一種大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量方法，具體涉及一種大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光在實(shí)際大氣傳輸過程中，由于大氣中水汽分子的吸收，會導(dǎo)致激光能量的衰 減，對于功率較強(qiáng)的激光還會產(chǎn)生非線性熱暈效應(yīng)，導(dǎo)致光束質(zhì)量下降、遠(yuǎn)場光斑擴(kuò)展，最 終影響激光的工程應(yīng)用。為評估大氣水汽吸收對激光大氣傳輸?shù)挠绊?，需要對大氣水汽?子吸收系數(shù)廓線進(jìn)行測量。在近、中紅外光譜區(qū)（1?12ym)，是激光工程應(yīng)用主要的光譜 區(qū)間，在該區(qū)間水汽分子是最主要的大氣吸收因素，所以測量大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線 在激光工程應(yīng)用方面具有重要價值。
[0003] 目前常用的測量大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線的方法是，首先利用探空氣球攜帶探 空儀測量大氣溫度、壓強(qiáng)和大氣水汽濃度廓線，然后利用所測大氣水汽分子濃度廓線、大氣 溫度廓線、壓強(qiáng)廓線等參數(shù)，結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫，通過計(jì)算得到激光大氣水汽吸收系數(shù)廓 線。這種方式存在以下缺點(diǎn)：探空氣球的測量方式實(shí)時性差，且測量路徑無法控制，不能滿 足對激光傳輸路徑上水汽分子吸收系數(shù)廓線實(shí)時測量的要求。
[0004] 另外一種技術(shù)方案為：首先，利用拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)測量給出大氣水汽濃度廓線 和大氣溫度廓線，然后利用其它方法實(shí)測或結(jié)合模式大氣給出大氣壓強(qiáng)廓線，最后，結(jié)合 HITRAN數(shù)據(jù)庫，通過計(jì)算得到激光大氣吸收系數(shù)廓線。該種方式存在的缺點(diǎn)為：1)測量高 度有限，一般拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)白天大致為3km、夜間為6km，且存在盲區(qū)（一般為數(shù)百米左 右）；2)不能夠測量大氣溫度廓線，由此帶來的結(jié)果是大氣水汽吸收系數(shù)計(jì)算精度不夠高； 3)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)研制經(jīng)費(fèi)高，由于大氣后向散射的拉曼信號較弱，為了得到足夠的信 噪比，除了需要激光器發(fā)射功率高之外，還需要較大的光學(xué)接收口徑，一般不小于0500,所 以，一套系統(tǒng)大約需要數(shù)百萬元；4)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，不適合長期外場運(yùn) 行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種大氣水汽分子吸收系數(shù) 廓線測量方法，該測量方法可以實(shí)時測量大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線，并且測量的精度高， 成本低。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法包括以下步 驟：
[0007] 1)利用多通道微波輻射計(jì)測量得到大氣水汽分子數(shù)密度廓線P〇〇、大氣溫度廓 線TOO,i= 0，1，2,......，1其中比為高度；
[0008] 利用離地面高度為心的近地面氣象傳感器測量得到高度為h處的大氣壓強(qiáng) pOO,然后根據(jù)高度為b處的大氣壓強(qiáng)PC!)計(jì)算得到大氣壓強(qiáng)廓線pOO,i= 〇，1， 2,......，N，比為高度；
[0009]2)利用高度心處的大氣溫度T(hJ、大氣壓強(qiáng)p〇〇和水汽分子數(shù)密度P〇〇，計(jì) 算得到中心波數(shù)為％的吸收線在波數(shù)v處的大氣水汽分子譜線吸收強(qiáng)度k(v，hJ:
[0010] k(v,h〇) =Sf(v-v〇,aL,aD) (1)
[0011] 其中，a^aD)為歸一化線型函數(shù)，4為壓力加寬的譜線半寬度，aD為 多普勒加寬的譜線半寬度，S為譜線強(qiáng)度；
[0012] 3)利用高度心處的大氣溫度TQO、大氣壓強(qiáng)pQO和水汽分子數(shù)密度p〇〇,計(jì) 算得到波數(shù)V處的水汽分子連續(xù)吸收強(qiáng)度k。(V):
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 利用多通道微波輻射計(jì)測量得到大氣水汽分子數(shù)密度廓線p(hi)、大氣溫度廓線 TOO,i= 0，1，2,......，N，其中比為高度； 利用離地面高度為b的近地面氣象傳感器測量得到高度為h^處的大氣壓強(qiáng)p(h^，然 后根據(jù)高度為b處的大氣壓強(qiáng)pQ^)計(jì)算得到大氣壓強(qiáng)廓線pQOa=0，1，2,......，N， 比為高度； 2) 利用高度&處的大氣溫度TO!，大氣壓強(qiáng)pQO和水汽分子數(shù)密度P〇〇,計(jì)算得 到中心波數(shù)為V。的吸收線在波數(shù)v處的大氣水汽分子譜線吸收強(qiáng)度: k(v,h〇) =Sf(v-v〇,aL,aD) (1) 其中，f(v_V(l，c^，aD)為歸一化線型函數(shù)，為壓力加寬的譜線半寬度，aD為多普 勒加寬的譜線半寬度，S為譜線強(qiáng)度； 3) 利用高度&處的大氣溫度TO!，大氣壓強(qiáng)pQO和水汽分子數(shù)密度P〇〇,計(jì)算得 到波數(shù)v處的水汽分子連續(xù)吸收強(qiáng)度Uv)
