强吸收带卷云大气红外辐射特性研究

卷云大气的红外辐射特性是空间光电探测系统的重要背景辐射源。基于2.7 m和4.3 m波段的卷云粒子散射特性参数,建立了卷云大气辐射传输模型。在MODIS实测卷云和大气参数条件下,仿真计算得到大气层顶的红外辐射图像。各像元辐亮度的统计结果显示:在2.7 m带的平均辐亮度为1.832e-23.024e-2 W/（m2sr）,卷云像元平均辐亮度比晴空像元强433倍;各像元在4.3 m带的平均辐亮度为3.027e-22.99e-3 W/（m2sr）,像元最大辐亮度是最小值的2.37倍。     

中波红外火情遥感的大气辐射传输特性

分析2005年在广西武鸣机场进行的人工火情测量试验中获得的由BOMEM MR-154FT高光谱仪测定的火情光谱特征发现:在中波4.34～4.76μm光谱段的辐亮度比火情遥感监测常用通道3.5～4.0μm有更强的响应关系.用模拟计算方法进一步分析了中波红外光谱的大气辐射特性.分别对中波波段主要的吸收气体(水汽、水汽连续、二氧化碳混合、二氧化碳、一氧化二氮、臭氧和气溶胶)影响辐射传输的情况进行模拟计算;选择中国内陆地区18种大气廓线样本和4种大气模型,分别进行辐射传输计算,获得了3～5μm谱段分谱大气透过率和大气程辐射等,并比较了新选择通道(4.42～4.78μm)与传统通道(3.55～3.95μm)在地面和传输到大气层顸后辐亮度的变化情况,为今后应用新探测通道奠定了基础.     

来袭飞机的红外辐射及其大气传输特性研究

研究了来袭飞机的三个主要红外辐射源(尾焰、尾喷管和蒙皮)的红外辐射特性,以及各自主要辐射波段在大气中衰减的情况。通过优化模型,计算得到了其各自主要辐射波段的红外辐射强度。并根据三个辐射源各自主要辐射波段的大气透过率的计算,得到经过相同大气路程衰减后,最终到达红外探测器的辐射强度。     

基于双波段的目标红外辐射特征分析

文中根据红外警戒系统的需要,深入研究了海空复杂背景下点目标的红外特征,建立了比较完整的目标红外辐射特征模型。根据不同的气象条件、不同海域背景,计算分析了环境对红外辐射两个大气窗口,即3～5um和8～12um的双波段大气透过率的影响,并给出了相应结论。     

雾中红外辐射传输衰减特性分析

研究雾中红外辐射衰减特性,有助于提高武器装备雾天条件下的红外对抗能力。基于大气辐射传输软件(CART)、Beer-Lambert定律、Mie散射理论和雾滴谱分布函数,计算雾滴粒子群红外辐射透过率,对红外辐射在平流雾和辐射雾中的传输衰减特性进行研究。以近红外辐射1. 064μm、中红外辐射3. 8μm和远红外辐射10. 6μm在轻雾条件下为例,结合3个地区实测数据,分析了能见度、传输距离、入射光波长和晴朗大气透过率计算值对平流雾和辐射雾总透过率的影响。结果显示在轻雾条件下,辐射雾衰减小于平流雾衰减,远红外辐射10. 6μm具有很好的传输性能,地区气象参数不同对其有显著影响。     

卷云高度对大气的红外光谱辐射影响的研究

利用通用大气辐射传输软件(CART)计算了不同高度卷云大气红外光谱辐射亮温,着重分析了卷云高度对不同红外波段红外亮温谱、卷云有效尺度以及光学厚度反演的影响。研究发现:对流层顶以下,大气窗口波段的亮温随着卷云高度的变化和大气温度廓线基本一致,790~960 cm-1波段亮温的斜率随卷云高度的增加而变大。亮温差BTD[900~1 231 cm-1]对薄卷云和小的有效尺度随卷云高度的变化较明显。对于厚卷云,亮温差BTD[900~1 559 cm-1]随卷云高度的变化基本上不依赖于卷云有效尺度和光学厚度。在卷云参数的光学定量遥感中需考虑卷云高度变化的影响。     

中波红外高光谱仿真中的辐射影响模型

为提高红外高光谱目标特性仿真的逼真度,提出了一种辐射影响计算模型,用于计算目标周围的建筑物对目标的最终辐射特性的影响。建立了一个虚拟实验场景,设定场景的大气环境为1976年的美国标准大气。在建立的虚拟场景上在中波红外3.0~5.0m范围内以0.01m为步长对目标所受的辐射影响进行了仿真计算,并将辐射影响与太阳辐射、目标自身辐射进行了比较。实验结果显示在中波红外的某些波段范围内,相邻建筑单位面积的辐射影响亮度要高于太阳辐射亮度和目标自身辐射亮度。这表明在图像立方体的某些图像中,辐射影响是成像的最主要的辐射源,证明了多光谱/高光谱仿真情况下该模型的必要性和重要性。通过对仿真结果的分析,确定了建筑表面温度、大气透过率和有效辐射面积是辐射影响因素中的三个关键因素。     

