CN114283898B - 一种基于氧气a带的被动测距分辨率影响分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测距方法技术领域，具体涉及一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，包括下列步骤：建立光谱获取模块；建立基于HITRAN的氧分子吸收特性数据库；建立氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率计算模型；计算出氧分子吸收系数；通过带平均透过率计算模型和距离反演算法的到测距数据库，从而得出测量距离。本发明利用氧气A带动态范围大，谱线分布规则，受周围环境影响不大等特性进行测距***搭建，并将氧气A带应用于被动测距技术，具有隐蔽性好，设备简单等突出优点。且本发明探讨仪器分辨率对被动测量透过率的影响，建立了透过率的计算模型，为不同领域研发者提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于测距方法技术领域，具体涉及一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法。
背景技术
氧气A带动态范围大，谱线分布规则，受周围环境影响不大等特性受到大气科学研究者的关注，被广泛应用于平流层、中层大气风场星载探测[2]，大气压强、地表温压廓线、气溶胶廓线等。该带应用于被动测距技术，具有隐蔽性好，设备简单等突出优点，在监测、防御等领域中有广泛的应用前景。无论哪方面应用，透过率的计算至关重要，而透过率的计算根据开发者需求的不同，使用的光谱仪器也千差万别，根据工程需求，研发者有必要知晓仪器分辨率对透过率的影响情况，以便采用适当的仪器做分析和测试。目前，被测目标的光谱中，低分辨率光谱仪实际反映的是光谱的包络线，可大幅度降低仪器对测量光谱的影响，而高分辨率光谱仪测量谱线会产生线型畸变，可用光谱仪的仪器谱线函数ILS(InstrumentalLine Shape)表示。
对于氧气A带的研究，国内外已经取得一系列的研究成果，并对基于氧气A带的被动测距技术开展了理论研究和初步试验验证，中北大学对基于氧气A带测距的作用机理进行了详细研究、研究了氧气A带吸收系数与温度、压强之间的依赖关系，并构建了基于Elsasser带模型和基于随机Malkmus带模型的平均O2透过率计算模型。安徽光机所利用通用辐射大气传输软件(CART)仿真分析了测量设备不同光谱分辨率对氧气A带吸收率测量精度和最远测程的影响，通过仿真分析得出：对于利用吸收峰值测距而言，测量光谱分辨率越高，达到吸收饱和的距离远近，光谱分辨率越低，达到吸收饱和的距离越远；电子科技大学利用Modtran软件建立了透过率与路径长度、天顶角的数据库，以解决氧气A带吸收被动测距的最大测程受吸收饱和限制问题。
由此可见，基氧气A带的被动测距技术作为一种精度高、测程远的新型被动测距技术必将成为未来被动测距技术研究的重点和热点，也将是实现被动测距技术在军事领域广泛应用的突破点。但是在光谱探测***准确测得目标辐射光谱并完成O2吸收效率的提取后，快速准确的解算平均吸收率所对应的目标距离是实现实时被动测距的基础。
此外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。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提供了一种隐蔽性好、设备简单、效率高的基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，包括下列步骤：
S1、建立光谱获取模块；
S2、建立基于HITRAN的氧分子吸收特性数据库；
S3、建立氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率计算模型：通过探测器得到经衰减后测得的光谱强度Im(ω)，利用带外的光谱数据，结合基线拟合方法，拟合测量基线Ib(ω)，得到被测目标光谱的透过率；
S4、通过光谱获取模块***采集到的目标氧气A带光谱以及气溶胶分布模型计算出氧分子吸收系数；
S5、通过带平均透过率计算模型和距离反演算法的到测距数据库，从而得出测量距离。
所述S1中的光谱获取模块分别在被测目标的10～130m内9个测量点处获得光谱信息，在单个频率成分13105cm-1处，获得各点透过率。