: 其中，Ps為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下空氣的分子數(shù)密度，P&0〇為高度&處空氣的分子數(shù)密 度，h為普朗克常數(shù)，kB為Boltzmann常數(shù)，c為光速，分別為高 度&處連續(xù)吸收自身分量系數(shù)和外界分量系數(shù)； 4) 由式（1)得各條水汽分子吸收譜線在波數(shù)v處的譜線吸收強(qiáng)度，再對各條水汽分子 吸收譜線在波數(shù)v處進(jìn)行逐線積分，得到水汽分子全部吸收譜線在波數(shù)v處的譜線吸收 強(qiáng)度；再加上水汽分子連續(xù)吸收強(qiáng)度kjv，，可以得到高度&處在波數(shù)v處的總的水 汽分子吸收強(qiáng)度y(v，h。）： r(V,h〇) =Ek(V,h〇) +kc (V,h〇) (3) 由⑶式可以得到高度b處水汽分子在波數(shù)v處的吸收系數(shù)a(hhj: a (v，h〇) =y(v，h〇)P(h〇) (4) 5) 重新調(diào)整測量的高度匕，重復(fù)步驟2)至步驟4)，依次得到大氣水汽分子在高度比處 的大氣水汽吸收系數(shù)廓線a(v，h)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，式（1)中
其中X表示v-v^x'為積分量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，步驟2) 中壓力加寬a^為：
(6) 其中as為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度下的譜線寬度，n為溫度依賴指數(shù)，p3為標(biāo)準(zhǔn)大 氣壓，Ts為標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度，p(hi)、T〇〇分別為在高度hi處大氣壓強(qiáng)和大氣溫度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，步驟2) 中多普勒加寬半徑aD的表達(dá)式為：
(7) 其中，m為分子質(zhì)量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，由自 然加寬的線型因子fN(v-V(l)、壓力加寬的線型因子及多普勒加寬的線型因子 fD(V_V〇)得歸一化線型函數(shù)f(V_V0，aL，aD)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，所述自 然加寬的線型因子的表達(dá)式為：
(8) 其中aw為自然加寬的半寬度，并且，自然加寬的半寬度aN的表達(dá)式為：
(9) 其中，T是尚能級的壽命。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，所述壓 文1加簾的線型田罕f,(V-vJ的夷伏式為：
(1〇)
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于，所述多 普勒加寬的線型因子fjv-vj的表達(dá)式為：
(11)
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，其特征在于： 步驟1)中利用多通道微波輻射計(jì)測量大氣水汽分子數(shù)密度廓線及大氣溫度廓線； 步驟1)中利用大氣壓力傳感器測量近地面處大氣壓強(qiáng)，然后根據(jù)近地面處大氣壓強(qiáng) 得到大氣壓強(qiáng)廓線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線測量方法，包括：1)測量大氣水汽分子數(shù)密度廓線、大氣溫度廓線及近地面大氣壓強(qiáng)，并利用近地面大氣壓強(qiáng)計(jì)算得到大氣壓強(qiáng)廓線；2)根據(jù)大氣水汽分子數(shù)密度廓線、大氣溫度廓線及大氣壓強(qiáng)廓線，在特定高度處，得到各條水汽分子吸收譜線在波數(shù)ν處的譜線吸收強(qiáng)度和連續(xù)吸收強(qiáng)度，對譜線吸收強(qiáng)度和連續(xù)吸收強(qiáng)度求和后即可得到總的水汽分子吸收強(qiáng)度；3)根據(jù)測量的大氣水汽分子數(shù)密度廓線及在波數(shù)ν處總的水汽分子吸收強(qiáng)度得到大氣水汽分子在波數(shù)ν處的吸收系數(shù)；4)重復(fù)步驟2)及3)，依次計(jì)算各個高度上的大氣水汽吸收系數(shù)，得到大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線。本發(fā)明可以實(shí)時測量大氣水汽分子吸收系數(shù)廓線。
【IPC分類】G01N21-31
【公開號】CN104614333
【申請?zhí)枴緾N201510070554
【發(fā)明人】強(qiáng)希文, 常金勇, 宗飛, 李志朝, 吳敏, 趙軍衛(wèi), 龔新剛
【申請人】中國人民解放軍63655部隊(duì)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月10日