一种气溶胶相函数观测系统及其观测方法
【专利摘要】本发明公开了一种气溶胶相函数观测系统及其观测方法。本发明的气溶胶相函数观测系统包括：激光发射单元、光阱、浊度计、散射信号接收器和计算机；在激光束的下方安装浊度计，测量得到气溶胶半球后向散射系数；在激光束的旁边并且与激光束高度相同的位置安装散射信号接收器；本发明采用CCD相机得到的信号与浊度计测量到的气溶胶半球后向散射系数结合，得到气溶胶相函数，可以同时获取不同角度的散射信息，避免了气溶胶散射性质随时间的变化对结果造成影响；本发明的观测系统简单而有效，成本较低，为气溶胶相函数的观测提供了新的技术手段，为遥感观测气溶胶光学特性相关仪器的反演提供了支持。
【专利说明】
-种气溶胶相函数观测系统及其观测方法
技术领域
[0001] 本发明设及大气探测技术，具体设及一种气溶胶相函数观测系统及其观测方法。
【背景技术】
[0002] 气溶胶是悬浮在空气中的微小粒子，通常被简单的称为大气颗粒物。当福射在大 气中传输时，要受到大气中气体、气溶胶等不同组分的散射，其强度、传输方向W及偏振状 态等都会产生变化。大部分情况下，由于太阳福射是自然光，大气中的散射光呈轴对称分 布。因此，运种分布可W用单一平面角度来描述，0度表示散射光与入射光方向一致的前向 散射，180度表示散射光与入射光方向相反的后向散射，散射光与入射光之间的夹角即为散 射角。相函数被定义为描述散射光强度在不同散射角上的分布的物理量。
[0003] 近年来，有一些研究搭建了观测气溶胶相函数的仪器，并进行了室内实验和外场 观测实验。运些仪器所采用的光源都是激光，因为只有发散角度小的激光才能够满足测量 相函数的需要。
[0004] 第一种设计，是将一个光电倍增管安装在机械臂上，使其在激光所在平面内绕光 路中的一点旋转，W接收不同散射角的散射信号;第二种设计是使气路垂直于光路，并交汇 于一点，然后围绕运一点在激光所在平面内安装很多个光电二极管，每个光电二极管接收 不同散射角的散射信号；第Ξ种设计是通过在光路旁边放置两面抛物线型反射镜，让同一 点向不同角度散射的光经过两面反射镜后重新汇聚于新的一点。在该点放置一面可转动的 平镜，通过转动该镜的角度，将不同散射角的散射信号反射到光电倍增管中；第四种设计是 在一楠球面镜内侧开孔使光路穿过，散射到楠球面镜上的光线经反射后，经过一条管路到 达光电倍增管，而通过旋转该管路，可W使不同散射角的散射光信号经反射后到达光电倍 增管中。运些关于气溶胶相函数的研究，有的是在实验室内对气溶胶粒子进行了实验，有的 是在飞机观测中用于观测粒径远较气溶胶粒子为大的云滴和冰晶，而没有用于气溶胶外场 观测中。
【发明内容】
[0005] 针对W上现有技术中存在的不足，本发明提出了一种气溶胶相函数观测系统及其 观测方法，同时探测不同角度气溶胶散射光W得到气溶胶相函数，减小系统复杂度同时降 低仪器成本。
[0006] 本发明的一个目的在于提出一种气溶胶相函数观测系统。
[0007] 本发明的气溶胶相函数观测系统包括:激光发射单元、光阱、浊度计、散射信号接 收器和计算机;其中，激光发射单元发射出水平方向的连续激光;在激光束的末端安装光 阱，W吸收剩余激光;在激光束的下方安装浊度计，浊度计的进气口对准激光束，测量得到 气溶胶半球后向散射系数;在激光束的旁边并且与激光束高度相同的位置安装散射信号接 收器;散射信号接收器包括广角镜头、激光滤光片和CCD相机，广角镜头将宽范围内激光束 经大气中的气体和气溶胶散射的散射光汇聚，经激光滤光片过滤后，由CCD相机接收光信号 并转换成电信号；浊度计和CCD相机分别连接至计算机;CCD相机得到的信号与浊度计测量 到的气溶胶半球后向散射系数结合，得到气溶胶相函数。
[000引激光发射单元包括固体激光器和倍频晶体;固体激光器采用固体激光材料作为发 光物质，发出的激光经过倍频晶体后变成倍频的激光，激光束沿水平方向发出。
