通用大气辐射传输软件(CART)大气散射辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件（CART）计算大气分子、气溶胶散射辐射的计算精度,在大观测天顶角、太阳天顶角、观测与太阳方位角之差、散射相函数不对称因子变化范围内,就CART 软件模拟的单次散射辐射和多次散射辐射,分别与MODTRAN5.0 计算的单次散射辐射和离散坐标辐射传输软件（DISORT）计算的多次散射辐射进行比较分析。结果表明:CART 软件计算的单次散射辐射与MODTRAN5.0 的相对偏差一般小于10%,最大相对偏差为15%;CART 计算的多次散射辐射与精确的DISORT 算法的相对相差小于2.5%。CART 在包括多次散射在内的大气背景辐射计算方面具有较有高的计算精度和效率。     

更新升级的通用大气辐射传输软件CART2（特约）

采用HITRAN2016数据库,研制了新的大气分子吸收系数数据库,应用于更新的第二版通用辐射大气传输软件CART2。增加了光谱分辨率为0.1 cm?1的CART2P1程序模块。相对于CART1.0,大气分子吸收考虑了更多的分子弱谱线的吸收,扩展了计算波段。计算结果与LBLRTM和MODTRAN5对比表明,CART2能够精确地模拟大气分子的吸收;计算结果与地基实际测量的红外高分辨率太阳光谱吻合的非常好。具备0.1 cm?1光谱分辨率的CART2计算的大气透过率和环境背景辐射可以分辨出分立的大气分子吸收谱线,能够在中高光谱分辨率的光学工程和有些激光工程的大气传输计算中得到应用。     

CART软件计算的红外大气透过率和实测值比较

初步完成了一套通用大气辐射传输软件的研制,它是一套基于我国大气模式的采用独特算法的大气辐射传输软件,可用来较快速地计算大气光谱透过率、大气热辐射、大气散射辐射和太阳直接辐照度,光谱分辨率为1cm-1。利用中近红外傅里叶光谱辐射计FTIR测得的水平红外大气透过率来验证CART软件计算水平路径上红外大气透过率的精度。比较结果表明：CART软件计算的水平大气透过率和实测值的误差最大小于0.1,均方根大约为0.04。这可以说明CART软件计算水平红外大气透过率是可靠的。     

MODTRAN5分子吸收模式的计算精度数值评估

大气辐射传输软件MODTRAN5较以前版本光谱分辨率从2 cm-1提高到0.2 cm-1,为了检验MODTRAN5分子吸收的计算精度,用精确的逐线积分法LBLRTM做参考,模拟比较了MODTRAN5计算的大气光谱透过率。结果表明：MODTRAN5软件计算的大气透过率与LBLRTM计算结果的均方根误差总体上不超过0.02,但在有些波段最大误差可达0.03以上,如二氧化碳4.3 μm吸收带,误差值为0.0377。     

通用大气辐射传输软件CART在场景计算中的应用（特邀）

研制了通用大气辐射传输软件CART,可以根据大气参数计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和背景辐射（包括环境散射太阳辐射和热辐射）。光学工程特别关注某一波段的大气透过率随天顶角、距离等参数的多维变化,需要快速计算这些场景变化的大气光学特性。介绍了CART新增的大气辐射传输二维场景计算功能。引入离散坐标法（DISORT）模块,一次计算可同时得到各方位角和天顶角的多次散射辐射强度,大大提高了计算效率。对于大气透过率和热辐射随空间位置的变化缓慢的特点,采用抽样计算、样条插值的方法,在保持计算精度基本不变的情况下,大大节省了计算时间。对于场景计算,相对于逐点串行计算,速度提高了2~3个量级。这在实际工程应用的大气辐射传输场景计算中将有重要的应用。     

水平方向上的大气透过率和热辐射计算模型研究

大气透过率和大气热辐射是影响目标本征辐射特性测量精度的重要因素。传统的空间目标辐射特性测量方法就是利用大气观测设备配合MODTRAN等软件或者利用红外恒星计算大气热辐射。然而，水平方向上的空气对流和复杂的地面状况会导致模式计算大气热辐射不确度增大，而火箭、导弹等目标发射起始段的红外特性测量有助于实现目标识别。因此，研究水平大气透过率和热辐射对于目标红外辐射特性测量具有十分重要的意义。针对以上问题，首先借鉴垂直廓线理论建立了同层大气“水平温度廓线”模型。然后推导了水平方向上的大气透过率和热辐射计算公式，并对其进行了实验验证。最后将大气热辐射的MODTRAN软件计算结果和实验测量结果进行了比较。结果表明，基于传统软件的热辐射计算精度为8.65% ，而本文方法的计算精度为4.91%。该实验说明这种算法在水平方向上是正确的。通过公式推导和实验验证说明了本文方法的合理性，为目标辐射特性测量过程中的水平大气透过率和热辐射计算提供了一种新的思路。     

大气参数模式及其在辐射大气传输计算中的应用

大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式,包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布,覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件（CART）中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。     

通用大气辐射传输软件(CART)及其应用

大气光谱透过率和背景辐射的计算在诸如大气遥感、光电工程等领域有重要应用。根据所提出的中分辨率大气分子吸收快速计算方法、大气气溶胶衰减计算方法、大气多次散射快速算法,研制了一套通用大气辐射传输计算软件(CART),该软件可根据大气参数快速计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和大气背景辐射,光谱分辨率1 cm-1,覆盖可见光到远红外波段。介绍了该软件的计算模型、主要功能和计算实例、部分实际验证结果以及应用领域。CART在目标辐射特性测量的大气修正、光电设备的设计和性能评估将有广泛的应用。     