所述S2中HITRAN的氧分子吸收特性数据库满足随机带模式的两个设定：在一条吸收带中，各条吸收谱线位置随机；各条谱线的强度按Malkmus规律分布，考虑氧分子吸收带的总体吸收特征。
所述S3中拟合测量基线Ib(ω)的方法为：
所述氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率为：
所述Im(ω)是经衰减后测得的光谱强度，所述I0(ω)为光源辐射强度，所述T(ω)为单谱线透过率，所述Δω是谱带宽度，所述τ(ω)为光学厚度；
对于目标光谱的带平均透过率计算模型测试大气的传输衰减不仅包含分子吸收，还有气溶胶散射；同时受到测量***本身限制，因此实测目标辐射光谱写为：
将没有氧分子吸收的信号定义为基线Ib(ω)，以消除和/>带来的影响，结合氧气吸收带之外的光谱数据，拟合基线Ib(ω)
所述为带平均透过率，所述/>为与仪器函数有关的综合函数。
所述S4中计算出氧分子吸收系数的方法为：被测目标经气溶胶衰减的氧气衰减在光谱获取模块进行测量，获取氧气A带及其附近光谱的数据，测量数据进入HITRAN数据库，再由温压廓线，确定选取的大气层温度和气压范围的温度压力采样点，建立氧气浓度分布模型和氧分子吸收系数模型。
所述S5中得出测量距离的方法为：利用Malkmus带模型建立不同环境下的透过率模型，与实测光谱信号反演的透过率进行拟合，反演被测目标距离，建立的测距数据库，从而得出被测距离。
建立测距数据库后，不同分辨率下，被测目标距离精度最终受带平均分辨率的拟合精度影响，随机Malkmus带模型预测各距离点处的带平均吸收率。
一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法的光谱获取模块，所述光谱获取模块包括分光镜、光谱仪、红外望远镜、瞄准***、俯仰角测量模块和云台，所述分光镜分别连接有光谱仪和瞄准***，所述红外望远镜连接有分光镜，所述俯仰角测量模块和云台均连接在红外望远镜上，所述红外望远镜的一侧设置有被测目标。
所述被测目标采用300W卤素灯光源，所述300W卤素灯光源固定在距离红外望远镜的46.4m处。
所述光谱仪分别采用1cm-1、2cm-1、4cm-1、8cm-1、16cm-1和32cm-1的分辨率，测得不同分辨率下的原始光谱。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明利用氧气A带动态范围大，谱线分布规则，受周围环境影响不大等特性进行测距***搭建，并将氧气A带应用于被动测距技术，具有隐蔽性好，设备简单等突出优点。且本发明探讨仪器分辨率对被动测量透过率的影响，建立了透过率的计算模型，为不同领域研发者提供理论依据。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明不同分辨率下的原始光谱图；
图3为本发明不同分辨率下的透过率图；
图4为本发明不同分辨率下透过率与距离变化关系图；
图5为本发明不同分辨率下带平均吸收与距离关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，如图1所示，包括下列步骤：S1、建立光谱获取模块；S2、建立基于HITRAN的氧分子吸收特性数据库；S3、建立氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率计算模型：通过探测器得到经衰减后测得的光谱强度Im(ω)，利用带外的光谱数据，结合基线拟合方法，拟合测量基线Ib(ω)，得到被测目标光谱的透过率；S4、通过光谱获取模块***采集到的目标氧气A带光谱以及气溶胶分布模型计算出氧分子吸收系数；S5、通过带平均透过率计算模型和距离反演算法的到测距数据库，从而得出测量距离。
如图1所示，本发明采用的技术路线分为三部分：光谱获取模块、氧分子吸收特性模块和距离反演模块。被测目标经气溶胶衰减的氧气衰减在光谱探测装置(如红外望远镜、傅里叶变换光谱仪等)进行测量，获取氧气A带及其附近光谱的数据，测量数据进入HITRAN数据库，再由温压廓线，确定选取的大气层温度和气压范围的温度压力采样点，建立氧气浓度分布模型和氧分子吸收系数模型。最后将氧分子吸收特性模块的数据经带平均透过率计算模型和距离反演算法模型进行距离反演计算，最后得到测量距离。
