辐射特性测量大气传输修正研究:大气辐射传输模式和关键大气参数分析

工作于大气中的光电测量（或遥感）设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析,论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。     

红外辐射测量的大气修正

大气中目标辐射特性的测量必然受到大气的影响,为了得到目标本征的辐射特性,必须对大气进行修正.介绍了红外目标辐射测量中的大气透过率修正原理和必要性,给出了几种获得外场大气透过率的方法,并对其大气修正精度进行了讨论.     

基于大气程辐射比例修正的红外辐射特性测量

大气程辐射是影响目标红外辐射特性测量精度的重要因素之一。本文利用大气程辐射修正因子修正大气程辐射值以提高其测量精度。首先,给出目标红外辐射特性测量模型,然后,提出利用大气程辐射修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将一定距离下实际测量的大气程辐射和MODTRAN计算的大气程辐射之比定义为大气程辐射修正因子,最后利用该修正因子对其他距离的MODTRAN计算的大气程辐射进行修正并进行目标的辐射反演,获得目标辐射特性。本文利用中波红外摄像机和小面源黑体开展目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,本文方法较传统方法可以在一定程度上提高目标辐射特性测量精度,将精度提高2%左右。     

基于神经网络的非线性大气修正实现红外目标辐射测量

红外辐射测量技术是表征目标红外特征的重要手段,而大气修正是获得目标真实辐射的必要步骤。提出了一种提高远距离目标红外辐射测量精度的非线性大气修正（NLAC）方法。该方法利用近距离标准参考源测量（NRSRM）来计算实时环境中不同位置的实际大气透过率和程辐射。相应条件下的理论大气透过率和程辐射也可以从大气辐射传输软件中获得。应用神经网络技术对两者之间的非线性关系进行拟合。因此,可以预测远距离的大气透过率和程辐射,以实现大气修正。为了进行比较,还进行了简单的线性大气修正（LAC）与线性增强大气修正（LEAC）。实验结果表明,该方法的红外辐射测量平均误差为6.45%,远低于常规方法,线性大气修正方法和线性增强大气修正,分别为16.17%,11.27%和7.44%。     

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。     

目标红外辐射双色比值的大气传输研究

空中目标的红外辐射在大气中传输时 ,大气以及大气中的气溶胶会对红外辐射产生吸收和散射 ,从而造成红外辐射的衰减。大气对红外辐射的衰减程度可以用消光系数来描述 ,波长不同 ,消光系数也不同。红外系统测量到的目标红外辐射的双色比值也会随目标距离变化而变化。由测量到的目标在两个波段的红外辐射 ,通过一定的信号处理手段 ,可得出目标的距离、双波段红外辐射能量、红外双色比值等信息 ,以此对空中目标的识别和定位。推导了利用大气消光系数获取空中目标距离信息和红外辐射信息的公式 ,画出了典型空中目标双色比值的大气传输图。     

经过大气传输的红外热像仿真

大气传输特性对成像红外和目标识别研究具有重要意义。在“漫射灰体”的假设条件下,忽略传输路径上的气温变化,给出了大气传输计算的数值方程,并分析了使用等效黑体辐射光谱分布代替目标有效辐射光谱分布进行大气传输计算的可行性及其带来的误差。结果表明,在8～12 μm波段,使用等效黑体辐射光谱分布进行大气传输计算已经具有足够的精度,并且可以大大节约计算时间;但是在3～5 μm波段,反射太阳辐射对目标表面辐射光谱分布的影响不可忽视,使用等效黑体辐射光谱分布进行大气传输计算将带来较大的偏差。     

三波段大气传输红外偏振特性对比分析

偏振成像系统利用目标和背景偏振度上的差异,有效地提高了人造或伪装目标的探测识别效率。但红外目标的偏振传输是一个复杂的过程,受大气的影响较大,因此,有必要对不同目标的偏振特性和其影响因素以及大气作用的影响（包括大气吸收、辐射及悬浮粒子散射等）进行研究。进一步推导了红外偏振辐射控制方程;基于对目标和背景偏振特性的先验知识,利用大气传输计算软件MODTRAN对3个典型红外波段的大气吸收及程辐射进行计算;并对大气传输后的目标辐射偏振度对比度和强度对比度进行仿真。结果表明:在短波红外波段,目标的反射成分占主导地位;在中波红外波段,目标的自发辐射和反射均不可忽略;在长波红外波段,目标的辐射占主导地位,利用偏振成像效果优于强度成像。结果与理论分析基本一致。研究内容为红外波段目标的探测方式选择提供了参考依据。     

大气光谱透过率的实时测试

介绍了光谱辐射测量装置和测量大气光谱透过率的原理及方法。该方法可以提供目标辐射特性测试现场的大气光谱透过率,用以精确修正目标光谱辐射量,从而提高目标红外辐射野外测量的准确度。     

