日盲紫外輻射的大氣傳輸與大氣溫度關系的理論模型

潘 浩，馬 儀，周仿榮，馬御棠，錢國超，文 剛

〈微光技術〉

日盲紫外輻射的大氣傳輸與大氣溫度關系的理論模型

潘 浩，馬 儀，周仿榮，馬御棠，錢國超，文 剛

（云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650011）

近些年來，日盲紫外探測在電力檢測方面得應用越來越廣泛。本文基于大氣溫度輪廓線與國際公認的大氣傳輸特性模擬軟件包MODTRAN，針對大氣溫度對日盲紫外大氣傳輸?shù)挠绊戇M行模擬分析，通過分波長分析與曲線擬合，最終得出大氣溫度對紫外大氣傳輸?shù)年P系式，并通過實驗驗證了所建立的關系式的準確性。通過模擬關系式，可以對大氣溫度對大氣傳輸進行量化分析，促進日盲紫外在大氣傳輸?shù)奶匦匝芯?，提高電暈檢測的準確度。

大氣傳輸特性；日盲紫外；大氣溫度輪廓線

0 引言

隨著我國的電網規(guī)模不斷擴大，電壓等級越來越高，電力系統(tǒng)中使用的高壓電力設備的故障、損壞也不斷增加。高壓電力設備投入使用后，由于表面粗糙不均、污穢、結構缺陷、導體接觸不良等原因，導致其絕緣表面的電場分布不均，設備表面的空氣局部被電離，“呲呲”放電且伴隨藍紫色熒光，這種現(xiàn)象即“電暈放電”[1-5]。電暈放電會增加電能的損耗，同時還會產生高頻脈沖電流，干擾無線電通訊，造成電力設備的損壞，引起重大的安全事故[1]。因此，探測電暈放電，找出電力設備的缺陷并修復，對高壓電力系統(tǒng)的安全運行有著重大意義[6]。

傳統(tǒng)的紅外熱成像技術響應速度慢，誤檢率高。紅外熱成像技術探測到的是發(fā)熱現(xiàn)象，通過紅外圖像看到電暈放電時，往往電力設備或線路損壞已經很嚴重[7]。在自然界中，太陽是最強的紫外輻射源。平流層中的臭氧層對中紫外有強烈的吸收作用，這一波段的紫外輻射在近地大氣中幾乎不存在，該波段也被稱為“日盲區(qū)”[2]。由于電暈放電的光譜主要分布在紫外波段，歐美國家研發(fā)了日盲紫外成像探測技術并應用于電暈探測，能夠在溫升較小的放電初期探測到電暈放電[8-12]。作為一種新興的電暈放電探測技術，日盲紫外成像探測技術將可見光背景和紫外光信號結合起來，定位精準、分辨率高，不受日光和霧天的干擾。

目前，日盲紫外探測技術已引起國內的普遍重視，但具體的研究還較為薄弱，涉及景物、大氣紫外傳輸特性的研究更少見。為了提高日盲紫外探測在大氣環(huán)境中受大氣溫度影響的量化認識，本文通過大氣溫度輪廓線以及MODTRAN軟件，模擬不同大氣溫度下，日盲紫外大氣傳輸?shù)奶匦郧€，通過分波長分析和曲線擬合，分析出大氣溫度對紫外大氣傳輸影響的量化關系式，促進日盲紫外在大氣傳輸?shù)奶匦匝芯浚岣咴陔姇灆z測領域的準確性。

1 大氣透過率以及大氣溫度輪廓線的計算方法

由于紫外輻射與大氣中的氣溶膠、水分子等懸浮粒子發(fā)生吸收和散射作用，紫外信號在大氣傳輸中產生了衰減，通常用大氣透過率來衡量輻射衰減的程度。由于大氣是非均勻的，不同的海拔高度對應的不同大氣參數(shù)（如大氣壓強、大氣溫度、大氣相對濕度等）對紫外輻射在大氣中傳輸?shù)挠绊懸彩遣煌?。根?jù)比爾-布格-朗伯定律，氣體的光學厚度與大氣透過率有如下關系：

＝exp(－) (1)

式中：表示氣體的光學厚度；表示相應的大氣透過率。光學厚度是指沿著輻射傳輸路徑，單位截面上物質由于吸收或散射產生的總衰減。根據(jù)定義，可用下式表示：

式中：()為物質的數(shù)密度，cm－3；a、s和e分別表示吸收截面、散射截面和消光截面，cm－2。a、s和e分別表示吸收系數(shù)、散射系數(shù)和消光系數(shù)。在紫外輻射傳輸領域中，消光是指在介質中散射和吸收二者作用之和。截面的物理意義與粒子的幾何面積類似，它是用來表示粒子從起始光束中所移除能量的大小。因此，散射截面與吸收截面之和為消光截面。