[0009] 广角镜头、激光滤光片和CCD相机构成散射信号接收器，激光滤光片安装在广角镜 头与CCD相机之间;广角镜头采用等角投影法，即被摄体的立体角与其在画面上所占的面积 成正比，将宽范围内的散射光汇聚；经激光滤光片滤掉数据分析所不需要的背景信号；由 CCD相机接收经过广角镜头汇聚来的激光束经大气散射的散射光信号并成像，CCD相机上每 个像素接收到光子后分别产生电荷，并将其转换为电信号。
[0010] 激光发射单元发射出平行的连续激光，激光束经过一段光路后进入光阱；在激光 束的旁边，与激光束等高的位置放置散射信号接收器，对准激光束的方向，利用光散射原理 和CCD成像原理捕捉散射光信号;将光信号转换成电信号后，传输至计算机，完成对成像的 控制和信号的获取;再与浊度计测量得到的气溶胶半球后向散射系数相结合，进而得到气 溶胶相函数。
[0011] 本发明的另一个目的在于提供一种气溶胶相函数观测方法。
[0012] 本发明的气溶胶相函数观测方法，包括W下步骤：
[0013] 1)采集一张暗帖图像，即用挡板挡住CCD相机进行探测；
[0014] 2)打开激光器，开启挡板进行图像采集，读取图像上每个像素的灰度数据，然后减 去暗帖图像对应的灰度数据，得到去掉暗电流噪声的激光束经大气散射的散射光的图像， 大气包括气体和气溶胶；
[0015] 3)采用线性拟合法拟合散射光的图像的中屯、轴；
[0016] 4)得到中屯、轴上的每个像素所对应的激光束经大气散射的散射光的散射角Θ;
[0017] 5)将拟合得到的中屯、轴W-个像素为步长分为多个档，每一档对应的像素点上做 垂直于中屯、轴并W该中屯、轴上的像素点为中点的线段，选择合适的线段长度使得与激光 束的散射光有关的信号都能够被运些像素点包含在内，得到在线段内每一个像素对应的灰 度值，对每一档的灰度值采用正态分布函数进行拟合，得到每一像素对应的大气的散射光 信号强度；
[0018] 6)根据每个像素所对应的散射光的散射角W及大气的散射光信号强度，得到大气 的散射光信号强度随散射角的变化1(9);
[0019] 7)得到气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0);;
[0020] 8)对气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)进行归一化，得到气溶胶的相函 数。
[0021] 其中，在步骤4)中，得到中屯、轴上的每个像素所对应的激光束经大气散射的散射 光的散射角，具体包括W下步骤：
[0022] a)调整CCD相机的角度，使得激光束经大气散射的散射光的图像经过CCD相机的像 素矩阵的中屯、点；
[0023] b)运用参照物方法标出激光束经大气散射的散射光的散射角为90°对应的图像位 置；
[0024] C)根据中屯、点与90°散射角对应的图像位置，结合广角镜头的焦距f，推算中屯、点 所对应的激光束经大气散射的散射光的散射角；
[0025] d)根据中屯、点所对应的散射角、90°散射角对应的图像位置W及广角镜头的焦距 f，推算出整个激光束经大气散射的散射光的散射角与图像上位置的对应关系，从而得到每 个像素所对应的激光束的散射光的散射角。
[0026] 在步骤5)中，正态分布函数满足：
[0027]
[002引其中，X为垂直于中屯、轴的线段内的像素点坐标，μ为线段中点的坐标，（χ-μ)即为 线段内每一像素点到中点的距离，0为正态分布的标准差，10为CCD相机接收到的天空背景 福亮度，而在该线段处对应的激光束的散射光的信号强度即为I。
[0029] 在步骤7)中，得到气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)包括W下步骤：
[0030] a)采用浊度计测量得到气溶胶半球后向散射系数，结合气体半球后向散射系数， 得到气溶胶与气体的半球后向散射系数的比值；
[0031] b)在半球内对不同角度的后向散射信号进行积分，得到气体和气溶胶的总半球后 向散射信号的积分强度；
[0032] C)总半球后向散射信号的积分强度乘W气溶胶与气体的半球后向散射系数的比 值，得到气体半球后向散射信号的积分强度；
