地基大气背景红外光谱辐射特性测量

用傅里叶变换红外光谱辐射计(FTIR)在地面测量了较高分辨率(1 cm-1)下的大气向下背景光谱辐射,获得了长波红外5~14μm波段的大气背景辐射光谱。研究了大气背景红外光谱辐射与整层大气透过率的关系。从实验数据中研究了不同波段大气背景辐射随观测天顶角的变化。结果表明:地基大气向下的长波背景辐射亮温随着整层大气透过率的增大而减小;大气背景辐射随观测天顶角增大而增大;在大气窗口区,大气背景辐射随观测天顶角变化较快,在强吸收波段,大气背景辐射随观测天顶角几乎不变化。     

红外预警卫星最佳探测波段分析

为解决红外预警卫星在近中红外的最佳探测波段问题,采用建模仿真的方法获得了2～5μm波段范围内不同高度条件下火箭尾焰目标的红外辐射光谱特性,利用MODTRAN软件包计算了典型大气条件下同样波段范围内不同高度处的大气透过率和地球/大气背景红外辐射光谱特性,在此基础上计算了目标背景之间的对比度.通过分析目标背景对比度的变化规律可知:随着飞行高度的增加,目标背景对比度会先增大后减小,但无论在什么飞行高度,2.63～2.83μm和4.18～4.50μm波段的目标背景对比度都较大,比较适合目标探测,并且这两波段还具有更加精细的波段结构,实际应用中可根据探测需求选择更小的波段范围并确定相应的中心波长.     

基于辐射通量表观对比度光谱的红外预警卫星探测波段选择方法

选择合理的探测波段是设计红外预警卫星需要解决的重要问题.提出了一种基于点目标辐射通量表观对比度光谱确定红外预警卫星探测波段的方法.论文首先建立了较完善的火箭尾焰表观对比度光谱计算模型,进一步建模计算了典型液体和固体火箭尾焰在不同高度的红外辐射特性,使用通用大气辐射传输(CART)软件计算了典型大气条件下的地球/大气背景辐射以及不同高度处大气的透过率和路径辐射,在此基础上以典型液体和固体火箭为例,计算了尾焰在不同高度处的辐射通量表观对比度光谱.结果表明:不论液体还是固体火箭,在2.55~2.85μm和4.19~4.48μm波段的辐射通量表观对比度都比较大,红外预警卫星工作波段可以选为上述波段.     

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。     

紫外波段大气背景与目标特性研究

基于太阳紫外辐射在大气中散射模式理论,对紫外波段大气传输与背景变化进行了分析.分析了紫外辐射在不同波段与高度下,大气水平与垂直两个方向的传输特性.分析了不同波段的大气背景变化,以及不同季节、地理位置、地表反射率和气溶胶类型对大气背景的影响.     

空间目标红外地基探测的信噪比分析

建立了天空背景辐射、大气传输和地基探测系统的仿真模型,并基于已有的低轨道卫星红外辐射特性的模型,整合了一套研究空间目标红外探测的方案。利用该方案计算了探测器对卫星探测的信噪比,分析了卫星在不同过境时间的红外地基探测的效果。通过比较不同红外波段的探测信噪特性,探究了在不同情况下如何选择最佳的观测波段。研究结果显示,当目标处于日照区而观测点在阴影区时,近红外波段的探测信噪比很高,当目标进入阴影区后该波段无探测信号。不论卫星是在日照区还是阴影区,远红外波段始终可进行探测,但是当卫星表面温度较低或者距离较远时,信噪比较低。另外,由于卫星电池板的对日定向特性,探测器接收到的红外辐射信号会随着太阳高度角的变化而出现不同的特性。     

蒙皮反射的背景辐射对亚声速飞机红外特征的影响研究(二): 应用

采用典型背景下的飞行器红外辐射特征计算模型, 研究了蒙皮反射太阳、大气和地面等背景辐射对亚声速飞机总的红外特征的影响。计算分析了背景辐射对降低发射率的红外抑制效果的影响。结果表明: 太阳辐射对飞机前向探测区域3~5 m波段的红外辐射强度影响最大, 大气和地面辐射对飞机前向和侧向探测区域8~14 m波段的红外辐射影响更明显;探测方位、季节不同, 影响程度也不同;蒙皮反射的背景红外辐射使得降低发射率措施的红外抑制效果降低甚至失效。     

天基平台海云背景下飞机全链路成像特征建模及分析

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求,建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型,形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响,建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型,结合光学成像系统的衍射效应,探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明:大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段;针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。     

高层大气环境对长波红外背景辐射特性的影响分析

高层大气长波红外背景辐射特性是目标识别和红外辐射特性测量的重要研究课题.根据NRLMSIS-00大气经验模型,分析了高层大气温度和气体浓度对红外辐射的影响.利用高层大气辐射传输模式SHARC,在6～15 μm波段对不同观测位置和大气模式条件下的高层大气背景辐射进行了数值计算和理论分析.结果表明,高层大气长波红外辐射会随临边切线高度的增加而减弱,随倾斜观测天顶角的增加而增强,随太阳天顶角的增加而减弱.曙暮光和极光对高层大气长波红外辐射具有重要的增强作用,而且高层大气长波红外辐射存在纬度和季节变化特性.高层大气环境对长波红外背景辐射的影响分析结果可供空间目标探测和卫星红外遥感等工程参考.     

