红外大气透过率的计算模式

建立了一套具有自主知识产权的红外大气透过率模式(IATM),光谱分辨率为1 cm-1,可较快速地计算空间任意两点的红外大气光谱透过率.大气分子吸收计算是采用基于精确的LBLRTM逐线积分算法而提出的一种非线性拟合算法,结合了最新的HITRAN2004数据库中的分子吸收线参数,除了保留MODTRAN中的几种气溶胶衰减的计...     

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。     

MODTRAN5中不同光谱分辨率带模式对计算大气吸收带背景辐射的影响

大气吸收波段对于从卫星高度向下探测空间亮目标有特殊的优势,使用辐射传输模式MODTRAN5模拟计算了中红外大气吸收波段不同光谱分辨率100 km高度大气背景辐亮度的变化。将三个波段不同分辨率的结果平滑到统一分辨率进行对比表明：4.3 mm不同光谱分辨率相对误差最大可超过10%;其中0.2 cm-1光谱分辨率的计算结果与精确的逐线积分最为接近;3.2 mm与2.7 mm波段不同光谱分辨率的计算结果误差较小,其中2.7 mm波段最大误差小于5%。进一步将MODTRAN4和MODTRAN5的1 cm-1、5 cm-1光谱分辨率计算结果与逐线积分做了比较,表明使用MODTRAN5的低光谱分辨率计算4.3 mm波段的辐亮度可能产生较大误差。     

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。     

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。     

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。     

基于实测大气参数的水蒸气吸收衰减的仿真计算

针对红外辐射在大气传输过程中,水蒸气的吸收衰减,只利用经验公式计算,存在较大的误差;利用MODTRAN等专业软件,使用过程复杂且移植和兼容较困难。因此,文中基于实测的大气参数,利用分子单线吸收法计算得到不同温度下的水蒸气吸收系数,拟合各月温度的高度分布解析式;仿真计算了水蒸气的光谱透过率和平均透过率,仿真结果表明,海拔高度、天顶角和传输距离等对水蒸气透过率具有较大影响,本方法计算的水蒸气透过率具有很高的准确度,在工程应用上具有一定的参考价值。     

基于MODTRAN的红外系统对巡航导弹探测距离的估算

基于最小可分辨对比度准则,研究了在考虑背景环境下机载红外成像系统对目标最大探测距离的计算方法.分析了红外目标在3～5μm与8～12μm两个波段上的红外辐射特征和背景辐射、大气透过率等因素对探测距离的影响,给出了探测距离的推导公式.最后用MODTRAN软件对大气透过率进行了模拟计算,得到了波数间隔为1cm-的光谱大气透过率数据.计算了各微小波长区间内辐射到探测器上的辐照度.考虑到大气透过率与距离的关系,取消了传统算法中用常数或者拟合函数来代替大气透过率的方法.以巡航导弹为例,对红外系统探测距离进行了数值计算.仿真结果表明,该计算方法具有可行性.     

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。     

利用光谱等分法对红外系统作用距离的计算

红外辐射在大气的传输过程中,受到大气分子对光谱的选择性吸收,以及大气环境、距离等影响,使得大气透过率成为一个复杂的参量。采用光谱间隔等分方法,给出了红外成像系统作用距离新的估算方程和求解方法。利用MODTRAN软件计算出微小光谱区域的大气透过率,利用所编计算程序调用计算值,计算各微小光谱区域的红外辐射,对各微小光谱区域的计算数据求和,取代了采用常数或平均大气透过率的常用计算方法,提高了计算的准确度。综合考虑了大气能见度、海拔高度、天顶角和空间频率等多种因素对热成像系统作用距离的影响,给出了作用距离估算实例及结果。     

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。     

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。     

探测条件对红外热成像系统MRTD影响的研究

在考虑目标的尺寸、探测等级、探测概率及大气环境等因素情况下,研究了热成像系统的最小可分辨温差（MRTD）,建立了一个改进的MRTD模型。由于大气透过率与波长和距离相关,利用光谱等分法计算大气透过率,将探测波长范围等分为一个个窄波段,利用MODTRAN软件计算在一定大气条件和距离下每个窄波段的大气透过率。通过调用对应波长的透过率,计算了探测波长范围内热成像系统的MRTD,提高了MRTD的准确性和适用性。     

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。