用于被动测距的氧气A带大气吸收仿真计算

魏合理， 戴聪明， 武鹏飞， 唐超礼

(1.中国科学院 安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学 环境光学学院，安徽 合肥 230031)

用于被动测距的氧气A带大气吸收仿真计算

魏合理1，2， 戴聪明1， 武鹏飞1， 唐超礼1

(1.中国科学院 安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学 环境光学学院，安徽 合肥 230031)

氧气A带被动测距的关键是氧气吸收的准确计算.采用通用辐射大气传输计算软件(CART)模拟计算了不同光谱分辨率的氧气A带的吸收.结果表明：氧气A带的峰值吸收随路径单调增加到一饱和值，光谱分辨率越低，达到饱和的距离越远；光谱分辨率越高达到饱和的距离越近.对于斜程地对空测距，天顶角越小饱和距离越近，天顶角越大饱和距离越远.氧气A带被动测距更适合于空对地目标的测距.在氧气A带被动测距的实际应用中需考虑光谱分辨率和天顶角的影响.

氧气A带；吸收；被动测距；光谱分辨率

引 言

被动测距技术是一种基于目标本身的辐射特性和大气中气体分子吸收光谱特征的测距方法，在某些工程中有重要的应用.目前可采用的大气吸收带有二氧化碳吸收带和氧气A带等[1,2].因为这些气体的相对含量随路径变化很小，目标辐射通过大气被这些气体吸收，吸收大小仅随路径距离变化，因此，测量出目标辐射的吸收即可用来确定目标的距离.位于可见光边缘到近红外760 nm波段的氧气A 吸收带的大气遥感和测距自20 世纪60 年代就引起了研究人员的关注[1].它首先成功地用于在卫星或飞机平台上测量云高.氧气A 带因其独特的光谱分布、且不受其它吸收气体干扰，近年来在遥感方面有重要的应用，可用来反演云顶高度、云光学厚度、地表气压、大气压力廓线、高层大气温度廓线、气溶胶廓线等[3].

氧气吸收的计算是利用氧气A吸收带进行被动测距技术的核心.已有很多研究者研究了氧气A带的吸收的计算[4-6].本文首先介绍了氧气A带被动测距的原理，然后利用我们研制的通用辐射大气传输计算软件(CART)[7]计算了不同光谱分辨率氧气A带的吸收随路径的变化，并计算了不同天顶角下氧气的吸收.研究氧气A带的吸收在被动测距时受光谱分辨率和观测天顶角的影响.

1 氧气A带吸收被动测距的原理

来自目标的辐射经过大气传输之后，被探测器接收，得到被大气吸收后的光谱.目标本身的辐射在氧气A带波段可以近似地当作灰体辐射，辐射随波长缓慢地变化.目标的辐射到达传感器后的波长分布主要受随波长迅速变化的大气分子吸收的影响.图1是用通用辐射大气传输计算软件CART[7]计算的在氧气A带760nm波段附近所有成分的大气光谱透过率及氧气的光谱透过率.CART是我们研制的用来计算大气透过率和背景辐射的计算软件，其算法、计算精度验证可参考文献[7]及其所引用的文献.我们计算时假定在海平面水平传输5km，地面能见度23km，乡村型气溶胶模式，采用合肥地区大气平均模式.图2是除氧气外所有其它大气成分的透过率，主要包括大气气溶胶消光(Aero-extinction)、分子散射(Rayleigh-Scat)及其它大气成分(Others)的衰减.其它大气成分(如水汽分子吸收)在海平面水平5km的距离上在该波段产生不到0.1%的吸收.从图1和2中可以看出，在氧气A带760nm波段，大气衰减主要由大气中氧气分子吸收、分子散射和气溶胶消光决定，其它大气成分在这个波段的影响很小，并且分子散射和气溶胶消光随波长平缓地变化.

探测设备接收到目标的光谱信号可表示为：

V(λ)=I0·R·Tot·Tms·Taer·TO2(λ)

(1)

式中TO2为氧气吸收的透过率，I0为目标的光谱辐射，R为仪器光谱响应度；Tot、Tns、Taer分别为其它成分、大气分子散射、气溶胶消光的透过率.除了氧气吸收外，其它的部分在氧气吸收的20nm波段范围内随波长变化不大或随波长线性变化(因其随波长变化慢，式中没有标注波长变量?)，因此，采用氧气A带两端如755nm和759nm波段附近的大气透过率连线作为基线(图1中的基线Baseline)，按线性插值得到其波长处的基线值，基线信号：

Vb0(λ)=I0·Tot·R·Tms·Taer

(2)

各个波长处信号与基线信号的比值即为氧气的光谱吸收透过率：

(3)

这样，测量来自目标在氧气A带的光谱辐射，通过上述的基线扣除后就可得到氧气的光谱吸收.因此，若假定目标的发射为灰体，利用扣除基线后氧气A带的吸收随距离的变化关系就可以用于目标的被动测距.氧气A带被动测距的核心就是计算氧气吸收随路径的变化.

