基于地基变视场太阳光度计的卷云参数研究

摘要

单视场光度计既可以用于测量大气气溶胶粒子特性，部分波段还可用于反演大气降水量、吸收气体含量和云的光学参数等。单视场光度计被各个国家用于大气观测网对气溶胶粒子特性和降水量的测量，在环境监测和光电工程应用以及卫星遥感反演校正等方面具有重要的意义。通过天文粗跟踪算法与四象限精跟踪相结合，单视场光度计可测量太阳路径上无云时气溶胶粒子的光学性质。鉴于太阳测量路径上常常会有薄云存在（如薄卷云），而有不均匀云时，四象限精跟踪容易受到干扰，对精确测量气溶胶粒子的光学特性产生影响。通过比较气溶胶粒子、水云和卷云三种不同大气介质的散射相函数，发现卷云相函数在前向0°附近呈现极大的峰值。在前向5°小角度内，卷云的散射辐射强度比气溶胶粒子和水云的散射强度变化剧烈，为此设计一种基于图像跟踪的变视场光度计，能够全天候准确测量0.8°、2°和5°视场下的太阳辐射，通过比较不同视场的太阳辐射比值，区分气溶胶粒子、水云和卷云。同时，比较三种介质前向不同小角度内的散射辐射，为地基探测气溶胶与卷云的光学特性提供参考。
　　本文主要的工作如下:
　　1)计算了0.4～2.5μm光谱区间在卷云大气下的太阳透射辐射，研究卷云大气下太阳透射辐射与冰晶粒子尺度和光学厚度的关系。为测量卷云大气下太阳透射辐射的仪器设计提供理论指导。
　　2)利用DISORT分别模拟计算了在前向不同小角度内气溶胶粒子、水云和卷云三种介质的透射比值和散射比值，发现卷云在小角视场的透射比值要远高于气溶胶粒子和水云。而大粒子散射比值比小粒子散射比值小，可以用于判断测量到的当前大气介质中粒子尺度大小，为利用变视场太阳光度计来区别卷云和气溶胶粒子提供了理论依据。
　　3)介绍几种常用的单视场太阳光度计及其太阳辐射的测量原理和光学系统设计，为研制基于图像跟踪的快速变视场太阳光度计提供了技术支持。详细介绍仪器研制过程与跟踪系统算法，实验表明仪器有较高的跟踪精度。
　　4)在晴朗天气下，将仪器用Langley法标定后，与POMO2天空辐射计比较。分别在晴朗无云、有水云和有卷云存在的三种大气环境下进行对比实验，发现在卷云天气下的太阳透射比值比气溶胶粒子以及水云的透射比值要大。结合当前大气光学厚度和气溶胶Angstrom指数，通过不同天气下视场散射比值的测量值与模拟值的对比，表明该仪器具备区分卷云和气溶胶的能力，同时能够初步判断粒子的大小范围，为地基探测卷云性质提供了一种技术手段。

目录

声明

摘要

引言

第1章 绪论

1．1 大气介质辐射特性研究的重要性

1．2 冰晶粒子形状与尺度大小形成因素分析

1．3 计算卷云粒子散射特性的数值解法

1．4 卷云光学参数的反演方法

1．5 卷云检测与识别方法

1．6 卷云测量研究现状

1．7 卷云探测技术未来发展的方向

第2章 大气辐射传输基本原理

2．1 大气辐射传输方程的一般形式

2．1．1 单次散射近似解

2．1．2 二流近似

2．2 辐射传输方程的数值解法

2．2．1 辐射传输的离散纵标法

2．2．2 辐射传输的累加法

2．2．3 逐次散射近似法

2．2．4 蒙特卡罗方法

2．3 大气辐射传输计算软件

2．4 比尔—布格—朗伯定律

2．5 太阳辐射的吸收和散射

2．5．1 主要气体分子吸收特征

2．5．2 大气对太阳辐射的散射

2．6 本章小结

第3章 光度计测量技术原理论述

3．1 常用的太阳光度计

3．2 太阳辐射测量技术原理分析

3．2．1 光度计测量太阳辐射的原理

3．2．2 太阳辐照度测量模型

3．2．3 太阳光在光学系统内的传输

3．2．4 测量系统的光学质量评价方法

3．2．5 光学系统的测量性能评价

3．3 小结

第4章 模拟计算耦合大气下太阳透射辐射

4．1 模拟软件参数设置

4．2 卷云大气下的耦合方法

4．3 卷云大气下的太阳透射辐射

4．4 太阳透射辐射对卷云参数的敏感性

4．5 卷云大气下的模拟计算

4．5．1 大气介质散射相函数的计算

4．5．2 大气介质散射辐射计算参数设置

4．5．3 不同天顶角下前向5°的卷云散射强度变化

4．5．4 前向小角度的散射辐射差值

4．5．6 前向小角度的透射辐射比值

4．5．7 不同冰晶组成的卷云其透射辐射比值变化

4．6 前向小角度介质散射特性比较

4．6．1 前向小角度不同介质散射辐射对数比值比较

4．6．2 前向小角度内不同介质的透射辐射比值比较

4．7 小结

第5章 图像跟踪的快速变视场光度计研制

5．1 仪器探测波段与视场选择

5．1．1 仪器波段选择

5．1．2 视场选择

5．2 仪器系统测量原理

5．3 系统结构与性能参数

5．3．1 仪器机械结构

5．3．2 光学系统仿真

5．3．3 仪器系统的研制

5．3．4 信号采集与处理

5．3．5 下位机嵌入式设计

5．3．6 上位机软件

5．3．7 VFOVSP主要技术指标

5．4 变视场光度计的软件界面

5．5 本章小结

第6章 变视场光度计CCD跟踪系统

6．1 CCD跟踪系统与图像定位方法

6．2 跟踪系统算法

6．3 小结

第7章 变视场光度计测量结果分析

7．1 变视场光度计(VFOVSP)的标定

7．2 仪器VFOVSP各视场比值的分析

7．3 薄云光学厚度提取方法

7．4 结果与讨论

7．5 本章小结

第8章 工作总结与展望

8．1 工作总结

8．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间撰写和发表的学术论文及发明专利