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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

近红外氧气A带大气透过率的计算

氧气A带具有单一的吸收气体成分和独特的谱线结构,大气中分布相对均匀,在大气辐射研究中具有广阔的应用前景.大气透过率是大气辐射传输计算的核心,为了快速计算大气透过率,提出带平均透过率的数学模型.将近红外氧气A吸收带作为研究对象,以普朗克黑体辐射为基础,分析了氧气A带在762 nm附近波段的光谱吸收理论,介绍了带平均透过率数学模型的原理及方法.为了验证模型的可行性和精确度,结合实验数据,与HITRAN2004数据库逐线积分法计算的透过率进行对比,精度达到2.2％,降低了计算时间.     

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。     

弹道导弹中段红外辐射特性数学建模与仿真

针对TBM中段的弹道特性,根据热平衡理论建立了TBM在中段的温度计算模型,然后根据普朗克定律建立了目标红外辐射计算模型;在红外辐射的大气传输理论基础上,综合考虑大气吸收、散射及气象条件等各种因素,分析了大气衰减对红外辐射的影响建立了大气透过率的计算模型,得到了大气衰减作用下的目标辐射模型;最后,在假定的仿真条件下,利用模型计算了两种波段下目标红外辐射强度、大气光谱透过率以及经过大气衰减后的红外辐射强度,并对计算结果进行了分析,结果表明,这是一种计算TBM中段红外辐射的有效方法.     

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。     

热红外遥感中大气透过率的研究(一):大气透过率模式的构建

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。通过辐射传输模型MODTRAN模拟热红外波段的大气透过率,构建了基于大气模型、气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角等5个因素的大气透过率查找表,分析了不同参数对热红外大气透过率光谱曲线的影响,通过方差分析确定了影响大气透过率的关键因子,针对不同类型的气溶胶模型,构建了基于水汽量、能见度和观测天顶角的常用卫星传感器热红外通道的大气透过率经验模式,解决了卫星热红外遥感中大气透过率精确计算的问题。     

红外辐射大气透射率求解模型的建立与分析

红外辐射大气透射率对目标辐射的测量精度影响很大。分析了红外辐射在大气中的传输衰减,建立了红外辐射大气透射率的求解模型。利用编制的红外辐射大气透射率计算程序研究了特定辐射路径下的大气透射率在一日内的变化情况,对不同气象条件和辐射路径下的大气透射率进行了计算,研究了大气温度、相对湿度、路径起始高度、辐射路程、天顶角对大气透射率的影响,并对计算结果进行了分析。计算结果对精确计算红外辐射大气透射率和研究气象条件、路径几何参数对红外辐射大气透射率的影响具有一定的指导意义。     

一种红外目标模拟器的大气传输校准方法研究

红外辐射在大气中传输会在大气分子、气溶胶粒子的吸收和散射以及大气自身辐射的影响下发生变化,导致红外辐射测量精度的降低。为消除大气在红外目标模拟器校准中的影响,在基于恒定标准源的宽动态红外辐射测量方法的基础上,提出了一种红外目标模拟器的大气传输校准方法。在水平均匀大气近距离的红外目标模拟器校准中,利用卷积神经网络的数据分析能力建立了不同波段、不同温度、不同距离下的大气透过率和大气程辐射的动态模型,将探测器输出电压作为基于编码器-解码器结构的卷积神经网络的输入,按照训练流程对网络进行训练,在实验环境下预测了大气传输对红外辐射的影响。所建模型能够反映大气透过率和大气程辐射的动态变化规律,并通过红外辐射反演对提出的方法进行了验证。实验结果表明：基于编码器-解码器结构的卷积神经网络算法能够较好地预测大气透过率和大气程辐射,在三个波段下的平均误差为3.078 3%、3.818 6%、5.345 2%,低于传统方法,降低了大气透过率和大气程辐射的影响,从而减小了红外辐射的测量误差,提高了校准精度。     

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。     

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。     

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。     

基于BP神经网络的红外透过率计算

针对实时条件下中红外波段平均大气透过率的计 算,提出了一种基于贝叶斯正则化BP神经网络的方法。 利用BP神经网络良好的非线性拟合特点,建立大气参数与中红外平均透过率之间的关系 模型,从而可以准确迅速 地得到计算结果。此网络模型是以实测温度、压强、湿度和气溶胶的后向散射系数作为输入 向量,分别以水蒸气和CO₂吸收透过率、气溶胶散射透过率和大气透过率作为输出。仿 真结果表明:在相同的大气参数下,本方法的计算 结果与期望值之间的相对误差较小,且远小于经验公式法,验证了本方法的可行性与有效性 。因此,本方法对大气透过率的准确地快捷计算提供了有益的借鉴。     

热红外遥感中大气透过率的研究(二): 大气透过率模式的应用

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。针对前文构建的大气透过率模式, 以我国环境灾害卫星HJ-1B红外相机IRS第4通道的大气透过率模式为例, 利用辐射传输模型MODTRAN模拟水体辐亮度, 对模式中的变量引入不同的误差, 将模拟的辐亮度反演水温, 分析不同气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角对反演水温的敏感性。并将该大气透过率模式用于HJ-1B/IRS热红外图像中, 反演了2009年4月17日、21日、22日和25日太湖水温。研究结果表明: 同一波段、不同气溶胶模型的大气透过率模式在反演温度时会产生不同的误差, 以气溶胶模型为平流雾的最大、对流型的最小;大气透过率模式中3个变量的误差与温度反演的误差呈线性关系, 即变量的误差越大, 温度反演的误差也越大;以水汽量对温度反演最敏感, 观测天顶角其次, 能见度最弱。该大气透过率模式用于4天遥感图像反演中, 除4月17日反演的误差稍高, 均方根误差和平均相对误差分别为1.127 ℃和5.75%, 其他3天的均方根误差都小于1 ℃、平均相对误差在5%以下, 说明所建的大气透过率模式在热红外遥感中具有较高的应用精度。