多谱段透射式大气消光系数测量装置与标校方法

技术领域

本发明涉及大气环境遥感技术领域，尤其是多谱段透射式大气消光系数测量装置与标校方法。

背景技术

大气消光系数跟能见度、大气透过率等参数直接相关，在大气环境遥感领域有重要的应用价值。大气消光系数是色温2700K的白炽光源发出的平行光束在大气中传播单位距离长度所损失的光通量比率。大气消光系数是大气分子和粒子散射系数和吸收系数之和，包含空气分子散射，臭氧和水汽分子的吸收以及氧气和二氧化碳等均匀混合气体分子的吸收。在可见和近红外波段，气溶胶粒子的散射是大气消光的主要因素。

Lambert-Beer定律是大气消光系数测量的基本原理，光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关，在光程上每等厚层介质吸收相同比例的光，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减弱，该定律是光吸收的基本定律，其为透射式测量消光系数的理论基础，直接得到消光系数，因此理论上该测量方法精度高，但透射式测量存在光源功率较高、探测系统动态范围大、系统标校难度大等缺点。

间接的测量消光系数的方法包括前向散射测量和后向散射测量，由于需要一些假设，采样空间有限等原因，间接测量的精度不高，因此，该类间接测量方法仅在精度要求不高的场景下，得到了广泛的应用。

根据Lambert-Beer定律，大气消光系数的测量需要测量光源发射端的光强和探测接收端的光强，二者的比值需要精确获取。野外恶劣的环境情况下，光源发射端和探测接收端的性能都会随着时间发生变化，因此，需要定期系统标校，常规的标校方法是选取能见度非常高(大于50km)的情况下，假设发射端和接收端路径消光系数为零实现的，或者采用流动的站点(光源发射端/探测接收端)比对测量实现系统标校的，但是这些方法都存在标校精度不高或者实现困难的缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的目的之一是提供多谱段透射式大气消光系数测量装置，标校精度高、容易实现。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种多谱段透射式大气消光系数测量装置，包括：光源发射单元、探测接收单元，所述光源发射单元用于提供辐射输出；所述探测接收单元用于对光源发射单元的辐射信号进行探测接收；所述光源发射单元包括：主动光源组件、暗目标组件；

所述主动光源组件包括：主动光源即主动目标，聚焦投影光学组件；所述聚焦投影光学组件用于将主动光源的出射光束投射至无穷远；

所述暗目标组件包括：中空腔形结构的暗箱即暗目标；

所述主动光源组件放置于暗箱的腔体中；所述暗箱上设有开口，所述开口用于主动光源组件的光束输出；

所述探测接收单元包括：沿光传播方向依次设置的望远镜、分光棱镜，以及光学相机、光电信号探测组件；所述望远镜用于对光源发射单元的输出光束进行接收并汇聚至分光棱镜，所述分光棱镜用于将望远镜所汇聚的光束进行分光，并分别射入光学相机和光电信号探测组件中。

优选的，所述主动光源采用卤素灯；所述聚焦投影光学组件包括：沿光传播方向依次设置的光源照明透镜、聚光镜、投影镜；所述聚光镜位于投影镜的焦平面处；其中，所述聚光镜将主动光源放大成像于投影镜，所述投影镜将聚光镜所成的像成像于无穷远。

优选的，所述主动光源组件还包括斩波器，用于调制主动光源的频率，在70HZ～100HZ范围内以恒定频率对主动光源进行斩波调制。

优选的，所述暗箱的内壁涂设有消光涂层，所述消光涂层的反射率小于3％。

优选的，所述光学相机在光源发射单元的视场区域大于暗箱的开口尺寸。

优选的，所述光电信号探测组件采用光电二极管无偏压的光伏模式进行光电信号探测，采用锁相放大技术进行数字信号处理。

本发明的目的之二是提供多谱段透射式大气消光系数测量装置的标校方法，包括以下步骤：

S1，在天气晴好时，先利用暗目标法对测量装置进行定标，以光学相机观测暗目标和周围天空背景的计数值计算大气消光系数，得到定标时测量的大气消光系数α

其中，r为基线距离，DN

S2，利用定标时测量的大气消光系数α

其中，DN为光电信号探测组件观测主动目标的计数值，DN

优选的，步骤S1对测量装置进行定标之前，先对光学相机进行相对辐射定标。

优选的，在探测接收端即光学相机的入瞳前端用两种以上不同反射率且均匀性均优于98％的灰阶标靶，对光学相机进行相对辐射定标。

优选的，天气晴好时的能见度为大于30km。

本发明的优点在于：

(1)本发明的大气消光系数测量装置的主动光源组件内置在暗箱中，不仅提高了外场环境适应性，在天气晴好情况下，根据光学相机观测值，可方便实现高精度标校。

(2)本发明的大气消光系数测量装置的主动光源采用柯勒照明光学设计，提高了光源均匀性和能量利用率，多个波段交替测量，得到不同波长下的消光系数，为大气气溶胶类型反演提供重要参数。