[0033] d)结合已知的地面气压下的气体的散射相函数，得到气体的信号强度随散射角的 变化lair(0)，大气的散射光信号强度随散射角的变化Ι(θ)与气体的信号强度随散射角的变 化lair(0)的差值，即为气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)。
[0034] 在步骤8)中，气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)与气溶胶的散射函数i3aer。 (9)满足：
[003引 laero(目）=N00aer。（白）
[0036] 其中，No为系统参数是定值，i3aerD(0)为在散射角Θ处对应的散射函数，0aerD(0)与 laern(0)成正比，气溶胶的相函数是归一化后的散射函数随角度的分布，因此对IaerD(0)进行 归一化后就可W得到气溶胶的相函数。
[0037] 本发明的优点：
[0038] 本发明采用CCD相机得到的信号与浊度计测量到的气溶胶半球后向散射系数结 合，得到气溶胶相函数，可W同时获取不同角度的散射信息，避免了气溶胶散射性质随时间 的变化对结果造成影响;本发明的观测系统简单而有效，成本较低，为气溶胶相函数的观测 提供了新的技术手段，为遥感观测气溶胶光学特性相关仪器的反演提供了支持。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明的气溶胶相函数观测系统的侧视图；
[0040] 图2为本发明的气溶胶相函数观测系统的俯视图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0042] 如图1和图2所示，本实施例的气溶胶相函数观测系统包括:激光发射单元A、光阱 D、浊度计C、散射信号接收器B和计算机;其中激光发射单元A发射出水平方向的连续激光， 在激光束的末端安装光阱D，W吸收剩余激光;在激光束的下方安装浊度计C，浊度计的进气 口 C1对准激光束，测量得到气溶胶半球后向散射系数;在激光束的旁边并且与激光束高度 相同的位置安装散射信号接收器B;散射信号接收器B包括广角镜头B1、激光滤光片B2和CCD 相机B3，广角镜头B1将宽范围内激光束经大气的散射光汇聚，经激光滤光片B2过滤后，由 CCD相机B3接收光信号并转换成电信号;浊度计C和CCD相机B3分别连接至计算机。
[0043] 本实施例中，激光发射单元的激光器采用固体激光材料，发射连续激光，发射波长 为1064纳米;经过倍频后发出532纳米波长的激光束;激光束沿水平方向发出。
[0044] 本实施例的气溶胶相函数观测方法，包括W下步骤：
[0045] 1)采集一张暗帖图像，即用挡板挡住CCD相机进行探测。
[0046] 2)打开激光器，开启挡板进行图像采集，读取图像上每个像素的灰度数据，然后减 去暗帖图像对应的灰度数据，得到去掉暗电流和噪声的激光束经大气散射的散射光的图 像，大气包括气体和气溶胶。
[0047] 3)采用线性拟合法拟合激光束的散射光的图像的中屯、轴。
[0048] 4)得到中屯、轴上的每个像素所对应的激光束的散射光的散射角Θ:
[0049] a)调整CCD相机的角度，使得激光束经大气散射的散射光的图像经过CCD相机的像 素矩阵的中屯、点；
[0050] b)运用参照物方法标出激光束经大气散射的散射光的散射角为90°对应的图像位 置；
[0051] C)根据中屯、点与90°散射角对应的图像位置，结合广角镜头的焦距f，推算中屯、点 所对应的激光束经大气散射的散射光的散射角；
[0052] d)根据中屯、点所对应的散射角、90°散射角对应的图像位置W及广角镜头的焦距 f，推算出整个激光束的散射光的散射角与图像上位置的对应关系，从而得到每个像素所对 应的激光束的散射光的散射角9。
[0053] 5)将拟合得到的中屯、轴W-个像素为步长分为多个档，每一档对应的像素点上做 垂直于中屯、轴并W此中屯、轴上的像素点为中点的线段，选择合适的线段长度使得与激光束 的散射光有关的信号都能够被运些像素点包含在内，得到在线段内每一个像素对应的灰度 值，对每一档的灰度值采用正态分布函数进行拟合，得到每一像素对应的大气的散射光信 号强度，正态分布函数满足：