进一步，如图4所示，S1中的光谱获取模块分别在被测目标的10～130m内9个测量点处获得光谱信息，在单个频率成分13105cm-1处，获得各点透过率。对单谱线测量，分辨率越低，预测值与实测值的相关程度越低，即测量误差越大；相反，高分辨率的测量值与预测值相关系数越大，且高分辨率测量，可产生高透过率。但并非分辨率越高越好，因为分辨率越高，积分时间越长，一次测量所消耗的时间越长，如分辨率为0.16cm-1时，光谱测量时间约40s，且数据量大，测距模型执行一次所需时间为4.4s，不能做到实时测量。所以，在满足实时、快速测量的误差范围内适当选择光谱分辨率来满足实际需求。
进一步，S2中HITRAN的氧分子吸收特性数据库满足随机带模式的两个设定：在一条吸收带中，各条吸收谱线位置随机；各条谱线的强度按Malkmus规律分布，考虑氧分子吸收带的总体吸收特征。
进一步，S3中拟合测量基线Ib(ω)的方法为：
氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率为：
其中，Im(ω)是经衰减后测得的光谱强度，I0(ω)为光源辐射强度，T(ω)为单谱线透过率，Δω是谱带宽度，τ(ω)为光学厚度；
对于目标光谱的带平均透过率计算模型测试大气的传输衰减不仅包含分子吸收，还有气溶胶散射；同时受到测量***本身限制，因此实测目标辐射光谱写为：
将没有氧分子吸收的信号定义为基线Ib(ω)，以消除和/>带来的影响，结合氧气吸收带之外的光谱数据，拟合基线Ib(ω)
其中，为带平均透过率，/>为与仪器函数有关的综合函数。
进一步，S4中计算出氧分子吸收系数的方法为：被测目标经气溶胶衰减的氧气衰减在光谱获取模块进行测量，获取氧气A带及其附近光谱的数据，测量数据进入HITRAN数据库，再由温压廓线，确定选取的大气层温度和气压范围的温度压力采样点，建立氧气浓度分布模型和氧分子吸收系数模型。如图3所示，用不同分辨率下的透过率来表达，分辨率越高，则氧气A带透过率越小，氧分子吸收越明显。但并不是说分辨率越高，吸收越多，而是光谱仪处理方法不同，效果有所差别，分辨率较低时，氧气A带内的所有频率成分取平均效果；分辨率越高，则越能反映光谱吸收的细节。
进一步，S5中得出测量距离的方法为：利用Malkmus带模型建立不同环境下的透过率模型，与实测光谱信号反演的透过率进行拟合，反演被测目标距离，建立的测距数据库，从而得出被测距离。如图5所示，近距离下，吸收率与分辨率的依赖关系较小，但随着距离的逐步增大，带平均吸收误差逐渐增大。而测距模型的计算主要依赖于谱线参数，谱线参数受周围环境影响较大，且氧分子浓度随海拔高度的增加变化明显。单谱线受分辨率的影响大，通过基线拟合计算带平均透过率，分辨率越高，则越能反映单条光谱的细节，极大地摒除了谱线之间的无吸收成分的干扰，获得更准确的带平均透过率，降低预测模型的测距误差。当然，对于精度要求不高，只需目标出现在预警范围内即可报警的场合，则优先选择低分辨率的测量，可实现快速报警的目的。
进一步，建立测距数据库后，不同分辨率下，被测目标距离精度最终受带平均分辨率的拟合精度影响，随机Malkmus带模型预测各距离点处的带平均吸收率。
一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法的光谱获取模块，如图1所示，光谱获取模块包括分光镜、光谱仪、红外望远镜、瞄准***、俯仰角测量模块和云台，分光镜分别连接有光谱仪和瞄准***，红外望远镜连接有分光镜，俯仰角测量模块和云台均连接在红外望远镜上，红外望远镜的一侧设置有被测目标。
进一步，被测目标采用300W卤素灯光源，300W卤素灯光源固定在距离红外望远镜的46.4m处。
进一步，光谱仪分别采用1cm-1、2cm-1、4cm-1、8cm-1、16cm-1和32cm-1的分辨率，测得不同分辨率下的原始光谱如图2所示，当距离更近时光谱分辨率越低，测得光谱吸收越不明显，32cm-1时氧分子吸收的双峰结构不突出；分辨率为1cm-1时双峰结构非常清晰。
本发明提供一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法。结合HITRAN2016数据库，结合透过率计算方法，分析了相同距离下不同分辨率对透过率的影响，得知，分辨率越高，则更能够反应光谱吸收的细节，适用于不考虑运行时间，重视光谱细节的应用，但如果要实现被测目标的实时高速测量，则需要考虑采用分辨率较低的测量方法。
