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封面 | 华灯鑫、王玉峰:突破斜程能见度测量技术瓶颈

发布:ZSjie2130阅读:472时间:2024-3-31 10:01:03

封面解析

 

       封面展示了激光遥感斜程能见度探测技术。斜程能见度精确测量的关键是大气散射辐射亮度(即天空背景亮度)的校正。该文利用激光雷达主动遥感技术,实现大气气溶胶和云光学、微物理和散射特性参量的廓线探测,并通过与大气辐射传输模式获得的大气散射辐射亮度的融合与校正,实现复杂大气条件下斜程能见度的精确测量。激光遥感技术与大气辐射传输模式的有效融合,为斜程能见度的精确测量提供了成熟的解决方案,研究成果可应用于航空、航天与**等领域。

 

链接:王玉峰, 华灯鑫. 激光遥感斜程能见度探测技术研究进展(特邀)[J]. 光学学报, 2024, 44(6): 0600001.

 

导读

 

       激光遥感具有无需反射目标实现斜程能见度精确测量的潜力和优势。西安理工大学华灯鑫教授与王玉峰教授撰写的综述文章介绍了斜程能见度激光遥感技术的研究进展,分析了目前制约斜程能见度精确测量的技术瓶颈和应用挑战,重点探讨了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量技术,并对未来全球斜程能见度图谱的研究前景和应用进行了展望。该文被选为《光学学报》2024年44卷第6期封面文章。

 

1.研究困境

 

       “能见度”一词在日常生活中常被提及,它一般指水平能见度,而在空间目标探测领域中,涉及到的“能见度”常常是指斜程能见度。由于大气垂直方向分布并不均匀,故斜程能见度与水平能见度存在较大差异。斜程能见度是航空器安全起降及各类光学引导式**精确打击的关键指标之一,也是保障飞行安全的气象要素之一。因此,斜程能见度的测量和研究在航空、航天和**等领域中具有重要的科学意义和应用价值。

 

       斜程能见度的测量受大气消光系数、大气散射辐射亮度、太阳天顶角和观测角度等多种因素影响。其中,大气散射辐射亮度是影响白天斜程能见度精确测量的关键要素。然而,大气散射辐射亮度的计算涉及到复杂的辐射传输方程求解,故大气散射辐射亮度的路径分布模拟和观测成为了制约斜程能见度测量的主要技术瓶颈,这限制了斜程能见度测量技术的发展和工程应用。

 

2.技术探索

 

       激光雷达作为一种新型的主动光学遥感技术,是实现大气温度、湿度、风场、气溶胶和云探测的重要科学仪器,已在气象、环境与海洋等领域中得到广泛应用。区别于透射式能见度仪和散射式能见度仪(仅提供水平能见度),激光雷达是较好的无需反射目标的斜程能见度测量设备,在斜程能见度测量中具有独特优势和应用潜力。近些年,逐渐发展并形成了以下3种激光雷达斜程能见度测量技术。

 

2.1 基于单波长米散射激光雷达的斜程能见度测量技术

 

       目前出现的少数激光雷达能见度仪通常是基于单波长米散射激光雷达探测技术对斜程能见度进行估算测量,如图1所示。借助米散射激光雷达探测的方式,反演获得斜程路径的大气气溶胶消光系数,并结合著名的Koschmieder能见度公式来计算斜程能见度。或者,利用激光雷达多仰角法反演不同斜程路径上的大气光学厚度,进而实现斜程能见度估计。在反演实现方面,学者们相继在大气气溶胶消光系数反演、平均消光系数迭代反演与多次散射影响下的斜程能见度反演等方面开展了深入的探讨和分析。然而,该技术从根本上忽略了大气散射辐射亮度的影响,并简单照搬了均匀路径的结果,存在反演技术缺陷,很难获得准确的斜程能见度结果。

 

图1 典型的单波长米散射激光雷达斜程能见度测量系统

 

2.2 基于辐射传输模式的斜程能见度反演技术

 

