专利名称：利用恒星实时测量整层大气透过率的方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明属于一种光学测量领域，具体是利用恒星实时测量整层大气透过率的方法。
背景技术：
整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数，在大气辐射、地球资源遥感、环境监测、空间目标监测等应用中具有重要的参考价值。在已知大气吸收气体含量、气溶胶光学特性和空间分布特性的情况下，可以利用大气辐射传输软件(如MODTRAN)模拟计算大气透过率。但是在实际应用中，实时获得吸收气体和气溶胶的空间分布是很困难的。因此需要建立测量系统对整层大气透过率进行直接测量。目前整层大气透过率的测量技术主要针对白天，以太阳作为光源进行测量。但如何在夜间实时测量整层大气透过率，从各方面文献中均未见报道。
发明内容
本发明提出了一种利用恒星辐射测量整层大气透过率的方法和仪器，实现晚上对恒星进行分波段辐射值的测量，使用Langley-plot方法对仪器进行标定，计算整层大气透过率。
本发明的技术方案如下利用恒星实时测量整层大气透过率的方法，其特征在于(1)、利用望远镜跟踪某天区内的恒星，在望远镜的目镜后设置350nm-700nm不同波段的滤光片，恒星辐射经望远镜收集，分别经过不同波段的滤光片滤光后，光线聚焦输出到增强CCD上，增强CCD先将光强信号放大后转换为电信号，再经图像采集卡采集将该电信号转换为二进制数值保存在计算机中，该数值作为大气透过率计算的原始数据；(2)、图像数据测量系统的响应常数C(λ)C(λ)＝V0(λ)/I0(λ)(1)
其中，C(λ)为测量系统的响应常数，I0(λ)为该恒星的大气层外的星光光谱强度；lnV0(λ)为测量系统测量得到的在大气层外的星光辐射对应的测量值；知道I0(λ)、V0(λ)就可以计算出C(λ)，不同的λ对应不同的C(λ)；测量整层透过率时，知道该恒星的天外光谱I0(λ)，测量系统的响应常数C(λ)，就能得到该测量系统在大气层顶处的该恒星的辐射强度测量值V0(λ)＝I0(λ)C(λ)(2)这样，晚上在地面观测点在任何时刻测量的恒星辐射强度测量值V(λ)就可以得到穿过整层大气的垂直透过率Tv(λ)或对应恒星方向的斜程大气透过率T(λ)Tv(λ)=[V(λ)V0(λ)]1m(θ)---(3)]]>T(λ)=V(λ)V0(λ)---(4)]]>m(θ)是大气质量，它随天顶角θ的变化而变化。
所述的不同波长的滤光片是按一定顺序拼合在一块圆盘上，通过单片机控制，实现滤光片盘的自动定位和旋转，每次测量时使望远镜收集不同波段的恒星辐射。
利用恒星实时测量整层大气透过率的仪器，包括有光学测量部分与数据处理系统，其特征在于所述的光学测量部分构成为在望远镜目镜后安装有可旋转的由350-700nm之间不同波段的多个滤光片拼合而成的滤光片盘，滤光片盘后安装有增强CCD，所述的增强CCD位于目镜的焦点处，所述的增强CCD的信号输出端接入到数据采集、处理系统。
所述的滤光片是指下列中心波长的滤光片300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm，带宽为50nm。
从国内外的调研结果来看，利用恒星辐射测量整层大气透过率手段目前还是空白，实用、可靠的仪器还没有。
本发明研制了结构紧凑、使用方便、实时性好的整层大气透过率测量仪。可用于空间目标亮度测量的修正及其它用途。
晚上利用恒星辐射测量大气透过率是一项创新的工作，首次实现了晚上利用恒星的弱辐射，采用像增强器+CCD(ICCD)探测技术和恒星漫游技术能实时测量某天区的大气透过率。利用标准星的辐射光谱和MODTRAN模拟计算对测量结果进行了验证，证明整层大气透过率仪的测量结果是可靠的，精度基本达到小于10％的指标要求。