因此，大氣輻射透過率計算方法研究需要考慮大氣參數(shù)的計算方法，大氣參數(shù)包括大氣溫度、大氣壓強、大氣相對濕度、大氣密度、大氣折射率等，本文主要針對大氣溫度參數(shù)的計算進行討論。

大氣溫度對于紫外大氣輻射傳輸特性的研究有著十分重要的影響。1976 US Standard大氣參數(shù)是由美國天氣局（National Weather Service, NWS）、美國空軍地球實驗室（U. S. air force earth laboratory）、宇宙航行管理局（NASA）經過大量的實驗數(shù)據(jù)共同建立的，其大氣溫度隨海拔高度的變化規(guī)律如圖1所示，該曲線被稱為大氣溫度垂直輪廓線。

由于本文中主要考慮的是對流層的溫度分布，即海拔高度0～11km的大氣溫度曲線，通過觀察曲線可以判斷：隨著海拔的升高，溫度的衰減呈線性衰減，因此通過將海拔高度為0～11km的大氣溫度曲線進行線性擬合，得出如下海拔高度與溫度的關系式：

式中：T0為海平面處的大氣溫度。對于美國1976標準大氣，T0＝288.15K。

2 大氣傳輸模型軟件

目前較為實用的大氣模型是美國空軍研究實驗室開發(fā)的MODTRAN和LOWTRAN大氣模型，這兩個模型在大氣模擬計算方面有著廣泛的應用。MODTRAN（MODerate spectral resolution atmospheric TRANsmittance algorithm and computer model），即中等光譜分辨率大氣透過率及輻射傳輸算法和計算模型，它是由美國空軍研究實驗室（US Air Force Research Laboratory，AFRL）與Spectra Technology Corporation利用FORTRAN語言共同開發(fā)，是對LOWTRAN模型逐漸地改進，它繼承并包含了所有LOWTRAN模型的代碼。LOWTRAN的光譜分辨率為20cm－1，MODTRAN的目的在于改進LOWTRAN的光譜分辨率，它將紅外波段光譜的半高全寬度（FWHM，F(xiàn)ull Width at Half Maximum）由LOWTRAN的20cm－1減小到2cm－1。MODTRAN和LOWTRAN可以計算從紫外到微波（即波長?0.2～￥mm）的大氣傳輸問題，模型具有較強的經驗性。

如圖2所示為PcMod Win3.7的操作界面。PcMod Win是Windows下有界面的軟件，可以選擇MODTRAN和LOWTRAN兩種仿真軟件包。軟件中考慮了大氣分子的吸收和散射、水氣吸收、氣溶膠的散射和吸收、大氣背景輻射、日光或月光的單次散射和地表反射、直接大氣輻射以及日光大氣熱輻射的多次散射等。在大氣模式中設立了1976 US Standard Model（美國1976標準模型）、Tropical Model（熱帶模型）、Mid Latitude Summer（中緯度夏天）和Mid Latitude Winter（中緯度冬天）、SubArctic Summer（亞北極夏天）和SubArctic Winter（亞北極冬天）以及自定義模式等選擇。氣溶膠消光模型擴充為Aerosol Free Clouds（氣溶膠有云）、No Aerosol or Clouds（無氣溶膠或云）、Rural（鄉(xiāng)村）、Navy Maritime（海上）、Urban（都市）、Tropospheric（對流層）、Fog advection（平流層霧）和Desert Extinction（沙漠地帶）等多種模式。本文中主要使用的是MODTRAN仿真軟件包，針對水平路徑上的傳播特性，由于我們考慮的是大氣溫度對傳輸?shù)挠绊?，因此對其他氣候條件，保持一致性。

圖2 PcModWin操作界面

3 大氣溫度理論模型分析

通過使用大氣傳輸軟件MODTRAN可以得出不同海拔高度下紫外大氣傳輸?shù)奶匦郧€。本文中，通過MODTRAN軟件，仿真出了美國1976標準大氣條件，鄉(xiāng)村能見度5km的環(huán)境條件以及探測距離為500m條件下，0～11km海拔高度下，波長與紫外波段大氣透過率的關系曲線。通過與大氣溫度輪廓線相關聯(lián)，我們可以得出不同大氣溫度下，紫外大氣傳輸?shù)奶匦郧€，繪制如圖3所示。

其中，波數(shù)代表的是紫外波段的波長，由于電暈波段主要分布在240～280nm，通過換算，我們截取波數(shù)為35700～41600cm－1的波段，得出如圖4所示曲線。

通過對圖4分析可知，在240～280nm的范圍內，隨著溫度的升高，透過率先增加后減小，溫度在250K附近存在透過率極大值。我們采用4階多項式擬合每個單波長下溫度與透過率的關系。在這里我們取240nm、260nm和280nm三個波長下的大氣溫度與透過率以及對應的曲線擬合結果圖如圖5所示。