大气成分对中波红外地基光电系统观测的影响分析

地基光电系统白天在可见光波段对空间目标观测时,因受大气散射等因素的影响,探测能力会急剧下降。红外波段较可见光波段具有较强的大气穿透能力,因此在红外波段观测空间目标可以较好地解决白天探测的问题。利用MODTRAN模型计算了不同大气成分对中波红外透射率的影响并进行了分析,并用中波红外成像系统在地基望远镜上进行了观测。实验结果表明,中波红外探测器在白天能极限探测到7等星,平均信噪比为6.236。本研究对白天红外波段地基的空间探测具有一定参考意义。     

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。     

基于遥感反演的地球红外背景建模

模拟地球红外辐射背景的前提是要获取可靠的全球表面温度。利用卫星遥感数据可以反演得到较精确的地表温度。反演算法采用了应用广泛的分裂窗算法,并将反演结果绘制成了全球表面温度分布图。同时,建立了完整的地球红外辐射亮度模型,考虑不同地域、纬度和季节模式下的大气辐射亮度和大气衰减。通过遥感反演技术与红外辐射建模技术的结合,最终完成了任意波段全球红外辐射背景亮度的计算与图像生成。结果表明:模拟的地球红外辐射图像效果精细,真实反映了地球背景的红外辐射特征,在空间目标的热环境分析,以及空间红外探测与隐身技术的研究等方面具有重要的应用价值。     

通用大气辐射传输软件(CART)分子吸收和热辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件CART分子吸收和热辐射的计算精度,利用精确的逐线积分法（LBLRTM）和广泛使用的中分辨率大气传输模式（MODTRAN4.0）,就CART软件计算的晴空大气分子吸收透过率和热辐射进行对比验证。模拟了水平距离、观测天顶角和观测点高度对光电工程各观测波段内平均大气透过率和积分辐射的影响特性。结果表明:CART软件分子吸收的计算精度优于MODTRAN4.0软件,大气热辐射的计算精度和MODTRAN4.0相当。     

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。     

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。     

昼夜观测恒星整层大气透过率测量研究

在昼夜观测恒星测量恒星宽光谱成像信号强度的基础上,首先通过MODTRAN软件结合系统参数、恒星光谱特征研究了宽光谱信标利用Langley法标定大气透过率的标定误差,据此通过标定恒星成像强度得到了整层大气宽光谱透过率;然后,利用大气模式研究了晴朗大气条件下宽光谱大气透过率与激光波段大气透过率的关系,进一步得到了532 nm和1 064 nm的整层大气透过率;最后,将白天时段观测恒星测量的大气透过率与太阳辐射计观测太阳得到的透过率进行了实验对比。结果表明:两种方法得到的大气透过率时间变化趋势一致、大小相仿。在此基础上开展了整层大气透过率的连续观测,获得了整层大气透过率的昼夜连续数据、特别是获取了晨昏时段弱湍流时刻的整层大气透过率数据;文中所开展的工作丰富了整层大气透过率的测量手段,对地基激光工程研究和应用有促进作用。     

高速滑翔目标点源红外辐射特征模拟及可探测性分析

文中对天基和地基两种观测平台下高超声速滑翔飞行器的点源红外可探测性进行了分析;通过双温度模型的N-S方程和气固耦合模型获得流场参数和壁面温度,并基于逐线法获得气体的物性参数;基于视在光线法求解辐射传输方程来获得HTV-2飞行器的点源本征辐射特性,并考虑大气透过率、背景以及路径辐射参数下计算不同平台的可探测性。结果表明:目标的中长波辐射强度强烈依赖于本体辐射,气体辐射可以忽略;3~5 m谱带内的本征辐射较8~12 m高近一个量级;在固定探测器灵敏度（10-12 W/cm2）下,最大探测距离强烈依赖于波段和探测角度。3~5 m谱带内地基和天基观测的理想最大探测距离分别为450 km和1 450 km,8~12 m谱带分别为300 km和550 km。     

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。     

Autonomous atmospheric compensation (AAC) of high resolution hyperspectral thermal infrared remote-sensing imagery

Atmospheric emission and absorption significantly modify the thermal infrared (TIR) radiation spectra from Earth's land surface. A new algorithm, autonomous atmospheric compensation (AAC), was developed to estimate and compensate for the atmospheric effects. The algorithm estimates from hyperspectral TIR measurements two atmospheric index parameters, the transmittance ratio, and the path radiance difference between strong and weak absorption channels near the 11.73 /spl mu/m water band. These two parameters depend on the atmospheric water and temperature distribution profiles, and thus, from them, the complete atmospheric transmittance and path radiance spectra can be predicted. The AAC algorithm is self-contained and needs no supplementary data. Its accuracy depends largely on instrument characteristics, particularly spectral and spatial resolution. Atmospheric conditions, especially humidity and temperature, and other meteorological parameters, also have some secondary impacts. The AAC algorithm was successfully applied to a hyperspectral TIR data set, and the results suggest its accuracy is comparable to that based on the in situ radiosonde measurements.