目标红外辐射双色双值的大气传输研究

空中目标的红外辐射在大气中传输时，大气以及大气的气溶胶会对红外辐射产生吸收和散射，从而造成红外辐射的衰减。大气对红外辐射的衰减程度可以用消光系数来描述，波长不同，消长系数也不同。红外系统测量到的目标红外辐射的双色比值也会随目标距离变化而变化。由测量到的目标在两个波段的红外辐射，通过一定的信号处理手段，可得出目标的距离、双波段红外辐射能量、红外双色比值等信息，以此对空中目标的识别和定位。推导了利用大气消光系数获取空中目标距离信息和红外辐射信息的公式，画出了典型空中目标双色比值的大气传输图。     

激光测高卫星大气散射延迟改正现状及展望

激光测高卫星可以在大范围内获得亚米甚至厘米级的地表高程信息,但不可避免受云、气溶胶等粒子引起的散射影响,其中前向散射引起的激光测距和最终测高误差不容忽视。文中系统梳理激光测高卫星大气散射误差改正技术,介绍了国内外卫星激光测高系统参数、大气探测及散射改正算法,有别于已有的蒙特卡洛模拟改正方法,提出了一种基于指数函数模型的大气散射改正算法,选择青海湖等区域的ICESat/GLAS开展试验,结果表明,光学厚度小于2时能有效提升受大气散射影响的数据精度,同时提升数据可利用率约9%,该算法更易于实现业务化应用。最后针对大气参数同步探测的必要性,结合星载大气参数探测设备对后续国产激光测高卫星大气散射改正提出了若干建议。     

利用境内气象站观测数据的激光测高仪大气延迟改进算法

由大气层折射率分布不均匀引起的大气折射延迟是星载激光测高仪测距误差的主要来源之一,其主要受地表气压的影响。目前计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据和时间空间的内插方法,GLAS系统观测相对平坦的南北极冰盖区域的精度足够,但观测地表起伏复杂的陆地目标的精度较低。文中利用国内气象站的观测数据,基于改进的反距离加权内插算法对大气折射延迟修正方法进行改进,并与传统GLAS方法的修正结果进行精度对比。在高原地区以及高纬度地区,采用国内气象数据和新的内插算法可以将修正残差由超过2 cm降低至小于0.5 cm,相对GLAS系统整体15 cm的测量精度,相当于整体精度提高10%,对于未来国产卫星激光测高仪测量精度的提高将有一定参考价值。     

激光大气传输倾斜校正系统

在目标跟踪系统中,由于大气湍流的影响导致光波振幅和相位的起伏.为了能够精确地跟踪目标,首先必须消除大气湍流造成的光斑抖动.文中主要介绍了一种基于压电陶瓷(PZT)的激光大气传输倾斜校正系统,系统由两部分组成:探测系统和校正系统.探测系统使用可以直接探测光斑重心位置的位敏传感器(PSD);校正系统使用压电陶瓷驱动的高速倾...     

Sensitivity of an atmospheric correction algorithm fornon-Lambertian vegetation surfaces to atmospheric parameters

An atmospheric correction algorithm has been proposed by S.A.W. Gerstl and C. Simmer (1986) that removes atmospheric perturbations from off-nadir radiances measured at the top of the atmosphere in the visible and near-infrared wavelength regions. The correction formalism requires as minimum information the total optical depth of the atmosphere and the surface albedo. The sensitivity of the model to assumptions about the aerosol scattering phase function, the single scattering albedo, and the vertical profile of the optical depth are tested. The authors find that the forward scattering asymmetry must be known most accurately to perform a reliable atmospheric correction for aerosol-laden atmospheres when high-resolution and off-nadir imagery is considered and the surface bidirectional reflectance distribution function is to be retrieved     

近地面水平方向大气偏振辐射传输仿真与验证

近地面水平方向偏振成像是地基目标观测的有效手段之一。目标偏振信息在大气传输中受到大气气溶胶及分子等散射和吸收作用的影响,叠加了非目标偏振信息,干扰了目标本身偏振特性参数的提取。因此,对大气的偏振影响研究具有重要意义。针对近地面水平方向偏振观测,基于单次散射假设,仿真计算了不同气溶胶光学厚度条件下的大气偏振辐射传输特性,并开展了外场偏振特性传输实验验证。仿真结果表明,地表贡献可以忽略;随着气溶胶光学厚度的增大,大气对总偏振反射的贡献越大;针对外场实验,仿真计算了不同时序同等观测条件下的线偏振度值,与实测结果相对误差在0.1范围内,一致性很好。研究结果为近地面偏振特性传输研究提供了理论支持,并为近地面偏振观测中的大气校正奠定了基础。     

一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.     

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。