水平方向上的大气透过率和热辐射计算模型研究

水平方向上的空气对流和复杂的地面状况会导致大气热辐射计算的不确定度增大，目标发射起始段的红外辐射特性测量有助于实现目标识别。因此，研究水平大气透过率和热辐射对目标的高精度红外辐射特性测量具有十分重要的意义。针对以上问题，首先借鉴垂直廓线理论建立了同层大气“水平温度廓线”模型，然后推导了水平方向计算大气透过率和热辐射的公式，并对其进行了实验验证。最后将MODTRAN软件计算和实验测量的大气热辐射结果进行了比较。实验结果表明，传统软件的热辐射计算精度为8.65% ，而本文方法的计算精度为4.91%。该实验说明，在水平方向上，这种算法是正确的。通过公式推导和实验验证说明了该方法的合理性，为水平方向大气透过率和热辐射的计算提供了一种新的思路。     

一种精确快速的大气吸收工程计算模型

逐线积分法计算大气吸收透过率虽然具有最高的计算精度,但实时性欠佳,限制了其工程应用价值。针对红外实时仿真的工程应用背景,提出了一种光谱分辨率为1 cm-1的大气吸收计算模型,能够兼顾计算精度和实时性要求。利用逐线积分计算得到恒定气压、温度、分子浓度和不同传输距离条件下,气体分子1 cm-1波段吸收透过率并建立了吸收透过率与高度的数学模型,进而插值计算任意路径下气体的吸收。实验表明,大气吸收透过率的计算精度高于MODTRAN,并且运算速度远快于逐线积分法。     

红外望远镜站址大气传输和环境背景特性的测量分析研究

大口径的地基红外望远镜必须安装在具有良好大气条件的观测台站才能充分发挥其性能,天空背景辐射和大气传输特性是地基红外望远镜站址选择所需考虑的重要内容。采用消光-小角度散射法在西藏羊八井实测了太阳直接红外辐射和大气背景红外辐射,并根据备选站点的大气参数,采用CART软件计算了当地8~14 m波段整层垂直大气的光谱透过率、太阳直接光谱辐射和地面大气垂直向下的背景光谱辐射,以及相关量的波段积分值,这些结果有助于地基红外太阳望远镜的站址选择。     

中波红外大气透过率特性分析

大气透过率是影响太阳辐射以及地表热辐射的一个重要参量。利用MODTRAN辐射传输模型,对中波红外波段(3~5 μm)处的大气透过率以及其影响因子的贡献进行了详细的分析。在此基础上,结合MODIS在该谱区设置的6个通道,分别讨论了各吸收气体对通道透过率的影响。结论表明,水汽和混合气体是造成中波红外波段大气透过率衰减最重要的影响因子。MODIS通道透过率与通道光谱响应函数的宽度和气体分子的吸收带位置有关。     

基于FTIR的目标背景辐射测量方法研究

介绍了用FTIR光谱仪进行目标背景辐射测量的方法,通过黑体对系统的光谱响应进行标定,得出系统的仪器响应函数IRF。分析背景辐射和大气的衰减作用对目标红外辐射的影响。应用MODTRAN大气辐射传输软件计算大气辐射等相关参数,给出了大气透过率谱以及测量得到的大气背景辐射谱。     

基于大气程辐射比例修正的红外辐射特性测量

大气程辐射是影响目标红外辐射特性测量精度的重要因素之一。本文利用大气程辐射修正因子修正大气程辐射值以提高其测量精度。首先,给出目标红外辐射特性测量模型,然后,提出利用大气程辐射修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将一定距离下实际测量的大气程辐射和MODTRAN计算的大气程辐射之比定义为大气程辐射修正因子,最后利用该修正因子对其他距离的MODTRAN计算的大气程辐射进行修正并进行目标的辐射反演,获得目标辐射特性。本文利用中波红外摄像机和小面源黑体开展目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,本文方法较传统方法可以在一定程度上提高目标辐射特性测量精度,将精度提高2%左右。     

基于光谱等分法估算复杂大气条件下红外成像系统的MRTD和作用距离

大气透过率是影响红外成像系统作用距离的重要因素。在大气传输过程中,红外辐射会受到大气分子的选择性吸收、散射以及复杂气象条件等的影响,这使得大气透过率成了一个复杂参量。用光谱等分法计算了大气透过率。首先利用MODTRAN软件计算一定距离时各谱线的大气透过率并建立数据库,然后按一定间隔等分光谱区域并调用数据库计算出各微小光谱区域内的大气透过率,最后将其代入模型用以计算红外系统的作用距离。与利用常数或者平均大气透过率的计算方法相比,该方法提高了计算结果的准确度。计算并分析了探测高度、湿度以及雾霾等复杂气象条件对红外成像系统MRTD和作用距离的影响。     

实测数据参数拟合的红外大气透过率仿真

计算红外大气透过率的常规方法主要有经验公式法和专业软件计算法,前者存在较大的误差,后者的计算过程复杂且对红外仿真系统的移植和兼容困难,因此,本文基于具体地区多年实测大气数据,利用分子的单线吸收法计算不同温度下的水蒸气和二氧化碳的吸收系数;然后,对不同高度分布的温度、压强以及气溶胶后向散射系数的解析式进行分月拟合。在此基础上,实现红外辐射大气透过率的仿真建模。仿真结果与主流专业软件MODTRAN自定义模式下的精确计算结果很接近,而且本方法使用简单、移植性强,在工程应用上具有一定的参考价值。