本发明提供一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法。分析了不同距离下分辨率对单谱线的影响，根据吸收系数计算方法，对单谱线测量，分辨率越低，预测值与实测值的相关程度越低，即测量误差越大；反之，高分辨率的测量值与预测值相关系数越大，且高分辨率测量，可产生高透过率；但分辨率越高，积分时间越长，一次测量所消耗的时间相对较长，不能做到实时测量。依据随即带模型，分析了分别率对带模型测距方法的影响，结合实验测得光谱数据给出被测距离与相应带平均透过率之间的关系曲线，验证了分辨率对透过率的影响较大，分辨率越高，则测距越准确，但同时消耗的时间越长。该结论为利用氧气A带进行目标预警和细节分析提供了仪器选择的依据。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、建立光谱获取模块；
S2、建立基于HITRAN的氧分子吸收特性数据库；
S3、建立氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率计算模型：通过探测器得到经衰减后测得的光谱强度Im(ω)，利用带外的光谱数据，结合基线拟合方法，拟合测量基线Ib(ω)，得到被测目标光谱的透过率；
所述S3中拟合测量基线Ib(ω)的方法为：
所述氧分子光谱区间Δω间隔内的带平均透过率为：
所述Im(ω)是经衰减后测得的光谱强度，所述I0(ω)为光源辐射强度，所述T(ω)为单谱线透过率，所述Δω是谱带宽度，所述τ(ω)为光学厚度；
对于目标光谱的带平均透过率计算模型测试大气的传输衰减不仅包含分子吸收，还有气溶胶散射；同时受到测量***本身限制，因此实测目标辐射光谱写为：
将没有氧分子吸收的信号定义为基线Ib(ω)，以消除和/>带来的影响，结合氧气吸收带之外的光谱数据，拟合基线Ib(ω)
所述为带平均透过率，所述/>为与仪器函数有关的综合函数；
S4、通过光谱获取模块***采集到的目标氧气A带光谱以及气溶胶分布模型计算出氧分子吸收系数；
所述S4中计算出氧分子吸收系数的方法为：被测目标经气溶胶衰减的氧气衰减在光谱获取模块进行测量，获取氧气A带及其附近光谱的数据，测量数据进入HITRAN数据库，再由温压廓线，确定选取的大气层温度和气压范围的温度压力采样点，建立氧气浓度分布模型和氧分子吸收系数模型；
S5、通过带平均透过率计算模型和距离反演算法的到测距数据库，从而得出测量距离；
所述S5中得出测量距离的方法为：利用Malkmus带模型建立不同环境下的透过率模型，与实测光谱信号反演的透过率进行拟合，反演被测目标距离，建立的测距数据库，从而得出被测距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，其特征在于：所述S1中的光谱获取模块分别在被测目标的10～130m内9个测量点处获得光谱信息，在单个频率成分13105cm-1处，获得各点透过率。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，其特征在于：所述S2中HITRAN的氧分子吸收特性数据库满足随机带模式的两个设定：在一条吸收带中，各条吸收谱线位置随机；各条谱线的强度按Malkmus规律分布，考虑氧分子吸收带的总体吸收特征。
4.根据权利要求1所述的一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法，其特征在于：建立测距数据库后，不同分辨率下，被测目标距离精度最终受带平均分辨率的拟合精度影响，随机Malkmus带模型预测各距离点处的带平均吸收率。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法的光谱获取模块，其特征在于：所述光谱获取模块包括分光镜、光谱仪、红外望远镜、瞄准***、俯仰角测量模块和云台，所述分光镜分别连接有光谱仪和瞄准***，所述红外望远镜连接有分光镜，所述俯仰角测量模块和云台均连接在红外望远镜上，所述红外望远镜的一侧设置有被测目标。
6.根据权利要求5所述的一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法的光谱获取模块，其特征在于：所述被测目标采用300W卤素灯光源，所述300W卤素灯光源固定在距离红外望远镜的46.4m处。
7.根据权利要求5所述的一种基于氧气A带的被动测距分辨率影响分析方法的光谱获取模块，其特征在于：所述光谱仪分别采用1cm-1、2cm-1、4cm-1、8cm-1、16cm-1和32cm-1的分辨率，测得不同分辨率下的原始光谱。
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| CN114283898A (zh) | 2022-04-05 |
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