中红外波段高空大气传输透过率及热辐射计算

使用逐线积分（LBL）及四种版本高分辨率分子吸收数据库（HITRAN 96、2k、04及08版本）对比计算了中红外 2~5 m波段在中纬度夏季（45N,7月）模式高空大气下行传输的大气分子透过率及热辐射,结果表明：透过率随着下行传输路径减小而增大,热辐射随着传输路径的减小而降低,适当的减小传输路径可以降低高空大气对光电系统应用的影响。96、2k和04版本数据库在三种不同传输路径上透过率的平均绝对偏差均较小,但在某些波段绝对偏差较大,如 HITRAN2k在100~10 km传输路径上的绝对偏差最大达到了0.81;96、2k和04版本数据库在三种不同传输路径上热辐射的平均绝对偏差的数量级均为10-6,04版本的平均绝对偏差并非在所有路径中是最小的。计算不同传输路径的大气透过率和热辐射时,采用旧版本的数据库在某些波段可能会产生相当大的误差。     

基于辐射传输的M'波段大气透过率实测和误差分析

采用自制的M'波段（4.605~4.755 m）红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量,并对结果进行拟合和误差分析。首先,基于黑体定标结果和辐射传输方程,得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式;在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量,利用上述公式,拟合出M'波段平均大气透过率。结果表明,三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650,透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073,高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615,与实测结果接近;误差分析表明:有效读数越大,传递误差越小,此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据,实时获得大气透过率的方法。     

不同版本HITRAN数据库中红外波段上行传输透过率的计算

为比较不同版本数据库对透过率计算精度的影响,利用逐线积分辐射传输模式,对比分析了HITRAN 2k、HITRAN 04和HITRAN 08数据库在中红外波段（2~12 m）、四种初始高度（1、10、15、20 km）上行大气传输分子透过率的差异。结果表明,在4种初始高度上,04版本的平均绝对偏差均比2k版本小,而且在某些波段上对应的绝对偏差均较大：在1 cm-1分辨率时,仅考虑CO2吸收,04、2k版本对应的最大绝对偏差为0.338（2.696 m）和0.394（2.749 m）;在0.1 cm-1分辨率时,考虑7种分子吸收,04、2k版本对应的最大绝对偏差达到了0.95（4.191 m）和0.936（3.568 m）。在计算中红外波段不同初始高度上行大气传输透过率时,采用旧版本的HITRAN数据库在某些波段会产生相当大的误差。     

西北半干旱区激光雷达探测卷云几何特征和光学厚度

为了研究中国西北半干旱区卷云几何特征和光学特性的时空分布特征,我们利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL,35.95°N,104.14°E）的微脉冲激光雷达（MPL-4B）探测卷云过程,分析讨论了卷云的结构、光学性质及其时间变化特征,结果表明,卷云高度分布范围为7－10km,卷云经历了薄－厚－薄的过程,平均厚度为2.0±0.5km。卷云环境温度在－51～－39℃范围之内。卷云的光学厚度在0.084－1.649之间,光学厚度随几何厚度的增加而增大,平均光学厚度为0.651±0.403。多次散射效应对光学厚度大于0.3的卷云影响较大。卷云激光雷达比为17±17sr。薄卷云的激光雷达比要比厚卷云的大。光学厚度小于0.3的光学薄卷云出现高度在8.6km以上,环境温度低于－45℃,几何厚度小于1.5km,雷达比分布在5－69 sr。     

1.064μm波长卷云反射率的模拟研究

为了给激光测距、激光对大气的探测等实际工程应用提供理论依据,采用逐线积分方法计算大气分子吸收,结合离散纵标法,并耦合卷云的单次散射特性,对由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.064μm时的散射特性和辐射特性进行了理论分析,得到了该波长上激光在卷云中传输时的反射率随入射光源的位置、观测器的位置以及卷云参量(云光学厚度、粒子尺度等)的关系。结果表明,卷云在1.064μm附近对激光的主要影响是散射,吸收在消光中占了很小的部分;其次,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,散射的方向变化主要由卷云的散射相函数以及光线入射角度和观测角度决定。这一结果对实际工程应用(比如激光测距、激光对大气的探测等)是有帮助的。     

卷云短波光学特性

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部,它主要由分布在大气高层的各种形状的冰晶粒子组成.冰晶粒子的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的意义.利用Yang等计算的几种冰晶粒子的散射特性数据库,假定卷云粒子谱分布符合Γ分布,得到了卷云的平均单次散射特性,包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物以及星形枝状六种非球形冰晶粒子在短波0.2～5.0μm波段的消光效率因子、吸收效率因子、散射相函数等.展示了卷云短波散射性质随波长、卷云有效尺度和卷云中冰晶粒子形状的变化关系,并分析了其变化的可能原因.     

