封面 | 华灯鑫、王玉峰：突破斜程能见度测量技术瓶颈

“能见度”一词在日常生活中常被提及，它一般指水平能见度，而在空间目标探测领域中，涉及到的“能见度”常常是指斜程能见度。由于大气垂直方向分布并不均匀，故斜程能见度与水平能见度存在较大差异。斜程能见度是航空器安全起降及各类光学引导式武器精确打击的关键指标之一，也是保障飞行安全的气象要素之一。因此，斜程能见度的测量和研究在航空、航天和军事等领域中具有重要的科学意义和应用价值。

斜程能见度的测量受大气消光系数、大气散射辐射亮度、太阳天顶角和观测角度等多种因素影响。其中，大气散射辐射亮度是影响白天斜程能见度精确测量的关键要素。然而，大气散射辐射亮度的计算涉及到复杂的辐射传输方程求解，故大气散射辐射亮度的路径分布模拟和观测成为了制约斜程能见度测量的主要技术瓶颈，这限制了斜程能见度测量技术的发展和工程应用。

激光雷达作为一种新型的主动光学遥感技术，是实现大气温度、湿度、风场、气溶胶和云探测的重要科学仪器，已在气象、环境与海洋等领域中得到广泛应用。区别于透射式能见度仪和散射式能见度仪（仅提供水平能见度），激光雷达是较好的无需反射目标的斜程能见度测量设备，在斜程能见度测量中具有独特优势和应用潜力。近些年，逐渐发展并形成了以下3种激光雷达斜程能见度测量技术。

2.1 基于单波长米散射激光雷达的斜程能见度测量技术

目前出现的少数激光雷达能见度仪通常是基于单波长米散射激光雷达探测技术对斜程能见度进行估算测量，如图1所示。借助米散射激光雷达探测的方式，反演获得斜程路径的大气气溶胶消光系数，并结合著名的Koschmieder能见度公式来计算斜程能见度。或者，利用激光雷达多仰角法反演不同斜程路径上的大气光学厚度，进而实现斜程能见度估计。在反演实现方面，学者们相继在大气气溶胶消光系数反演、平均消光系数迭代反演与多次散射影响下的斜程能见度反演等方面开展了深入的探讨和分析。然而，该技术从根本上忽略了大气散射辐射亮度的影响，并简单照搬了均匀路径的结果，存在反演技术缺陷，很难获得准确的斜程能见度结果。

图1 典型的单波长米散射激光雷达斜程能见度测量系统

2.2 基于辐射传输模式的斜程能见度反演技术

早在20世纪80年代，大气科学领域的学者们就开始开展基于辐射传输模式的斜程能见度反演研究，代表性工作有：中国科学院大气物理所邱金桓等从辐射传输方程出发，提出了一个计算斜程能见度的近似表达式；中国科学院安徽光学精密机械研究所饶瑞中、王毅等利用δ-Eddington近似求解辐射传输方程，推导了斜程能见度的近似表达式。虽然早先的研究工作已经开始关注大气散射辐射亮度的测量及其对斜程能见度的影响，但是这方面的研究多聚焦在理论推导和仿真分析，在实际应用中还存在诸多问题。

2.3 基于激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度精确测量技术

针对大气散射辐射亮度测量的技术难题，本团队在国家自然科学基金民航联合基金重点项目的资助下，提出了一种激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法，原理示意图如图2所示。借助拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法和大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术，实现了考虑大气散射辐射亮度影响情况下的斜程能见度精确测量。该方法充分利用了激光遥感的探测优势，以激光遥感进行大气气溶胶的高时空分辨率和高精度探测，提供实时的气溶胶光学、微物理和散射特性参量信息。同时，结合SBDART辐射传输模式求解辐射传输方程，进而获得大气散射辐射亮度路径分布的实际观测结果，从根本上解决了目前斜程能见度测量的技术瓶颈。

图2 激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量技术原理示意图

图3 大气散射辐射亮度分布。(a)不同斜程方向上的大气散射辐射亮度曲线；(b) 距离-高度-强度剖面 

后续，根据斜程能见度测量原理，可直接计算得到目标物和背景的视亮度对比度曲线，当取对比度阈值为0.05时，对应的距离即为斜程能见度，进而实现考虑斜程大气散射辐射亮度影响时的斜程能见度准确反演，如图4所示。

图4 目标物和背景对比度分布。(a)不同斜程方向上的对比度曲线；(b) 距离-高度-强度剖面

斜程能见度的探测和研究在航空、航天、军事和天文观测等领域具有重要的科学研究意义和应用价值。得益于激光雷达技术的进步，基于激光遥感的斜程能见度测量技术已逐渐成熟，涌现出的地基式斜程能见度激光雷达系统也已初具雏形。在未来，随着卫星遥感技术的迅猛发展，有望开展全球斜程能见度图谱方面的研究，进而推动空间目标探测领域的发展。