       早在20世纪80年代,大气科学领域的学者们就开始开展基于辐射传输模式的斜程能见度反演研究,代表性工作有:中国科学院大气物理所邱金桓等从辐射传输方程出发,提出了一个计算斜程能见度的近似表达式;中国科学院安徽光学精密机械研究所饶瑞中、王毅等利用δ-Eddington近似求解辐射传输方程,推导了斜程能见度的近似表达式。虽然早先的研究工作已经开始关注大气散射辐射亮度的测量及其对斜程能见度的影响,但是这方面的研究多聚焦在理论推导和仿真分析,在实际应用中还存在诸多问题。

 

2.3 基于激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度精确测量技术

 

       针对大气散射辐射亮度测量的技术难题,本团队在国家自然科学基金民航联合基金重点项目的资助下,提出了一种激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法,原理示意图如图2所示。借助拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法和大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术,实现了考虑大气散射辐射亮度影响情况下的斜程能见度精确测量。该方法充分利用了激光遥感的探测优势,以激光遥感进行大气气溶胶的高时空分辨率和高精度探测,提供实时的气溶胶光学、微物理和散射特性参量信息。同时,结合SBDART辐射传输模式求解辐射传输方程,进而获得大气散射辐射亮度路径分布的实际观测结果,从根本上解决了目前斜程能见度测量的技术瓶颈。

 

图2 激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量技术原理示意图

 

3.实际应用

 

       构建的双波长拉曼-米散射气溶胶精细探测激光雷达系统,可提供实时的气溶胶光学、微物理和散射特性参量的垂直廓线,并构建气溶胶参数列表。接着,将该参数列表作为SBDART 模式的自定义气溶胶输入文件,获得不同高度层上的大气散射辐射亮度分布,实现大气散射辐射亮度路径分布的实际观测,如图3所示。

 

图3 大气散射辐射亮度分布。(a)不同斜程方向上的大气散射辐射亮度曲线;(b)距离-高度-强度剖面

 

      后续,根据斜程能见度测量原理,可直接计算得到目标物和背景的视亮度对比度曲线,当取对比度阈值为0.05时,对应的距离即为斜程能见度,进而实现考虑斜程大气散射辐射亮度影响时的斜程能见度准确反演,如图4所示。

 

图4 目标物和背景对比度分布。(a)不同斜程方向上的对比度曲线;(b)距离-高度-强度剖面

 

4.总结与展望

 

       斜程能见度的探测和研究在航空、航天、**和天文观测等领域具有重要的科学研究意义和应用价值。得益于激光雷达技术的进步,基于激光遥感的斜程能见度测量技术已逐渐成熟,涌现出的地基式斜程能见度激光雷达系统也已初具雏形。在未来,随着卫星遥感技术的迅猛发展,有望开展全球斜程能见度图谱方面的研究,进而推动空间目标探测领域的发展。

 

作者简介

 

 

       王玉峰,西安理工大学教授,博士生导师,陕西省“激光雷达技术及应用”科技创新团队带头人,入选“陕西省中青年科技创新领军人才”。现任西安理工大学精仪系副主任,国家级一流专业负责人,陕西省一流课程负责人。主要从事激光雷达大气遥感探测技术与应用方面的研究工作。先后主持国家自然科学基金项目5项(其中民航联合基金重点项目1项),省部级及其他项目8项。在Optics ExpressJournal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer与《光学学报》 等国内外学术期刊发表论文70余篇,授权中国发明专利12项。荣获陕西省科学技术奖3项与中国光学工程学会技术发明奖2项。

 

 

       华灯鑫,日本福井大学工学博士,现任西安理工大学副校长,二级教授,博士生导师,教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室主任,“仪器科学与技术”一级博士学科带头人,教育部首批“全国高校黄大年式教师团队”及陕西省首批“三秦学者”创新团队的负责人。主要从事激光遥感、光电测试技术及仪器等方面的研究。发表学术论文250余篇,获国内外授权发明专利40项。先后主持国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金委员会重大科研仪器研制项目、重点类仪器专项以及科技部国际科技合作等项目。获省部级科学技术奖5项、国家教学成果奖二等奖与中国仪器仪表工程教学成果奖特等奖等。

 

科学编辑 |杜嘉敏

编辑 |贾文斌

 

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