算机三、总控计算机分别通过网线连接路由器，总控计算机内安装有大气光学参数控制软件，大气光学参数控制软件控制各种大气光学参数的收集，并将收集到的大气参数存储在总控计算机相应文件夹目录下面，具体为实时显示地基微波辐射计的工作状态和测量的0~10km范围内的温度、水汽廓线，并存储其测量数据；实时显示微脉冲激光雷达测量的0~10km范围内的气溶胶消光系数廓线，并存储其测量数据；实时显示自动气象站测量的地面气象参数信息，有温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向，并存储其测量数据；实时显示能见度仪测量的地面能见度，并存储其测量数据；当存在恶劣阴雨天气时，实时显示雨量感应器测量的降雨量，并存储其测量数据，同时大气光学参数控制软件根据事先设定的阈值给出气象报警提示；总控计算机内还安装有大气透过率计算软件，通过路由器与计算任务数据中心通信，大气透过率计算软件根据接收的观测目标的位置和时间信息，从总控计算机存储的测量大气参数文件夹下调用最近时刻测量的地面大气参数，通过计算得到可见光到红外波段的大气光谱透过率，用于大气辐射传输修正。

2.根据权利要求1所述的大气辐射传输修正***，其特征在于：所述的地基微波辐射计包括有微波发射单元、微波接收单元。

3.根据权利要求1所述的大气辐射传输修正***，其特征在于：所述的微脉冲激光雷达包括有半导体激光泵浦的Nd:YAG脉冲激光器、激光发射和信号接收的光学***、高灵敏度光电探测器、高速多通道计数器，激光器垂直向上发射532nm的激光，接收光学***接收经大气气溶胶后向散射的回波信号，实现大气气溶胶的时空分布探测。

4.根据权利要求1所述的大气辐射传输修正***，其特征在于：所述的自动气象站采集近地面常规气象参数，如温度、湿度、气压、露点温度、风速和风向；所述的能见度仪，通过前向散射原理测量地面能见度；所述的雨量感应器主要是感应液态水。

5.基于权利要求1所述的大气辐射传输修正***的修正方法，其特征在于：大气透过率计算软件通过分别计算分子吸收、气溶胶衰减、分子连续吸收和散射的透过率，总的大气透过率等于以上三部分透过率的乘积，其具体计算过程如下：

（1）根据接收的目标位置和探测时间信息，调用最近时刻下温度湿度廓线探测***、气溶胶廓线探测***、地面大气参数测量***实测的大气参数：包括微波辐射计测量的温度和水汽廓线、微脉冲激光雷达测量的气溶胶消光廓线、地面大气参数测量***测量的地面气象参数；

定义影响大气衰减的高度为地面到海拔120km高度；大气高度层分为50层：分别为0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.0, 15.0, 16.0,17.0, 18.0, 19.0, 20.0, 21.0, 22.0, 23.0, 24.0, 25.0, 27.5, 30.0, 32.5, 35.0, 37.5, 40.0, 42.5, 45.0, 47.5, 50.0, 55.0, 60.0, 65.0, 70.0, 75.0, 80.0, 85.0,90.0, 95.0, 100.0, 105.0, 110.0, 115.0, 120.0 km；

根据地基微波辐射计测量的地面至10km高度上的温度和水汽含量廓线，用插值法得到地面到10km规定高度上的值，10km高度以上的水汽含量、温度采用站点附近的历年的相同时间的大气探空数据，根据地面测量的气压和历年气压廓线得到实际的气压廓线；而CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄、O₂分子含量廓线随时间变化不是很大，直接采用标准大气模式中相同季节和纬度的数据；

（2）所述的分子吸收透过率计算采用我们提出的基于逐线积分拟合的快速算法；首先用LBLRTM计算H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO、CH₄和O₂ 7种吸收气体在9个参考气压和9个参考温度下，不同吸收含量的单色透过率，9个参考气压分别为1100hPa、350 hPa、100 hPa、35 hPa、10hPa、3.5 hPa、1 hPa、0.35 hPa、0.1 hPa；9个参考温度分别为200k、215k、230k、245K、260k、275K、290k、305K和320k；在每种气压和温度下，用一种非线性拟合算法拟合不同吸收含量下的计算值将得到一系列的拟合系数，建立每个子波段、每种吸收气体的拟合系数数据库：

$T_v(t,p,u)=\exp \{-u\·\exp \left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{i(t,p)}{\left[\log \left(u\right)\right]}^i\right)\}---\left(1\right)$