基于MODIS云参数的卷云反射率计算研究

卷云反射率是天气、气候和地球能量平衡研究中关注的重要参数。卷云反射率的快速算法在遥感反演卷云特性参数中具有重要应用。依据卷云反射率随卷云光学厚度、有效尺度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等参数的变化,利用离散坐标法（Discrete Ordinate Radiative Transfer method,DISORT）计算卷云反射率,预先建立卷云反射率随相关参数变化的快速查找表,以此建立了卷云反射率的快速算法。将MODIS卫星探测的卷云光学厚度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等因素作为输入参数,计算得到了卷云反射率,比较了计算的卷云反射率和MODIS实际测量的卷云反射率值,相关系数达到0.94,平均偏差小于18.5%,说明了卷云快速算法计算合理可行。     

用于星载太赫兹波被动遥感卷云参数的通道辐射特性及反演影响因素研究

太赫兹波是理论上遥感卷云微物理参数的最佳波段,但星载太赫兹波被动遥感的结果易受到非卷云因素(地表反射率、大气廓线、中低层水云等)的影响.利用辐射传输模式分别模拟计算了地表反射率、大气廓线、中低层水云对大气层顶太赫兹辐射光谱的影响,并基于多重查找表法定量分析了这些因素的变化所造成的反演误差.结果表明:地表反射率对太赫兹辐射光谱的影响主要集中在300 GHz以下,对反演所选取的波段没有影响;实际大气廓线中水汽廓线和温度廓线的改变对反演结果产生影响,当温度廓线的变化在±2 K范围以内,或水汽廓线变化±20%时,对于粒子尺度大于50μm、冰水路径大于10 g/m2的卷云,反演误差均保持在±20%以内;低云(云底高小于2 km)对所选通道的辐射没有影响,中云所产生的误差随着光学厚度和云底高度的增加而增大.     

卷云消光后向散射比的激光雷达测量

高层卷云对天气和气候有着重要的影响,其消光后向散射比是它的一个重要光学特性.假设卷云上方和下方没有气溶胶,只有大气分子,由激光雷达信号就可反演出卷云的透过率和光学厚度,进而算出卷云的消光后向散射比.对美国汉普顿大学的532 nm通道激光雷达测量的卷云数据进行了分析,数据采集期间从2007年1月至10月,共选取了光学厚度在0.08～1.5之间的798组卷云数据.计算结果表明:卷云高度主要分布在7～13.5 km之间;卷云消光后向散射比平均值为21.4 sr,月季特征并不很明显,概率分布呈现出正态分布特征;光学厚度的概率分布函数说明大部分为薄卷云.     

多次散射的卷云激光雷达比反演方法研究

提出了一种Mie散射激光雷达在考虑多次散射影响时求解卷云激光雷达比的新方法。首先,根据多次散射激光雷达方程,构建关于气溶胶消光系数边界值和卷云有效激光雷达比的非线性方程组;其次,采用非线性粒子群算法求解方程组,同时得到气溶胶消光系数边界值和卷云的有效激光雷达比;然后,使用Platt的多次散射因子方程,结合邱金桓参数化的多次散射对一次散射比,计算多次散射因子,进而求得卷云的激光雷达比。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,方法收敛速度快,精度较高,具有很好的应用价值。     

反演卷云激光雷达比的新方法

激光雷达比(消光系数与后向散射系数之比)是 卷云的重要光学特性之一,提出了一种通过 Mie散射激光雷达回波信号反演卷云激光雷达比的新方法。以云底气溶胶的消光系数 和卷云的光学 厚度两个参量为约束条件,构建以云顶气溶胶的消光系数和卷云的激光雷达比为未知参量的 非线性方程 组,采用粒子群算法求非线性方程组的数值解,同时获得云顶气溶胶的消光系数和卷云的激 光雷达比。使 用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,本文方法是有效的,并且具 有迭代次数少、收敛速度快的优点。     

THz技术在大气探测领域的应用研究进展

THz波的频段范围（0.1~10 THz）及其特性使THz波具有较高的空间分辨率及大气参数灵敏性,同时THz辐射在地球辐射平衡中的重要作用决定了其在大气探测领域有重大的研究价值和广阔的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的应用现状,重点分析介绍了THz波遥感探测大气水汽廓线、温度廓线、卷云的微物理参数及大气微量气体成分的原理、特性及存在的问题,最后对THz波大气探测技术的研究提出几点建议和展望,并指出了当前THz波大气探测技术的研究前沿和研究热点。