用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置及方法与流程

1.本发明属于大气光学遥感技术领域，涉及一种通过星载临边散射测量大气温度和密度廓线的探测装置及方法。


背景技术：

2.地球中高层大气的温度、密度廓线的探测在气象、气候、环境等研究和应用领域具有重要价值。为了进行上述廓线的测量，国内外已发展了多种探测技术。这些技术包括激光雷达探测技术、gps掩星探测技术、临边探测技术、星光光谱掩星探测技术等。
3.目前发展的激光雷达探测技术可以实现0～100km大气温度、密度、风速等参数的垂直廓线探测，但其具有技术难度高、体积重量大、可靠性不足等问题。主要在地基或车载中应用，尚无温度、密度探测的天基应用，因而难以实现全球温度、密度廓线探测。
4.通过掩星条件下的折射弯曲角测量或光谱测量也可以实现大气温度、密度的廓线测量。gps掩星探测技术发展较为成熟，由该技术可以反演出折射弯曲角，并由折射弯曲角反演温度、密度，但其受到电离层信号、多路径效应、多普勒效应的干扰，且需要人造卫星的配合工作，反演需要多种高精度观测数据支撑，实现条件复杂。且gps掩星探测技术很难做到50km以上高空大气的精确探测。
5.现有的临边探测技术通过光谱分析可以得到温度、密度垂直廓线，但需要高成本高难度高光谱分辨力的光谱仪器配合，星座化观测成本极高，且反演精度和垂直分辨力较低。传统星光光谱掩星探测技术的主要目标是通过光谱测量大气中的痕量气体含量，因而需要高光谱分辨力的光谱仪器，星座观测成本较高。结合色散和湍流效应，星光掩星探测技术也可以用于测量大气温度廓线，但该技术需要1000hz以上的采样频率和对目标星跟踪对准，因而增加了硬件系统的复杂度，且其需要依赖较显著的湍流事件，因而垂直分辨率和测量高度受到限制。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置及方法，通过接收模块、线阵探测器和处理模块组成的系统，由光学手段直接获得大气密度的垂直廓线，并由该廓线反演出温度廓线，该技术降低了系统复杂度和对其它高精度观测数据的依赖程度，该技术具有高频次观测和低成本优势，因而可以通过构建低成本的光学掩星观测星座实现中高层大气温度、密度廓线的高效观测。
7.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置，包括接收模块，线阵探测器和处理模块；
9.所述接收模块用于接收大气散射光并调整大气散射光强度至线阵探测器的探测范围；
10.所述线阵探测器用于接收经接收模块入射的大气散射光，将大气散射光的光信号
转换成电信号，并将电信号输出至处理模块；
11.所述处理模块用于接收由线阵探测器输入的电信号，并根据电信号反演得到大气密度和温度廓线。
12.进一步的，所述接收模块包括接收镜头和渐变光强衰减元件；所述渐变光强衰减元件为镀膜膜层或渐变衰减片。
13.进一步的，所述渐变光强衰减元件为镀膜膜层，所述镀膜膜层设于镜头上或线阵探测器上；所述镀膜膜层透过率随对应的大气层高度增加而增加，大气散射光通过镀膜膜层后的透过率在20km以下≤5％，在80km以上≥90％。
14.进一步的，所述渐变光强衰减元件为位于接收镜头前或接收镜头后的渐变衰减片；所述渐变衰减片渐变衰减区域的变化规律为透过率随着对应的大气层高度增加而增加，所述透过率的增加趋势为线性增加或非线性增加。
15.进一步的，所述线阵探测器为单线阵探测器或面阵探测器；所述线阵探测器对应的镜头视场覆盖地表至大气层顶；线阵探测器对应的大气垂直分辨率≤2km。
16.进一步的，所述大气散射光的光谱带宽不大于200nm。
17.一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测方法，采用上述一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置实现，包括以下步骤：
18.s1将上述一种临边散射探测装置搭载在卫星上；所述卫星为已设置星敏感器的卫星；
19.s2接收模块接收大气散射光并调整大气散射光强度至线阵探测器的探测范围；
20.s3线阵探测器接收经接收模块入射的大气散射光，将大气散射光的光信号转换成电信号，并将电信号输出至处理模块；
21.s4处理模块接收由线阵探测器输入的电信号，并根据电信号反演得到大气密度和温度廓线。
22.进一步的，所述步骤s4中，处理模块根据电信号反演得到大气密度和温度廓线的方法包括以下步骤：
23.s41对与线阵探测器各像元对应的电信号进行校正，得到各像元探测信号s
i
；
24.s42计算各像元对应的切点高度r
i
；
25.s43根据步骤s41所得各像元探测信号s
i
和步骤s42各像元对应的切点高度r
i
得到散射廓线高度函数s(r)，r为大气分子相对于地球半径的高度；
26.s44根据散射廓线高度函数s(r)得到大气分子数密度廓线函数n(r)；
27.s45根据大气分子数密度廓线函数n(r)计算大气温度廓线。
28.进一步的，步骤s42中，各像元对应的切点高度r
i
为：
29.r
i
＝(r0 r
s
)sinθ
i
‑
r030.其中，θ
i
为阵探测器第i像元处的视线角，由星敏感器探测得出；r
s
为卫星轨道高度；r0为地球半径。
31.进一步的，步骤s44中，大气分子数密度廓线函数n(r)为：
32.或
33.其中，n(r0)为参考高度r0处的大气分子数密度；s(r0)为参考高度r0处的散射廓
线；f(r)为反演得到的散射廓线高度函数；f(r0)为参考高度r0处的反演得到的散射廓线高度函数。
34.进一步的，所述
35.其中，r0为地球半径；r
u
为大气层顶高度。
36.进一步的，所述大气温度廓线函数为：
[0037][0038]