该算法中，t为参考温度，p为参考气压，u为吸收含量，c_i(t,p)为某种参考温度和参考气压下拟合得到的系数，M为拟合的最高次数，T_v(t,p,u)是指平均到了指定波数间隔的平均透过率，M取4就具有足够的精度，则对每种吸收气体在每个子波段上将得到9×9×5＝405个拟合系数；

对均匀路径传输，任意温度、任意气压下的系数可插值得到，温度采用线性插值，当温度小于200k时，取200k的极限值，当温度大于320时取320k的极限值；气压采用对数插值，当气压大于1100hPa时，取1100hPa的极限值，当气压小于0.1hPa时取0.1hPa的极限值；

对非均匀路径传输，首先用插值法得到每层高度上的系数，然后用Curtis-Godson(C-G)近似

${\tilde{C}}_i=\frac{\∫C_i(t,p)\·\stackrel{\‾}{k}\·\mathrm{du}(t,p)}{\stackrel{\‾}{k}\·\mathrm{du}(t,p)}---\left(2\right)$

得到该路径上的平均系数，最后有效透过率为

$T_v\left(U\right)=\exp [-U\·\exp ({\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{i=M}{\tilde{C}}_i{\left[\log \left(U\right)\right]}^i\}---\left(3\right)$

式中U为该路径上总的吸收含量

$U=\∫\mathrm{du}(t,p)---\left(4\right)$

（3）所述的气溶胶衰减透过率计算算法，是根据气溶胶种类（或提供气溶胶复折射率）、地面能见度、实测气溶胶尺度谱分布、消光高度分布廓线用Mie散射公式计算气溶胶衰减的模式，具体为：

任意波长地面到某个高度H上的气溶胶衰减可按以下公式计算

$T_{\mathrm{aer}}(\mathrm{\λ},H)=\exp (-{{\∫}_0}^H\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},h)\·\mathrm{dh})---\left(5\right)$

式中：β(λ,h)为任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数，h是传输路径，λ为波长；

根据这个波长的数据推广到任意波长和规定高度层上的消光廓线，则任意波长和任意高度上的气溶胶衰减系数由两部分组成：

$\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},h)\≈\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},0)\×N\left(h\right)---\left(6\right)$

式中：β(λ,0) 是地面的气溶胶衰减系数随光谱变化的部分，N(h)是气溶胶衰减廓线随高度变化部分；

根据目标探测的时间信息和应用场景位置选择合适的气溶胶模型，并根据在当地大气参数数据库建设中实际测量的当地的气溶胶平均谱分布，由下式用Mie散射公式计算近地面气溶胶相对衰减系数β¹(λ,0)：

${\mathrm{\β}}^1(\mathrm{\λ},0)={\∫}_{r_1}^{r_2}{\mathrm{\πr}}^2{Q}_e(\mathrm{\λ},m)\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dr}}\mathrm{dr}---\left(7\right)$

其中，是用粒子计数器测量的地面大气气溶胶平均粒子谱分布；根据激光雷达测得的地面能见度(vis)和以下公式计算得到0.53μm波长上的绝对衰减系数

$\mathrm{\β}\left(\mathrm{0.53,0}\right)=\frac{3.912}{\mathrm{vis}}-{\mathrm{\β}}_M---\left(8\right)$

式中，β_M是0.53μm分子散射系数，在海平面处可近似地取0.0016km^-1；则近地面任意波长的消光系数为

$\mathrm{\β}(\mathrm{\λ},0)={\mathrm{\β}}^1(\mathrm{\λ},0)\·\mathrm{\β}\left(\mathrm{0.53,0}\right)---\left(9\right)$

根据实测的地面至3km范围内波长为532nm处各个高度上的消光系数，归一化到近地面的消光系数，得到地面到3km上各个高度上的相对消光系数N(h)；3km以上高度的消光系数随时间变化不是很大，则直接用modtran给出的高度分布N(h)；任意波长和任意高度的消光系数近似为地面消光系数β(λ,0)乘以高度分布N(h)；

（4）所述的分子连续吸收，起作用的主要有H₂O、CO₂、O₃、O₂和N₂，分子散射主要考虑瑞利散射，分子的连续吸收和散射透过率可采用国际上公认的最新的MT_CKD1.2方法进行计算；

大气透过率计算软件根据实时观测的影响目标辐射在大气中传输的关键大气光学参数（大气水汽、温度和气溶胶高度分布廓线以及地面常规气象参数）和目标的位置信息，计算获得测量时刻的各个观测波段的大气光谱透过率；根据近一年时间的实地观测的大气参数和收集的历史气象数据得到当地的大气参数模式；通过与国外现有的模式比较以及与有关的部分实际测量数据比较，校验大气传输修正精度。

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