200～5．0μm红外临边辐射光谱与

基于先进的临边探测方式，利用成熟的辐射传输模式MODTRAN4，对中红外2-5μm大气临边辐射的光谱特性和垂直分布特征进行模拟，并针对不同大气／气象条件以及太阳／探测器位置，对临边辐射垂直分布的敏感性进行了模拟和分析，给出了有意义的结果。     

2.O～5.0 μm红外临边辐射光谱与垂直分布特征分析

基于先进的临边探测方式,利用成熟的辐射传输模式MODTRAN 4,对中红外2～5 μm大气临边辐射的光谱特性和垂直分布特征进行模拟,并针对不同大气/气象条件以及太阳/探测器位置,对临边辐射垂直分布的敏感性进行了模拟和分析,给出了有意义的结果.     

基于非局域热平衡模式的临近空间目标背景临边对比度模型

对临近空间目标的空基/星载红外探测中的目标背景临边对比度问题进行物理建模,详细阐述对比度的定义和模型中的高层大气辐射问题.利用适于模拟高层大气辐射的非局域热平衡模式,结合探测器噪声假定,计算理想黑体目标的临边对比度并分析高层大气辐射特性对对比度的影响.模拟结果表明,在评估目标探测可行性时必须考虑探测器噪声的影响;在高层大气临边路径下水汽波段比大气窗区的可探测性更好,而目标本征辐射与大气临边吸收和背景辐射间的关系导致了对比度复杂的变化特征.     

空间目标临边探测背景红外成像建模与图像仿真

临边红外观测是对辐射强度较弱空间目标的一种有效探测方式,探测临边背景的红外辐射分布规律直接影响目标检测跟踪的效果。通过实测图像对临边背景辐射统计特征进行建模:临边背景辐射亮度在地平线垂直和水平方向具有不同的分布规律,垂直分布与视线切线高度相关,水平方向可近似为正态分布,变异系数取值集中于[0.01,0.05]。基于建模成果提出了一种临边背景红外图像快速仿真方法,实验结果表明仿真图像与实测图像具有较高的一致性,验证了成像模型和仿真方法的有效性。同时,快速仿真方法耗时仅为常规逐像元仿真方法的1/200,能够满足实时仿真的需求。研究结果可应用于红外相机设计和目标检测算法测试等领域。     

地球临边场景红外遥感成像仿真方法

地球临边场景仿真是卫星红外探测领域的关键组成部分,是空中高速目标远距离探测场景模拟的重要基础。临边观测下的地球表面近似于球面,传统的基于海洋三维形态并计算表面辐射特性的海洋红外图像仿真方法不适用。云层的厚度和高度对红外辐射传输特性的计算有重要影响,视云层为粒子团的处理方法会大大降低仿真的计算速度。因此,研究了海洋和云的红外辐射模型、地球-空间坐标系与红外相机坐标系的转换关系和大气传输模型,提出地球临边场景红外遥感成像仿真方法。根据场景组分的差异,分别建立海洋分布模型、多层云分布模型,并根据海洋和云层的红外辐射与反射特性,构建地球临边场景红外辐射模型。通过地球-空间坐标系与相机坐标系的转换关系,利用大气传输理论和传感器效应仿真,计算各观测角度的地球临边场景卫星遥感红外仿真图像。实验结果表明:仿真得到的红外图像画质清晰,符合地球临边场景红外辐射特性,其平均拉普拉斯算子和可达0.15,平均灰度梯度可达0.70。     

中高层大气CO2临边辐射院模拟与观测对比分析

利用更新的高层大气辐射传输软件(SHARC)中的非局域热平衡辐射传输模式模拟了SABER传感器观测的CO2 15m、4.3m宽带通道临边辐亮度,并与相应的SABER实测数据进行了对比分析。讨论了CO2 non-LTE辐射传输的一般特性;验证了SHARC的可靠性,确定了其适用范围。在一定的精度要求下,利用SHARC模式可以较准确地模拟所有中纬度大气条件的CO2 15m、4.3m带临边辐射特性。而若要更精确地模拟中高层大气CO2 non-LTE辐射特性并应用到极地夏季等极端大气条件下,在提高该高度大气参数精度的同时,改进模式的算法也是必要的。     

大气超高光谱探测仪临边辐射计算的误差分析——四种大气成分的不确定性实验

利用RFM 模式, 模拟计算了大气红外超高光谱探测仪探测的辐射传输中四种主要大气成分( CO₂、O₃、H₂O 和 N₂O ) 由于吸收线位置、强度和宽度的不确定性导致临边辐射计算的误差。在统计HITRAN2016 数据库中分子吸 收线不确定代码的基础上, 确定辐射传输计算使用不确定代码不小于3 的不确定值。不同分子吸收线的不确定性对 不同高度临边辐射影响不同, 起主导作用的不确定因子也不同。同时还模拟计算了大气红外超高光谱探测仪4 个探 测波段综合多种分子的3 个不确定因子(位移、强度、宽度) 导致的临边辐射误差, 为光谱通道选择和大气参数反演 提供了数据基础。     