圖3 不同大氣溫度條件下，紫外大氣透過率曲線

圖4 不同大氣溫度下，240～280 nm下紫外大氣透過率曲線

本文中，針對240～280nm的每一波長下，我們采用的四階多項式曲線擬合。一般四階多項式擬合的通用公式如下所示：

通過在每個波長下，大氣溫度與透過率關系曲線所擬合出的四階多項式，我們得出了在每個波長下，多項式的參數(shù)值與波數(shù)的關系，如表1所示。

圖5 240～280nm波長下，大氣溫度與透過率曲線的擬合結果

表1 每個波數(shù)下對應的大氣溫度與透過率關系的參數(shù)值

通過分析表1可知，這5個參數(shù)隨著波數(shù)的變化呈線性變化，因此，可以總結出紫外大氣透過率與波長和溫度的關系式為：

式中：r是紫外大氣透過率；代表波數(shù)；代表大氣溫度。

4 實驗與分析

本文通過對260nm的特征波長進行分析，選取在開闊的場地中進行實驗，探測距離為60m，實驗所用的輻射源為氘燈、積分球以及260nm的濾光片組成的光源系統(tǒng)，可以穩(wěn)定地輸出260nm的信號，通過紫外成像儀對信號進行采集，紫外成像儀所顯示的數(shù)據(jù)為光子數(shù)，表征到達成像儀的光子個數(shù)，通過分析可知，光子數(shù)與透過率的關系可以表示為：

式中：out表示光源出口處的光子數(shù)，由于實驗中，光源的強度保持不變，因此out為固定值。實驗時間在5月份，從中午12點開始，每隔1h測量一次，一直測量到凌晨12點。實驗中用到兩個溫度計，分別放在光源出口和成像儀前端，采集到的溫度與光子數(shù)對應的表格如表2所示。

表2 大氣溫度對應的紫外成像儀所采集光子數(shù)

表中，光子數(shù)是通過連續(xù)采集10次成像儀的光子數(shù)取平均得到，我們將兩個溫度計所采集的溫度值求平均作為大氣溫度，得出光子數(shù)與大氣溫度的曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，光子數(shù)逐漸降低，也就是代表透過率逐漸降低，這與擬合的結果相符合，由于實驗時的溫度限制，我們無法得到理論建立模型的極值，我們通過對所采集的光子數(shù)進行二次擬合，然后再進行擴展，得出擬合后的曲線如圖7所示。

圖6 光子數(shù)與大氣溫度的關系曲線

圖7 擬合后的光子數(shù)與大氣溫度的曲線

從圖7中可以看出，擬合后的曲線在整體趨勢上和理論所建立的模型曲線大致相同，極值點都同樣在250K附近。由于光源所發(fā)出的光是穩(wěn)定均勻的單色光，因此到達紫外成像儀的光子數(shù)可以看作是單色光經過大氣環(huán)境衰減后的度量，所擬合的光子數(shù)的極值，也可以代表大氣透過率的極值，因此，通過分析光子數(shù)與溫度的關系曲線，印證了所建立模型的準確性。

5 總結

本文從大氣溫度輪廓線與國際通用的大氣傳輸模擬軟件MODTRAN出發(fā)，通過分析海拔高度與大氣溫度的曲線，以及擬合海拔高度與大氣傳輸特性的曲線，整理得出最終大氣溫度與紫外大氣傳輸特性的關系；運用分波長分析和曲線擬合，我們得出了在不同波長下，溫度與大氣透過率的關系曲線，再通過加入波長參數(shù)，我們得出了最終的大氣透過率與紫外波數(shù)和大氣溫度的關系式。通過在實際大氣環(huán)境中的實驗數(shù)據(jù)，我們驗證了所建立模型的準確性。通過以上研究，可以促進紫外探測在大氣傳輸?shù)牧炕芯?，提高日盲紫外探測在電暈應用的準確性。

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Research on the Theoretical Model Between Solar-blind UV and Atmospheric Temperature during Atmospheric Transmission

PAN Hao，MA Yi，ZHOU Fangrong，MA Yutang，QIAN Guochao，WEN Gang

((Group),.,650051)

In recent years, solar blind ultraviolet detection has been widely used in power fault detection. Based on atmospheric temperature profile and MODTRAN, we conduct simulation analysis on the influence of atmospheric temperature on solar blind ultraviolet atmospheric transmission. And finally the relationship between atmospheric temperature and ultraviolet atmospheric transmission was obtained through wavelength analysis and curve fitting. Based on the simulation relational expression, the quantitative analysis of atmospheric temperature and atmospheric transmission can be carried out, which can promote the study of the characteristics of solar blind ultraviolet transmission in the atmosphere and improve the accuracy of corona detection.

solar-blind ultraviolet, atmospheric transmission characteristic, atmospheric temperature profile

TN23，TP391.41

A

1001-8891(2020)10-1007-06

2019-07-24；

2019-09-23.

潘浩（1990-），男，湖南岳陽人，工程師，工學學士，主要從事輸電線路運檢，無人機巡視故障識別。E-mail：panhao_epri@sina.com。