2 水平路径不同光谱分辨率氧气A带吸收

氧气A带的吸收被广泛地用于被动测距，因为氧气在大气中的含量均匀分布，在给定仰角的情况下，氧气的吸收仅随路径距离单值变化.但是，不同的光学设备具有不同的光谱分辨率，测量得到的氧气在各个波长上的吸收的透过率是氧气在一个光谱间隔Δλ内的平均值，即：

(4)

我们模拟计算了不同光谱分辨率Δλ下氧气的吸收，研究仪器光谱分辨率对氧气A带被动测距的影响.图3是水平传输5km距离上不同光谱分辨率氧气A带的光谱吸收.定义不同光谱分辨率下氧气的吸收为：

(5)

CART本身的光谱分辨率为1cm-1，在氧气A带对应的波长分辨率约为0.06nm，我们按矩形函数对计算结果进行平滑，得到光谱分辨率分别为0.4nm，2nm和10nm的氧气A带的计算结果，分别见图3.由此可见，计算得到的不同光谱分辨率下的氧气吸收大不一样，主要表现在基线随光谱分辨率的降低变宽，峰值吸收随光谱分辨率的降低变小，吸收结构随光谱分辨率的降低变得平滑.因此，对于特定光谱分辨率的仪器，在利用氧气A带峰值吸收与基线的比值的被动测距时，光谱分辨率是一个必须考虑的参量.

图4是不同光谱分辨率下氧气A带的峰值吸收随水平传输距离的变化.“峰值”是指吸收最大波长位置的值.从中可以看出，各种分辨率下氧气峰值吸收都随距离单调地增大，这正是氧气A带用于测距的原理所在.氧气A带的峰值吸收随路径单调增加到一饱和值(饱和定义为吸收接近1、透过率接近0的状态)，光谱分辨率越低，达到饱和的距离越远；光谱分辨率越高达到饱和的距离越近.对于2nm光谱分辨率，氧气吸收的水平饱和距离可达20km.此处计算用的是峰值吸收，若采用非峰值吸收光谱，达到饱和的距离会更远.图5是按1cm-1光谱分辨率计算的水平传输1km，10km，和30km距离上氧气A带的光谱吸收.可以看出，氧气A带不同波长吸收差别很大，在1km距离上，用1cm-1的光谱分辨率，峰值吸收还没有饱和；但在10km以上的距离上，很多波长上的吸收都达到了饱和，这就是图4中0.06nm(1cm-1)分辨率时饱和距离约4km的原因.当水平传输距离达到30km时，大多数氧气吸收带的峰值都达到了饱和.

另外，由于不同波长上，氧气吸收差别很大，这为测距提供了大的动态范围，对于不同的测距范围要求，可选择不同的波段.远距离测距选择弱吸收波段，近距离测距选择强吸收波段.但光谱分辨率限制了强弱吸收波长的选择和动态范围.若需要大的动态范围，则需要提高仪器的光谱分辨率.

图6计算了不同光谱分辨率氧气A带平均总吸收随距离的变化关系.氧气A带平均总吸收定义为吸收按波长积分，得到这个波段的吸收之和.可以看出，平均总吸收随距离单调增加，与光谱分辨率几乎无关.这是因为如图3氧气A带的吸收光谱中，不同光谱分辨率可以分辨出吸收光谱细节，但总吸收(即图3中各曲线的面积积分)都一样，所以氧气A带的平均总吸收与分辨率无关.这表明整个氧气A带的总的吸收(而不是不同波长的A带吸收)仅与传输路径有关，而与分辨率无关.

3 斜程路径氧气A带吸收的模拟计算

3.1 地对空观测模拟

对于斜程情况，地对空被动测距时，由于大气中氧气密度随高度指数递减，因此，天顶方向氧气A带的吸收随距离的增加将越来越慢，低仰角下氧气A带吸收随距离增加较快.图7计算了地对空观测不同天顶角下氧气A带平均总吸收随斜程距离的变化，其中天顶角90°表示水平观测.从中可以看出，如前所述，在不同天顶角下氧气平均总吸收随距离单调增加，但是，在天顶方向(天顶角0°)，从海平面垂直向上传输到大约8km斜程路径以后，氧气吸收随路径增加很少，达到一渐进值，我们也称之为饱和.而在大天顶角(低仰角)下，饱和距离可以达到40km以上.因此，用氧气A带进行地对空观测时，垂直方向难以达到10km以外的距离，对于低仰角可以遥测较远的距离.这些结果对于工程设计可能具有一定的参考价值.