非平衡大气的临边辐射快速计算模型

针对目前的非局地热力学平衡(NLTE) 大气辐射传输模型计算速度慢的不足,引入了计算速度快、计算精度较高的带模式算法,并建立了大气的NLTE临边辐射快速计算模型。首先基于分子上下能级布居计算了大气振动温度廓线。然后依据大气的动力学温度、振动温度与配分函数计算了偏离系数和吸收截面因子。最后提出了半球累加方法解算NLTE临边辐射传输方程。计算分析了1976 U.S.大气模式下的大气振动温度与吸收截面因子廓线,并给出了典型切向高度时CO2 15 μm波段在白天的临边辐射亮度。通过基于逐线积分算法的SHARC模型,验证了本模型计算结果的正确性。本模型进行一次NLTE辐射计算仅需耗费数秒,且具有理想的光谱分辨率(1 cm-1)。     

中高层大气临边红外辐射的LTE与non-LTE模拟对比

利用战略高空辐亮度代码(Strategic high-altitude radiance code, SHARC) 和通用大气辐射传输代码 (Combined atmospheric radiative transfer, CART) 模拟分析中高层大气临边红外辐射的算法适用范围。 通过模拟结果的对比,初步验证了CART临边模式的有效性。模拟结果表明,在主要的红外波段上,至少45 km以 下的平流层区域内临边红外辐亮度的计算都可以采取局域热力学平衡模式(Local thermodynamics equilibrium, LTE);不同的红外波段在不同的大气条件下,需要采用非局域热力学平衡模式 (Non-local thermodynamics equilibrium, non-LTE)的高度不同,其中15 $\mu$m波段在至少80 km的切点 高度以下都可以使用LTE模式模拟,但是对于CO$_2$ 4.3 $\mu$m带主导的3$\sim$5 $\mu$m波段和O$_3$ 9.6 $\mu$m带 主导的8$\sim$12 $\mu$m波段,在中间层的多数区域内就必须采用non-LTE模式。     

O3辐射源星载干涉仪测风不确定度分析

星载气辉成像干涉仪采用临边观测模式,可以获取全球范围内大气风场的空间分布信息及时间演化信息,是国际卫星遥感领域的研究热点。基于O3辐射源的Michelson星载成像干涉仪在红外波段工作,能够全天时探测平流层区域的大气风场,却存在更为复杂的测风不确定度。鉴于此,在临边观测正演仿真的基础上,开展了仪器热背景辐射研究及测量噪声分析,给出了大气信号测量噪声及仪器热背景噪声引起的大气风场速度误差数值,并通过表观量仿真及信噪比分析,得到了视向风的误差廓线。不确定度分析表明,基于O3辐射源的Michelson成像干涉仪在星载条件下可全天时探测15~45 km范围内的大气风场,反演精度优于1~2 m/s。该研究为基于红外辐射源的大气风场测量提供了重要的理论指导。同时对红外Michelson成像干涉仪的研制具有重大的工程意义和实践价值。     

基于模拟红外辐射的海雾监测应用研究

由于长波红外及中波红外辐射受雾滴中水汽的影响明显,结合大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的特征,利用快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM)分别模拟了两个波段的通道辐射信息。对下垫面辐射和模式上行辐射进行分析后发现：(1)为排除下垫面的干扰,将CRTM模式的底层上行辐射减去下垫面辐射,此时分离出的贴地面辐射值大小与海雾的强弱分布一致,因此可用于对海雾水平分布的监测。(2）模式上行辐射及其梯度随高度的变化反映了垂直方向上的海雾强度变化;通过对其进行分析可实现对海雾垂直结构的监测。(3）分别对中波红外和长波红外通道辐射进行模拟分析后发现,两者均可反映海雾的三维空间特性。     

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.     

