大气红外透过率测量

论文摘要

大气透过率和大气红外辐射作为地基空间目标探测、地基空间遥感、天文研究等领域的重要研究内容,红外探测系统接收目标辐射的能力与大气透过率和大气背景辐射限直接相关,其中,大气背景辐射限的强弱还决定了红外探测系统的极限灵敏度,将影响系统设计;红外天文研究中,它们也是反映天文台站红外观测性能优劣与否的重要指标。为此研究大气红外透过特性和大气红外辐射特性具有重要意义。地基红外天文观测,大气红外辐射背景不可忽略,须掌握其特性与变化规律;为此设计了一套中红外大气辐射测量系统。使用该系统尝试测量大气红外辐射的过程中,发现仪器辐射很强,大气辐射却很弱,强弱两种辐射信号完全耦合,仪器辐射这个背景信号将大大占用红外探测器的满阱电子数,降低系统动态范围;仪器辐射还随环境温度的变化而变化。这些都导致系统测量大气辐射的精度很低,为了提高测量精度,提高系统的动态范围,剥离仪器辐射与大气辐射信号,仔细研究了系统的定标方法。使用三元模型定标法对系统定标,并对整个望远镜系统进行稳恒的低温制冷和温控,通过这些关键手段,大幅提高了系统的稳定性,最终实现了对大气红外辐射的高精度测量。在实现了大气红外辐射高精度测量的基础之上,通过扫描测量不同天顶角的大气红外辐射亮度,再基于辐射传输方程的解,拟合辐射亮度随天顶角的变化,可得到测量波段内的平均大气透过率。据此,利用上述测量系统对阿里观测站、德令哈观测站和怀柔观测站M’波段(4.605~4.755μm)内的平均大气透过率进行了实测。测量结果表明,在M’波段内阿里、德令哈、怀柔三地天顶平均大气透过率依次递减,天顶平均透过率的加权平均值依次为0.805、0.758、0.650。三地大气红外透过率均有起伏;怀柔的起伏量小,仅0.073,其透过率变化在三地当中最为稳定;阿里的透过率起伏也不大为0.081;德令哈的起伏相对要大很多,起伏达到0.250,表明其透过率很不稳定。透过率起伏与透过率高低无关,透过率低的地方也可能比较稳定,但相比之下在阿里进行红外天文观测效果最佳。作为比较,用MODTRAN软件模拟的三地平均透过率分别为0.846、0.794、0.623,软件模拟的结果基本能够与某一时刻的实测结果相对应,说明该方法测量的透过率结果可靠。该透过率测量方法不需要获取复杂的大气气象参数,相对简捷,便于在天文选址阶段对各址点大气的红外透过率进行一般评估。该透过率测量方法是通过测量各天顶角下的大气红外辐射亮度间接得到天顶平均透过率,因此系统对大气红外辐射亮度测量结果的不确定度对最终拟合的透过率结果有影响。所以在分析得到平均大气透过率的理论误差过程中,首先分析了大气红外辐射的测量误差,包括随机误差、定标误差和外推误差。结果表明该系统在定标区间内的辐射测量误差主要是定标误差和随机误差,两者分别为2.4719%、0.0790%;合成误差为2.4732%。当用该系统测量大气红外辐射时,对大多数优良的天文台站而言,大气红外辐射强度远低于定标时的黑体辐射强度,不得已需要进行外推测量;对外推测量误差的估计结果表明,外推测量可能导致较高测量误差。因此,为提高大气红外辐射测量精度,更低辐射强度的标准辐射源不可或缺。综合考虑各类误差后,得到系统进行大气辐射测量的理论误差为12.64%。通过误差传递的分析方法得到天顶平均大气透过率理论误差小于10%。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈双远

导师: 许方宇

关键词: 大气透过率,大气辐射测量,辐射定标,误差分析,光学厚度

来源: 中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 气象学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

分类号: TN215;P412

DOI: 10.27614/d.cnki.gkytw.2019.000015

总页数: 73

文件大小: 4825K

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