3.2 空对地观测模拟

图8模拟计算了空对地观测不同天顶角下氧气A带平均总吸收随斜程距离的变化.模拟中假定从机载20km高度往下观测，天顶角180°表示垂直向下观测.从中可以看出，在不同天顶角下氧气平均总吸收随斜程距离单调迅速增加，这是因为空对地观测随着距离增大(高度降低)氧气密度迅速增大，吸收也迅速增大.在天顶角为100°时，传输到100km距离时还没有饱和；相同斜程距离处天顶角越大氧气吸收越大.图7和8的计算结果表明：对于空对地的下行传输，氧气A带被动测距动态范围大，灵敏度高，越偏离天顶方向更具优势，这说明氧气A带测距更适用于机载或星载向下的目标测距.

3.3 卫星观测云高观测模拟

本节模拟计算从大气顶到云顶高度氧气的吸收，探讨氧气A带被动测距用于云顶高度的测量，结果见图9.云顶高度涵盖从低层水云的几百米高度到高层卷云的对流层顶高度(十几公里).从图9中可以看出在同一天顶角下观测，氧气A带吸收随着云顶高度的降低单调增大，并且随着偏离天顶方向氧气吸收增大，因为此时斜程距离增大，累计吸收增大.这一特性已被用来从卫星上遥测云顶的高度[8]，对应不同天顶角，建立一个氧气A带吸收与云高的二维查找表就可以方便地利用氧气A带的吸收来遥测云顶高度.

4 小结

在用氧气A带被动测距时，观测设备的光谱分辨率是必须考虑的一个参数.本文的计算表明：氧气A带的峰值吸收随路径单调增加到一饱和值，光谱分辨率越低，达到饱和的距离越远；光谱分辨率越高达到饱和的距离越近.观测距离和动态范围都与设备的光谱分辨率有关.对于斜程观测，天顶角影响地对空被动测距的饱和距离；计算结果显示氧气A带被动测距更适合于空间向下目标的测距.在氧气A带被动测距的实际应用中需考虑光谱分辨率和天顶角的影响.

[1] WARK D Q， MERCER D M． Absorption in the atmosphere by the oxygen‘A’band[J]． Applied Optics，1965，4(7):839-845.

[2] MacDonald D J. Passive ranging using infrared atmospheric attenuation[J]． Infrared Technology and Applications，2009，7660(41):1-9．

[3] 张岩，段民征，吕达仁．基于氧气A吸收带高光谱反射信息的气溶胶廓线反演算法及模拟反演验证[J]．遥感技术与应用，2012,27(2):208-219.

[4] 王志斌,宗鹏飞,李晓.氧气A带目标红外距离反演算法仿真及实验研究[J].中国激光:2013,40(8):0815002.

[5] 李晋华,王志斌,陈媛媛，等.近红外氧气A带大气透过率的计算[J].激光与红外,2013,43(10):1142-1145.

[6] 张瑜，刘秉琦，魏合理，华文深，闫宗群.基于氧气光谱吸收的被动测距中无云天空背景辐射特性研究[J].红外与激光工程，2015，10：298-304.

[7] 魏合理，陈秀红，戴聪明.通用大气辐射传输软件(CART)及其在目标辐射特性测量中的应用[J].红外与激光工程,2012，41(12):3360-3366.

[8] FISCHER J, GRASSL H. Detection of cloud top height from backscattered radiances within the oxygen a band-Part 1: Theoretical Study[J]. Journal of Applied Meteorology, 1991,(30):1245-1259.

The Calculation of the Atmospheric Absorption of Oxygen A Band for Passive Ranging

WEI He-li1,2, DAI Cong-ming1, WU Pong-fei1, TANG Chao-li1

(1. Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China；2. School of Environmental Optics, USTC, Hefei 230031, China)

The key of passive ranging using oxygen A band is the calculation of the absorption of oxygen. The absorption of oxygen A band with various spectral resolution were computed using the Combined Atmospheric Radiation Transfer (CART) software. The results showed that the peak absorption of oxygen A band increases monotonically with distance to a saturated value. The lower the spectral resolution, the farther the saturated distance; The higher the spectral resolution,the closer the saturated distance. For the slant path, the smaller the zenith angle smaller is, the saturation distance closer, the larger the zenith angle is, the saturated distance farther. The passive ranging using oxygen A band is more suitable for air-to-ground targets. The effects of spectral resolution and the zenith angle to the practical application of passive ranging in oxygen A band should be considered.

oxygen A band; absorption; passive ranging; spectral resolution

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.05.001

2015-08-18

国家自然科学基金面上项目(61077081)；国家863高技术研究发展计划资助项目.

魏合理(1965-)，男，安徽宁国人，研究员，博士生导师，安徽师范大学物理系1984级校友.

魏合理，戴聪明，武鹏飞，唐超礼.用于被动测距的氧气A带大气吸收仿真计算[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2015，38(5)：409-413.

P422.3，P225.2

A

1001-2443(2015)05-0409-05