气溶胶粒子特性和垂直分布对辐射的影响

数值模拟了在给定条件下气溶胶粒子群平均有效半径和折射率虚部不同时大气层顶的反射强度和到达地面的透射强度,以及不同气溶胶垂直分布对各高度层的反射、透射强度和辐照度的影响。结果表明,当大气气溶胶光学厚度相同时,气溶胶垂直分布对15 km以下的反射和透射辐射影响较大;气溶胶粒子群平均有效半径和折射率虚部越小,大气层顶的反射强度和到达地面的透射强度越大。因此,对于准确地计算大气辐射不仅需要考虑气溶胶总光学厚度,还需考虑气溶胶粒子群的平均有效半径、复折射率和气溶胶垂直分布;计算中若只使用气溶胶模型中的经验值会带来较大误差。     

CRTM云模式的建立与敏感性试验

云污染会严重影响云区辐射的模拟,导致大量云区卫星资料被废弃。结 合快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM)的应用现状以及 红外遥感原理,对CRTM模式中的辐射传输模块进行了修改,并提出了能够模拟云 区红外辐射的CRTM云模式。利用CRTM云模式模拟了高光谱大气红外探测 器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并针对云模式中新增的参数进行了 敏感性分析。结果表明,随着通道高度的下移,对卫星接收辐射贡献较大的大气层也在下移,偏 差大值区所处的高度也越来越低;在偏差大值区中,偏差值会随着云量的增加而增大,直到全云覆盖时,偏 差值最大;云量较大时,输入的温度廓线的垂直变化会引起云顶发射辐射产生相同的垂 直分布,这与用CRTM云模式模拟出的亮温随云顶高度抬升而出现的垂直变化一致;用CRTM云模 式模拟的亮温值对新增的云量和云顶高度参数的敏感性较强,符合大气红外辐射传输的规律。     

地球中高层大气氧原子垂直分布的模拟研究

基于修正后的流体静力理论和数学软件,对中高层大气100～500 km高度范围内氧原子的垂直分布进行了快速有效的模拟,将模拟结果与MSISE-90模型提供的数据作了比较,二者数量级相等、仅数值有一定偏差.结果表明用该方法能有效地模拟地球任意地区100～500 km高度范围内、任意时间氧原子的垂直分布.深入分析了实际大气中光化学反应、扩散输运、电离和重力波等对中性成分分布的影响,除重力波外,影响大气中性成分分布的其它相互作用最终趋于动态平衡,温度的垂直分布相对固定是这种平衡的综合体现.     

“am”大气模型及其临边遥感特性分析

临边地球大气遥感是实现上层大气微量气体成份探测和分析的重要手段,即通过对地球大气剖面下遥感数据－特性谱线下亮温值的获取,结合相适应大气模型,通过反演获取相应气体成份的全球分布,从而为大气科学研究及全球气候变化提供科学数据及决策依据。本文从星载临边亚毫米波遥感结构建模以及地球标准大气模型出发,利用“am”综合仿真工具,给出了其特征谱线在其不同临边遥感切角下的性能仿真,从而定量分析了遥感系统综合指标。     

PHI高光谱图像的大气校正算法

从高光谱遥感图像中提取较为精确的定量信息,大气校正是必不可少的步骤.本文在应用大气辐射传输模型对高光谱遥感数据进行大气模拟的基础上,研究并发展基于遥感影像信息的经济、有效的大气辐射校正和反射率反演算法.该算法可以根据遥感图像有效地估计大气中气溶胶的空间分布,并分析交叉辐射的影响,进而对其进行大气辐射校正和反射率反演.通过对几景PH I高光谱遥感图像的校正试验,表明了这种算法的有效性.     

大气对红外偏振成像系统的影响

红外偏振成像系统探测的是某个特定偏振方向上的目标和背景辐射强度,有必要对不同目标的偏振特性及偏振辐射大气传输进行研究。首先采用双向反射分布函数对反射辐射偏振特性进行了分析,推导出了反射辐射偏振度的一般表达式。根据表达式模拟了目标的物理特征对反射偏振特性的影响。随后利用MODTRAN软件在典型大气条件下对红外波段的大气吸收以及程辐射进行了建模和计算。大气中的悬浮颗粒对目标的红外辐射进行散射,场景的偏振度随传输距离衰减。对目标反射辐射偏振特性的仿真结果与实测数据基本吻合,验证了理论的正确性。考虑大气对偏振辐射传输的影响使得计算结果更加合理和准确。     

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.     

新型辐射桥结构VCSEL的设计、制作和热特性分析

为了改善垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的热特性,提高器件的输出功率,设计并制作了一种新型辐射桥结构VCSEL。利用有限元热分析软件ANSYS,模拟了常规结构和辐射桥结构VCSEL内部的热场分布和热矢量分布。经模拟得到,常规结构器件的热阻为4.13K/W,辐射桥结构的热阻为2.64K/W。而经实验测得,常规结构器件的热阻为4.40K/W,辐射桥结构器件的热阻为2.93K/W,实验测试结果与模拟结果吻合较好。同时测得,常规结构器件的最大输出功率为305mW,辐射桥结构器件的最大输出功率为430mW,后者的输出功率提高了40%。