图1是本发明光路图。
图2是本发明测量数据的对数随大气质量的变化。
图3是本发明大程透过率随时间的变化。
具体实施例方式
利用恒星实时测量整层大气透过率的仪器，包括有光学测量部分与数据处理系统，光学测量部分构成为在望远镜1目镜2后安装有可旋转的滤光片盘3，滤光片盘3后安装有增强CCD4，所述的增强CCD4位于目镜2的焦点处，所述的增强CCD的信号输出端接入到数据采集、处理系统。滤光片盘由下列中心波长的滤光片拼合而成300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm，带宽为50nm。滤光片由单片机控制定位和自动快速切换。
望远镜1采用14″史密特-卡塞格林折反式天文望远镜14″LX200GPS-SMT，既有大口径采光特点又有反射后折射到焦点后成像的高质量和高分辨率，主镜直径370mm，净口径356mm，焦长3556mm，焦比f10，分辨率0.32弧秒，极限目视星等18.5，望远镜视场0.65°；能自动驱动望远镜到数据库(145000个太空目标)中的任何一个太空，能GPS自动定位(经度、纬度、时间信息)和实现全自动跟踪；带8×50导星镜；跟踪时可先用它来粗定目标；运行速度分九等可调；可生成漫游表实现多目标跟踪。
增强CCD的选取根据计算选用北方夜视公司生产的ICCD—1XZ18/18WS-7。可以通过电压调整增益值，试验中控制增益是用XICOR公司可编程电阻器X9C103，它是数字控制的微调电阻器，包含有99个电阻单元的电阻阵列，用它调整增益控制电压值，每档精度为0.25V，通过生产厂家定标得到每一控制电压值所对应的增益值。
星表选择依巴谷星表，该卫星是欧洲航天局于1989年8月8日发射升空，专门用于天文测量的卫星，所测恒星数据受大气影响很小，在星表中记录了全天118 218个天体非常精确的赤经、赤纬、光谱等数据，其位置中值精度大约为1毫角秒，因此以依巴谷星表作为数据源，奠定了恒星位置精度的基础。
恒星跟踪可以根据依巴谷星表(包含十几万颗恒星数据)选择所需的恒星进行测量。星表中还包括透过率计算所需的恒星参数(经纬度、大气层外辐射谱等)。在测量过程中，利用望远镜跟踪某天区内的恒星，跟踪方法有二种第一种方法是按照一定的顺序给望远镜输入要测量的多个恒星的参数(星名或赤经、赤纬)，驱动望远镜逐个跟踪。第二种方法是编写恒星漫游程序，通过RS232串口直接控制望远镜逐个跟踪恒星。漫游程序可以以文本形式编写后下载到望远镜的控制手柄里，也可以在Autostar Suite软件界面上直接生成。通过望远镜实时输出的恒星参数和连续的观测结果，可以证明它能逐个地准确跟踪多颗恒星。
恒星辐射测量较弱的恒星辐射经望远镜收集，光线聚焦输出。通过单片机自动控制滤光片盘的旋转，控制不同波长滤光片的切换，可以测量不同波段(350-700nm)的辐射值，经过滤光后的辐射值很弱，经过增强CCD(ICCD)先将强度信号放大后再采集图像。图像数据作为透过率计算的原始数据。
图像数据测量系统的响应常数C(λ)C(λ)＝V0(λ)/I0(λ)(1)其中，I0(λ)为该恒星的大气外界的星光光谱强度(无大气衰减)，lnV0(λ)为仪器在天顶位置(无大气衰减)测量的星光辐射对应的仪器测量值。仪器定标的目的就是计算出lnV0(λ)。知道I0(λ)、V0(λ)就可以计算出C(λ)，不同的λ对应不同的C(λ)；测量整层透过率时，知道该恒星的天外光谱I0(λ)(由依巴谷星表提供)，测量系统的响应常数C(λ)，就能得到该测量系统在大气层顶处(无大气衰减)的该恒星的系统测量值V0(λ)＝I0(λ)C(λ)(2)