(3)本发明的大气消光系数测量装置的主动光源采用斩波技术，探测接收端采用锁相放大技术，有效消除了大气湍流等引入的测量干扰。

附图说明

图1为多谱段透射式消光系数测量装置组成原理示意图。

图2为主动光源组件的示意图。

图3为聚焦投影光学组件的示意图。

图4为暗目标组件的示意图。

图5为探测接收单元的示意图。

附图标记如下所示：

1-光源发射单元、2-探测接收单元、11-主动光源、12-供电电源、

131-光源照明透镜、聚光镜、133-投影镜、14-稳定性监视辐射计、

15-斩波器、16-暗箱、161-开口目标、162-消光光阑、17-控制模组、

171-滤光片转轮、172-光电二极管、21-望远镜、22-分光棱镜、

23-以及光学相机、24-光电信号探测组件。

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。

由图1所示，一种多谱段透射式大气消光系数测量装置包括：光源发射单元1、探测接收单元2。

所述光源发射单元1用于提供近似平行的稳定、均匀辐射输出；

所述光源发射单元1包括：主动光源组件、暗目标组件、支撑防护组件、姿态调整机构；

由图1和图2所示，所述主动光源组件包括：主动光源11即主动目标、供电电源12、聚焦投影光学组件、稳定性监视辐射计14、斩波器15。

所述主动光源11采用石英卤素灯，所述主动光源11为经常工作光源。

所述供电电源12采用高稳定直流电源，用于向主动光源11进行供电。

所述聚焦投影光学组件用于将主动光源11出射光束投射至无穷远，采用柯勒照明的光学设计，提高主动光源11出射光束的均匀性和能量利用效率。

所述聚焦投影光学组件包括：沿光传播方向依次设置的光源照明透镜131、聚光镜132、投影镜133。由图3所示，聚光镜132将主动光源11放大成像于投影镜133，投影镜133将聚光镜132的成像成像于无穷远。其中，光源照明透镜131与聚光镜132之间的距离为l1，聚光镜132的有效口径为D1，投影镜133的焦距为f2，聚光镜132位于投影镜133的焦平面处，即聚光镜132与投影镜133之间的距离为f2，投影镜133的有效口径为D2。

所述聚光镜132和投影镜133之间还设有转折镜18和与转折镜18相对应的目镜181。

所述稳定性监视辐射计14用于监视主动光源11的稳定性。

所述斩波器15用于调制主动光源11的频率，主动光源11以70HZ～100HZ范围内的恒定频率斩波调制。

由图2所示，所述主动光源组件还包括：控制模组17，以及设置在主动光源11出射端的滤光片转轮171和光电二极管172；所述控制模组17包括：光电信号探测卡、温度采集卡、电机驱动器、滤光片转轮驱动器、微型电脑版、无线通信终端模块。

由图4所示，所述暗目标组件包括：中空腔形结构的暗箱16即暗目标；

所述主动光源组件放置于暗箱16的腔体中。所述暗箱16上设有开口161，所述开口161用于主动光源组件的光束输出；所述开口161朝北。

所述暗箱16的内壁涂设有消光涂层，所述消光涂层的反射率小于3％。

所述暗箱16中还设有用于消杂散光的消光光阑162。

所述暗目标组件还包括吹风设备等，吹风设备用于清除暗目标组件的灰尘。

所述暗目标组件用于对主动光源组件起保护，以及用于对整个大气消光系数测量装置进行标校。

所述支撑防护组件为光源发射单元1的外部设施，用于对光源发射单元1进行支撑防护。

所述姿态调整机构用于调整主动光源组件的姿态，从而调整主动光源组件的光束输出方向。

所述探测接收单元2用于对光源发射单元1的辐射信号进行探测接收，

由图5所示，所述探测接收单元2包括：沿光传播方向依次设置的望远镜21、分光棱镜22，以及光学相机23、光电信号探测组件24、针孔光阑等。

所述望远镜21用于对光源发射单元1的输出光束进行接收并汇聚。

所述分光棱镜22将望远镜21所汇聚的光源发射单元1的输出光束进行分光，分别射入光学相机23和光电信号探测组件24中。

所述光学相机23在光源发射单元1的视场区域大于暗箱16的开口尺寸；所述光学相机23用于暗目标、周围天空背景、主动目标即主动光源11的辐亮度测量。

所述光学相机23还用于视频监视光源发射单元1，辅助姿态调整机构进行调整。

所述光电信号探测组件24采用Si光电二极管进行光电信号探测，通过Si光电二极管对主动目标的辐射测量，实现经常性的多谱段大气消光系数的测量。

所述光电信号探测组件24采用Si光电二极管无偏压的光伏模式，动态范围达10

本发明中，一种多谱段透射式大气消光系数测量装置还包括：控制与数据采集终端单元等，各单元之间的通信和数据传输采用4G/5G无线网络。

由于大气消光系数测量装置在外场使用一段时间后，有可能会发生衰变，因此需要定期标校。

本发明的测量装置，在天气晴好时，即能见度大于30km时，以光学相机观测的暗目标和周围天空背景的辐亮度，并根据Koschmieder定律计算得到大气消光系数，即利用按目标法计算大气消光系数，从而对整个测量装置进行标校。

由于上述大气消光系数的计算仅与光学相机的相对辐射定标等有关，因此，在进行标校之前，对光学相机进行相对辐射定标，在探测接收端光学相机入瞳前端配置2种以上不同反射率，均匀性优于98％的灰阶靶标，相对辐射定标即可通过观测探测端所配置的不同反射率，均匀性优于98％的灰阶靶标实现。

标校方法具体如下所示：

S1，在天气晴好，能见度大于30m时，先利用暗目标法对测量装置进行定标，以光学相机23观测暗目标和周围天空背景的计数值计算大气消光系数，得到定标时测量的大气消光系数α

距离光学相机r处即主动目标处的辐亮度L

L

其中，L

望远镜入瞳附近，暗目标的对比度C

其中，L

由公式(1)、(2)可知，距离光学相机r处即主动目标处，暗目标的对比度为：

其中，L

由于

α

S2，利用定标时测量的大气消光系数α

假设短时间内，大气消光系数未发生变化，则：

其中，I

利用Si光电二极管进行观测时，

其中，DN为Si光电二极管观测主动目标的计数值，DN

根据公式(5)、(6)，即可得到测量装置正常工作时测量的大气消光系数α为：

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。