基于测距光谱通道数量和位置选定规则,以氧气A吸收带为例,从系统探测距离、目标与背景信噪比、系统工作海拔等约束条件对带宽的限制出发,利用MODTRAN和MATLAB软件综合仿真分析了满足系统实时性、目标信噪比及不同探测距离条件下通道带宽上下限的取值范围。结果表明:相同条件下,系统平台海拔越高,带宽下限取值越小、范围越大、选取越灵活,系统探测距离越远,有效探测范围也越大;目标信噪比要求越高,带宽下限取值越大、范围越小、选取越受限,探测距离和有效探测范围越小。因此,设计系统时应根据任务要求,确定光谱通道位置和数量,计算系统工作实时性、目标信噪比、系统最大最小工作距离等多重约束条件下各通道带宽取值上下限曲线,通过确定能够同时满足最大及最小工作距离条件的上下限曲线最小交集,便可在曲线交集区域内选定满足设计要求的通道带宽取值。这为单目多光谱被动测距系统的参数设计和工程化提供有效的理论支撑和计算方法,从而设计出高低精度搭配、远近距离兼顾的多光谱被动测距系统。

为消除测距光谱通道位置和数量选取对氧气吸收衰减被动测距技术测距精度的影响,基于氧气吸收衰减被动测距技术的基本原理,分析氧气A、B吸收带光谱谱线特性。对于吸收带带肩上的光谱通道,利用蒙特卡罗法,以拟合非吸收基线与理想基线的误差平方和与相关度为指标,分析光谱通道位置和数量及拟合多项式级次对非吸收基线拟合精度的影响。对于吸收带带内光谱通道,分析不同光谱通道处吸收率大小对测距距离和测距精度的影响。结果表明:在综合考虑系统实时性和测距精度要求的情况下,A吸收带两带肩上光谱通道各为1个,B吸收带单带肩上光谱通道为2个,位置均宜选择在各带肩靠近吸收带一端;吸收带内光谱通道可根据测距任务中对测程和测距精度的要求灵活选择其数量和位置。因此,在无法一次性获取测距波段完整光谱曲线的情况下,单目多光谱被动测距系统采用较少的光谱通道和最简单的直线拟合方法,不仅可以保证系统的测距精度,而且能够减少滤波片更替和软件计算的时间周期,进而增强系统数据采集和解算的实时性。

氧气吸收率是利用氧气A 吸收带进行被动测距技术计算的核心，为研究冬季极端天气条件对目标氧气吸收率计算及测距精度的影响，在降雪和雾霾天气条件下进行了被动测距实验。采用1000 W 卤钨灯作为目标光源，分辨率为1 nm 的高光谱成像仪作为测量设备，对水平方向距离550 m 处的卤钨灯进行了测距实验。利用相关K 分布法建立的氧气吸收率与路径的关系模型及实验测得的目标氧气吸收率，解算了目标距离。结果表明：冬季极端天气影响目标氧气吸收率的测量精度，导致利用所建模型解算的距离与真实距离误差大；通过背景消除后，测距误差变小，雾霾天气测距误差为8.36%，降雪天气测距误差为5.45%。背景消除可以提高目标氧气吸收率的测量精度，进而提高冬季极端天气条件下的测距精度。

为了跟踪和识别飞行的火箭，利用空间外差光谱仪对火箭尾焰辐射中钾光谱的766.490 nm和769.896 nm两条谱线进行研究。考虑大气分子吸收和大气散射对钾光谱在大气中传输的影响，采用逐线积分法、瑞利散射公式及散射系数与气象视程的关系分别计算763～773 nm波段内的氧气的吸收系数、大气分子及粒子散射系数，使用比尔-朗伯定律计算透过率。通过分析该波段内太阳辐射光谱和大气透过率可知，钾特征谱线处于太阳辐射强度弱、大气传输效率高的位置，从理论上验证了钾光谱探测的可行性。然后使用空间外差光谱仪对在火焰上燃烧的K2SO4进行探测，获得了与理论数据相符的实验数据，为火箭尾焰的空间外差光谱探测方法提供依据。