[0化4]
[0055] 其中，X为垂直于中屯、轴的线段内的像素点坐标，μ为线段中点的坐标，（χ-μ)即为 线段内每一像素点到中点的距离，0为正态分布的标准差，1〇为CCD相机接收到的天空背景 福亮度，而在该线段处对应的激光束的散射光的信号强度即为I。
[0056] 6)根据每档像素点对应的散射光的散射角W及大气的散射光信号强度，得到信号 强度随散射角的变化1(9)。
[0057] 7)得到气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0):
[0058] a)采用浊度计测量得到气溶胶半球后向散射系数，结合气体半球后向散射系数， 得到气溶胶与气体的半球后向散射系数的比值；
[0059] b)在半球内对不同角度的后向散射信号进行积分，得到气体和气溶胶的总半球后 向散射信号的积分强度；
[0060] C)总半球后向散射信号的积分强度乘W气溶胶与气体的半球后向散射系数的比 值，得到气体半球后向散射信号的积分强度；
[0061] d)结合已知的地面气压下的气体的散射相函数，得到气体的信号强度随散射角的 变化lair(0)，大气的散射光信号强度随散射角的变化Ι(θ)与气体的信号强度随散射角的变 化lair(0)的差值，即为气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)。
[0062] 8)气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)与气溶胶的散射函数i3aerD(0)满足：
[0063] Iaero(0)=N〇eaero(0)
[0064] 其中，No为系统参数是定值，i3aerD(0)为在散射角Θ处对应的散射函数，0aerD(0)与 laern(0)成正比，气溶胶的相函数是归一化后的散射函数随角度的分布，因此对IaerD(0)进行 归一化后就可W得到气溶胶的相函数气溶胶的信号强度随散射角的变化IaerD(0)进行归一 化，得到气溶胶的相函数。
[0065] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域 的技术人员可W理解:在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修 改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围W权 利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种气溶胶相函数观测系统，其特征在于，所述气溶胶相函数观测系统包括:激光发 射单元、光阱、浊度计、散射信号接收器和计算机;其中，所述激光发射单元发射出水平方向 的连续激光;在激光束的末端安装光阱，以吸收剩余激光;在激光束的下方安装浊度计，浊 度计的进气口对准激光束，测量得到气溶胶半球后向散射系数;在激光束的旁边并且与激 光束高度相同的位置安装散射信号接收器;所述散射信号接收器包括广角镜头、激光滤光 片和CCD相机，广角镜头将激光束经大气中的气体和气溶胶散射的散射光汇聚，经激光滤光 片过滤后，由CCD相机接收光信号并转换成电信号;所述浊度计和CCD相机分别连接至计算 机;所述CCD相机得到的信号与浊度计测量到的气溶胶半球后向散射系数结合，得到气溶胶 相函数。2. 如权利要求1所述的气溶胶相函数观测系统，其特征在于，所述激光发射单元包括固 体激光器和倍频晶体;所述固体激光器采用固体激光材料作为发光物质，发出的激光经过 倍频晶体后变成倍频的激光。