这样，晚上在地面观测点在任何时刻测量的恒星辐射强度测量值V(λ)就可以得到穿过整层大气的垂直透过率Tv(λ)或对应恒星方向的斜程大气透过率T(λ)Tv(λ)=[V(λ)V0(λ)]1m(θ)---(3)]]>T(λ)=V(λ)V0(λ)---(4)]]>m(θ)是大气质量，它随天顶角θ的变化而变化。
典型实验结果2005年12月15日夜晚，天气晴朗，无云，无风，无露水，选择此天进行标定。测量时选择HIP102098恒星(DEC.＝+45°18′11″，R.A.＝20∶41∶38，星等1.3，光谱类型A2I)为参考星，其天顶角从41°54′变化到75°00′。根据该星在各个测量波段的观测数据，得到实测数据的对数随大气质量的变化图2，各个波段大气斜程透过率随时间的变化如图3。
权利要求
1.利用恒星实时测量整层大气透过率的方法，其特征在于(1)、利用望远镜跟踪某天区内的恒星，在望远镜的目镜后设置350nm-700nm不同波段的滤光片，恒星辐射经望远镜收集，分别经过不同波段的滤光片滤光后，光线聚焦输出到增强CCD上，增强CCD先将光强信号放大后转换为电信号，再经图像采集卡采集将该电信号转换为二进制数值保存在计算机中，该数值作为大气透过率计算的原始数据；(2)、图像数据测量系统的响应常数C(λ)C(λ)＝V0(λ)/I0(λ) (1)其中，C(λ)为测量系统的响应常数，I0(λ)为该恒星的大气层外的星光光谱强度；InV0(λ)为测量系统测量得到的在大气层外的星光辐射对应的测量值；知道I0(λ)、v0(λ)就可以计算出C(λ)，不同的λ对应不同的C(λ)；测量整层透过率时，知道该恒星的天外光谱I0(λ)，测量系统的响应常数C(λ)，就能得到该测量系统在大气层顶处的该恒星的辐射强度测量值V0(λ)＝I0(λ)C(λ)(2)这样，晚上在地面观测点在任何时刻测量的恒星辐射强度测量值V(λ)就可以得到穿过整层大气的垂直透过率TV(λ)或对应恒星方向的斜程大气透过率T(λ)Tv(λ)=[V(λ)V0(λ)]1m(θ)---(3)]]>T(λ)=V(λ)V0(λ)---(4)]]>m(θ)是大气质量，它随天顶角θ的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的不同波长的滤光片是按一定顺序拼合在一块圆盘上，通过单片机控制，实现滤光片盘的自动定位和旋转，每次测量时使望远镜收集不同波段的恒星辐射。
3.利用恒星实时测量整层大气透过率的仪器，包括有光学测量部分与数据处理系统，其特征在于所述的光学测量部分构成为在望远镜目镜后安装有可旋转的由350-700nm之间不同波段的多个滤光片拼合而成的滤光片盘，滤光片盘后安装有增强CCD，所述的增强CCD位于目镜的焦点处，所述的增强CCD的信号输出端接入到数据采集、处理系统。
4.根据权利要求3所述的仪器，其特征在于所述的滤光片是指下列中心波长的滤光片300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm，带宽为50nm。
全文摘要
本发明公开了一种利用恒星辐射实时测量整层大气透过率的方法和仪器，利用望远镜跟踪某天区内的恒星，在望远镜的目镜后设置350－700nm不同波段的滤光片，恒星辐射经望远镜收集，分别经过不同波段的滤光片滤光后，光线聚焦输出到增强CCD上，增强CCD先将光线强度信号放大后再转换为电信号，经采集卡采集图像信号，图像信号采集后以二进制数值保存在计算机中，该数值作为大气透过率计算的基本数据；晚上在地面上在任何时刻测量的恒星辐射强度就可以得到整层大气的垂直透过率T
文档编号G01N21/59GK1963468SQ200610097728
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者詹杰, 郭瑞鹏, 饶瑞中 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所