氧气吸收率是利用氧气A吸收带进行被动测距技术计算的核心，将包含氧气A吸收带在内的无云天空背景辐射和黑体辐射作为研究对象，利用CART软件模拟计算了不同观测天顶角、不同时段、不同太阳天顶角的无云天空背景氧气吸收率分布，并与不同观测天顶角、不同距离下的黑体辐射氧气吸收率进行了比较分析，结果表明：当探测距离大于3 km时，黑体辐射的氧气吸收率大于无云天空背景辐射氧气吸收率，所以根据不同观测条件设置被动测距的氧气吸收率阈值，可提高对目标的探测概率，降低背景辐射对被动测距的影响。

降雨对目标辐射的传输会产生严重衰减，从而给基于氧气吸收的被动测距技术带来一定的影响。在理论分析降雨天气条件下大气及雨滴粒子对目标辐射散射衰减作用的基础上，在降雨天气时对固定距离为2360 m 处的卤钨灯目标进行了被动测距实验。实验采用分辨率为1 nm 的光谱仪采集卤钨灯目标在740～790 nm 波段的光谱辐射，通过设置不同的目标提取阈值提取目标辐射光谱，并根据被动测距技术的原理计算氧气吸收率；然后利用相关K 分布法建立的氧气吸收率与路径的关系模型解算目标距离。结果表明：不同的目标提取阈值对测距精度有影响，文中选用的0.8、0.9 和0.99三个目标提取阈值，选择0.9 时测距精度最高；经平均处理后的目标光谱更接近真实光谱，测距精度高。

基于氧气A 吸收带的被动测距技术已成为单站被动测距领域最具活力的研究课题之一，但是由于氧气吸收饱和区的存在，限制了被动测距的最大可达范围。采用具有1 cm– 1 分辨率的Modtran 软件进行了分光谱透射率计算，通过数据建模获得了基于目标天顶角和平均氧气吸收率的被动测距公式。该公式避免了氧气吸收率曲线的饱和区，使得氧吸收法的有效距离估计范围可延伸到50 km。此外，该公式还有对吸收率测量误差不敏感的特性，例如，在零海拔处传感器最小可检测的吸收率Aˉ= 10-2 的偏差，所能产生的距离偏差不超过50 m。该结论有望突破绝大多数氧吸收法被动测距实验局限于较近距离的现状，促进其实际应用。

为分析不同目标反射太阳光谱的特性,研究被动测距中抑制干扰目标的方法,利用高光谱成像光谱仪作为测量设备,200 W卤钨灯作为模拟探测目标,玻璃板、光滑铝板、塑料板作为干扰目标,对模拟目标发射光谱和干扰目标反射太阳光谱进行了实验采集与分析.实验采集了晴朗天气条件下干扰目标反射光谱及卤钨灯目标辐射光谱的信息,并对其氧气吸收率进行了计算,综合分析了镜面反射干扰目标、漫反射目标及背景反射光与卤钨灯发射光光谱的氧气吸收率差异,结果表明:在455 m处,镜面反射目标和漫反射目标反射光的氧气吸收率是卤钨灯的2~3倍.因此,在一定距离下可以利用氧气吸收率的差异设置阈值来对目标进行判别,提高探测概率.

为快速、准确地解算氧气吸收被动测距技术中氧气吸收率所对应的路径长度,对该项技术中氧气吸收率与路径长度的数学模型进行了研究.首先证明了不同温度压强下氧气吸收系数分布的强相关性,给出了吸收系数分布随温度和压强的变化规律;其次利用相关K分布法和曲面地球模型建立了实际非均匀路径上氧气吸收率与路径长度的数学模型;最后对提出的模型进行了理论分析与实验验证.结果显示:本文数学模型不仅能够很好地适应不同大气模式的变化,而且能够快速、准确地计算出指定路径上的氧气吸收率曲线和目标距离;平均数学模型下的相对测距误差为44%,消除背景减小测量误差后数学模型解算距离的相对误差仅为1%.结论表明:利用相关K分布法建立的数学模型能够很好地解决氧气吸收被动测距技术中的距离反演问题,可为被动测距技术的进一步优化和应用提供理论支撑.