其中，m为干空气的平均分子量；r为理想气体普适常数，g(h)为地球力加速度；t
u
为大气层顶的温度；n(r
u
)为大气层顶的大气分子数密度；r
u
为大气层顶高度。
[0039]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0040]
(1)本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置，由接收模块、线阵探测器和处理模块组成，结构简单，体积小，重量轻，成本低，易搭载，适装性好；
[0041]
(2)利用本发明临边散射探测装置，采用光学方法可直接测量大气散射强度廓线，简化了信号处理过程，提高了探测效率；
[0042]
(3)本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置，可用于持续观测，且阳光照射条件下宽光谱散射信号强，垂直分辨率高；
[0043]
(4)本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置，对接收模块中的光强衰减元件的具体结构进行了设计，保证了大气散射光的稳定入射及传输；
[0044]
(5)本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测方法，通过光学手段直接获得大气密度的垂直廓线，并由该廓线反演出温度廓线，降低了系统复杂度和对其它高精度观测数据的依赖程度，具有高频次观测和低成本优势，因而可以通过构建低成本的光学掩星观测星座实现中高层大气温度、密度廓线的高效观测。
附图说明
[0045]
图1为本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置的结构示意图；
[0046]
图2为本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置的光路示意图；
[0047]
图3为本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置的光测量原理示意图；
具体实施方式
[0048]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0049]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0050]
本发明包括线阵探测器，在卫星飞行时倾斜特定角度，使线阵相机的视场覆盖地表至大气层顶，由线阵相机的不同像元观测到不同高度层大气的散射光强，从而得到大气散射廓线。在30km以上的大气散射廓线可以认为全部是分子散射所致，从而由反演方法获得密度和温度廓线。
[0051]
如图1所示，本发明用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测装置，包括接收模块，线阵探测器3和处理模块4，其中接收模块包括接收镜头1和渐变衰减片2。
[0052]
如图2所示，本发明一种用于探测大气温度和密度廓线的临边散射探测方法包含如下步骤：
[0053]
(1)将装置搭载在卫星上开展测量工作；
[0054]
(2)大气散射光进入接收镜头1；
[0055]
进入接收镜头1的大气散射光到达渐变衰减片2；
[0056]
(3)进入渐变衰减片2的大气散射光经渐变衰减片2衰减后到达线阵探测器3；
[0057]
到达线阵探测器3的大气散射光转换成电信号进入处理模块4；
[0058]
(4)由处理模块4反演得到大气密度和温度廓线。
[0059]
由处理模块4反演方法如下：
[0060]
(41)对线阵探测器进行信号校正。
[0061]
s
i
＝p
i
f
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1)
[0062]
式中i为像元序号，p为像元信号幅值，f为信号校正系数，s为校正后的像元探测信号。
[0063]
(42)确定各像元对应的切点高度。
[0064]
如图3所示，由星上的星敏感器可以间接得到本发明线阵探测器第i像元处的视线角θ
i
，结合卫星轨道高度r
s
和地球半径r0，可以得到切点高度r
i
：
[0065]
r
i
＝(r0 r
s
)sinθ
i
‑
r0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2)
[0066]
(43)根据步骤各像元探测信号s
i
和各像元对应的切点高度h
i
得到散射廓线高度函数s(r)；切点高度r
i
为离散的点，s(r)中的自变量r为连续变化的量。
[0067]
(44)由散射廓线高度函数得到大气分子数密度廓线：
[0068][0069][0070]
式中n表示大气分子数密度，r0为参考高度，f(r)为通过abel积分对s(r)进行反演后，得到的散射廓线高度函数：
[0071][0072]
式中，u表示大气层顶。
[0073]
公式5)中自变量r为连续自变量，实际应用中也使用f(r)的离散表达式f(r
i
)，
[0074]
公式3)或4)都可以用于计算大气分子数密度廓线n(r)，但公式4)对散射廓线高度函数s(r)增加了一次反演，使所得到的大气分子数密度廓线n(r)更为精确，公式4)为优选方案。
[0075]
(45)由大气分子数密度廓线计算温度廓线：
[0076][0077]
式中式中m为干空气的平均分子量；r为理想气体普适常数，g为地球力加速度，t
u
为大气层顶的温度，r
u
为大气层顶高度。
[0078]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0079]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。