3. -种气溶胶相函数观测方法，其特征在于，所述气溶胶相函数观测方法包括以下步 骤： 1) 采集一张暗帧图像，即用挡板挡住CCD相机进行探测； 2) 打开激光器，开启挡板进行图像采集，读取图像上每个像素的灰度数据，然后减去暗 帧图像对应的灰度数据，得到去掉暗电流噪声的激光束经大气散射的散射光的图像，大气 包括气体和气溶胶； 3) 采用线性拟合法拟合散射光的图像的中心轴； 4) 得到中心轴上的每个像素所对应散射光的散射角Θ; 5) 将拟合得到的中心轴以一个像素为步长分为多个档，每一档对应的像素点上做垂直 于中心轴并以该中心轴上的像素点为中点的线段，选择合适的线段长度使得与激光束的散 射光有关的信号都能够被这些像素点包含在内，得到在线段内每一个像素对应的灰度值， 对每一档的灰度值采用正态分布函数进行拟合，得到每一像素对应的大气的散射光信号强 度； 6) 根据每个像素所对应的散射光的散射角以及大气的散射光信号强度，得到大气的散 射光信号强度随散射角的变化Ι(θ); 7) 得到气溶胶的信号强度随散射角的变化Ia_(0); 8) 对气溶胶的信号强度随散射角的变化Ia_(0)进行归一化，得到气溶胶的相函数。4. 如权利要求3所述的气溶胶相函数观测方法，其特征在于，在步骤4)中，得到中心轴 上的每个像素所对应的激光束经大气散射的散射光的散射角，具体包括以下步骤： a) 调整CCD相机的角度，使得激光束经大气散射的散射光的图像经过CCD相机的像素矩 阵的中心点； b) 运用参照物方法标出激光束经大气散射的散射光的散射角为90°对应的图像位置； c) 根据中心点与90°散射角对应的图像位置，结合广角镜头的焦距f，推算中心点所对 应的激光束经大气散射的散射光的散射角； d) 根据中心点所对应的散射角、90°散射角对应的图像位置以及广角镜头的焦距f，推 算出整个激光束经大气散射的散射光的散射角与图像上位置的对应关系，从而得到每个像 素所对应的散射光的散射角。5. 如权利要求3所述的气溶胶相函数观测方法，其特征在于，在步骤5)中，正态分布函 数满足：其中，X为垂直于中心轴的线段内的像素点坐标，μ为线段中点的坐标，（x-μ)即为线段 内每一像素点到中点的距离，σ为正态分布的标准差，1〇为CCD相机接收到的天空背景辐亮 度，而在该线段处对应的激光束的散射光的信号强度即为I。6. 如权利要求3所述的气溶胶相函数观测方法，其特征在于，在步骤7)中，得到气溶胶 的信号强度随散射角的变化Ia_(9)包括以下步骤： a) 采用浊度计测量得到气溶胶半球后向散射系数，结合气体半球后向散射系数，得到 气溶胶与气体的半球后向散射系数的比值； b) 在半球内对不同角度的后向散射信号进行积分，得到气体和气溶胶的总半球后向散 射信号的积分强度； c) 总半球后向散射信号的积分强度乘以气溶胶与气体的半球后向散射系数的比值，得 到气体半球后向散射信号的积分强度； d) 结合已知的地面气压下的气体的散射相函数，得到气体的信号强度随散射角的变化 Iair(9)，大气的散射光信号强度随散射角的变化Ι(θ)与气体的信号强度随散射角的变化 I air(9)的差值，即为气溶胶的信号强度随散射角的变化Ia_(0)。7. 如权利要求3所述的气溶胶相函数观测方法，其特征在于，在步骤8)中，气溶胶的信 号强度随散射角的变化Ia_(9)与气溶胶的散射函数i3 a_(0)满足： I aer。（ Θ ) - N〇Paero ( Θ ) 其中，No为系统参数是定值，iW〇(0)为在散射角Θ处对应的散射函数，β%Μ(θ)与Ia_(0) 成正比，气溶胶的相函数是归一化后的散射函数随角度的分布，对Ia_(0)进行归一化后得 到气溶胶的相函数。
【文档编号】G01N21/49GK106066310SQ201610393228
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月6日 公开号201610393228.0, CN 106066310 A, CN 106066310A, CN 201610393228, CN-A-106066310, CN106066310 A, CN106066310A, CN201610393228, CN201610393228.0
【发明人】赵春生, 边宇轩, 赵罡, 旷烨, 陶江川
【申请人】北京大学