【摘 要】
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大气能见度是仪器科学研究的重要参量,是研究大气污染的重要因子,反映了大气层的稳定程度,尤其是斜程能见度在航空运输中具有十分重要的地位,它的精确测量对飞机的安全起降有着重要意义。目前激光雷达斜程能见度探测技术主要是基于Koschmieder定律估算斜程能见度,忽略了大气散射辐射亮度的影响。本文从斜程能见度的基本测量原理出发,结合激光雷达的大气探测优势,开展一种新型的激光雷达斜程能见度反演方法和实验研
【基金项目】
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国家自然科学基金民航联合基金重点项目（编号:U1733202）；
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大气能见度是仪器科学研究的重要参量,是研究大气污染的重要因子,反映了大气层的稳定程度,尤其是斜程能见度在航空运输中具有十分重要的地位,它的精确测量对飞机的安全起降有着重要意义。目前激光雷达斜程能见度探测技术主要是基于Koschmieder定律估算斜程能见度,忽略了大气散射辐射亮度的影响。本文从斜程能见度的基本测量原理出发,结合激光雷达的大气探测优势,开展一种新型的激光雷达斜程能见度反演方法和实验研究。具体工作如下:首先,从目标物和背景的视亮度对比度定义出发,对水平能见度和斜程能见度的测量原理进行了阐述。针对目前激光雷达斜程能见度反演算法的不足,提出了考虑大气散射辐射亮度校正的斜程能见度反演方法,详细说明了新型反演方法的设计思路和实现过程。利用激光雷达探测技术实现从大气气溶胶光学参量、微物理参量和散射特性参量的探测和反演,并结合激光雷达和SBDART模式获得实际太阳直接辐射和大气散射辐射亮度的结果,进而获得考虑大气散射辐射亮度校正的目标物和背景的视亮度对比度分布,实现对斜程能见度的反演。着重开展了大气散射辐射亮度对斜程能见度影响的理论仿真与分析,利用SBDART模式仿真获得了不同气溶胶模型和不同天气条件下的大气散射辐射亮度分布,从目标物和背景的视亮度对比度曲线讨论了斜程能见度的结果。结果表明,不同气溶胶模型因具有不同的散射特性决定了不同的大气散射辐射亮度分布趋势,有云天气条件下云层的散射特性对大气散射辐射亮度也产生较大影响,在不同观测方向上不同的目标物和背景视亮度对比度分布决定了不同的斜程能见度结果。仿真结果充分表明了大气散射辐射亮度分布对白天斜程能见度测量的重要影响,是不可忽略的。进而,针对目标物和背景的固有对比,探究了目标物和背景的反射率对斜程能见度的影响,并构建了一套由光谱光度计和标准反射板构成的反射率测量系统,分别对跑道、草地、沙子、泥土等下垫面的反射率进行了测量,得到不同下垫面的反射率和反射率光谱特性曲线,对测量结果和误差进行了初步分析,为后续斜程能见度的反演提供数据支撑。最后,开展了基于激光雷达的斜程能见度探测实验和结果分析。利用西安理工大学激光雷达遥感研究中心的一套双波长拉曼-米散射激光雷达系统,进行了不同天气条件下的激光雷达垂直探测实验和斜程扫描探测实验,反演获得实际大气的气溶胶参数列表,结合SBDART模式计算得到了实际大气的直接辐射和散射辐射亮度分布,得到了以操场跑道和草地作为目标物和背景的视亮度对比度曲线,获得了斜程能见度的测量结果和扫描剖面分布。在观测天顶角范围为50°-70°时,在典型的全天空有云条件下斜程能见度由5.60 km逐渐升高为10.20 km,晴天条件下斜程能见度由16.65 km逐渐下降为13.50 km,雾霾天气条件下斜程能见度由10.34 km下降至5.68 km。在观测天顶角60°,方位角270°时,对应三种典型天气下的斜程能见度分别为6.90 km,15.48 km和8.74 km。实验结果表明了在不同天气条件下不同观测方向上均获得了不同的斜程能见度测量结果。
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