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。     

某喷气发动机尾焰的中长波红外辐射分析和比较

利用中波红外和长波红外热像仪对某型 喷气飞机发动机尾焰的红外辐射特性进行了测量,得到了3～5 μm 和8～12 μm波段的尾焰辐射亮度分布。结果表明,从飞机 尾向上观测到的中波红外和长波红外尾焰均成对称分布,前者的最高辐射亮 度和尾焰面积分别是后者的4.6倍和2.1倍;从飞机侧向上观测到的 中波红外尾焰的最高辐射亮度、尾焰长度和面积分别是长波红外尾焰 的2.2倍、3.8倍和5.7倍,前者的优势非常明显。另外,受高温尾焰加热的影响,尾 焰周围空气的温度明显上升,使其辐 射亮度高于其他背景的辐射亮度。本文获得的测量结果对尾焰红外辐射特性仿 真和计算研究具有一定的参考价值。     

风云四号A星红外高光谱大气垂直探测仪观测资料质量评估

评估星载红外高光谱仪器观测资料的质量可以推进其在数值天气预报中的应用。使用2020 年 7 月 FY-4A 红外高光谱干涉式大气垂直探测仪 (Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)观测数据,分析GIIRS所有通道观测噪声随视场和纬度的变化、偏差 (观测亮温与辐射传输模式模拟亮温的差) 随时间、视场、纬度和天顶角的分布来评估 GIIRS 观测资料质量。研究结果表明:波段727.5~733.8 cm?1、1107.5~1130 cm?1和1650~1776.9 cm?1的观测噪声超出仪器灵敏度设计指标,且这些通道的偏差和偏差标准差明显大于其他通道;除了长波观测噪声大的通道外,其余通道噪声等效温差NEdT在32×4阵列上均呈“中间小,两边大”的特征,且NEdT的分布不随纬度带和FOR阵列而改变,在进行GIIRS资料同化或变分反演时,其观测误差只用考虑不同通道在32×4阵列内的NEdT分布;由于数值预报模式的地表温度在白天时值偏低,使得模拟辐射量偏低,造成偏差绝对值减小,使偏差有明显的日变化;中波通道偏差特征基本不随32×4面阵的列而改变,主要与阵列中的行有关,在中波通道进行偏差订正时可以针对32×4面阵中行开展,基本不需要纬度带和卫星天顶角的订正。     

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.     

云参数对AIRS亮温模拟计算的影响试验

由于云污染对大气红外遥感的严重干扰,大量红外资料遭到了舍弃。为 了充分同化红外资料,提高初始场精度和改善数值预报效果,利用通用辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM) 模拟了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并分析了云类型、云层含水量、云厚度和云顶高度等云参数对AIRS亮温的 影响。结果表明：(1)由于云层对红外辐射的截断作用,只有高于云顶的大气才会对辐射亮温产 生影响;(2)随着云层积分含水量的增加,亮温逐渐减小,但其减速放缓,直至不变;有效半径较 大的粒子对辐射的散射作用较强,相应亮温较小;(3)若云顶高度固定不变,云厚度的变化 则不会对亮温产生影响;若云底高度固定不变,云层越厚,相应的亮温越小;(4)地面通道亮温 对云顶高度的变化比较敏感,云顶以上通道的亮温不受云顶高度变化的影响。     

无人机红外辐射的数值计算

针对非加力状态下的无人机(UAV),建立了其蒙皮、尾喷口及尾焰辐射的理论计算模型,利用有限元分析方法求解了不同方位角、不同观测仰角的红外辐射计算公式。利用Fluent流场计算软件分析了尾焰的温度场、压力场及其中CO2及H2O组分的浓度场,并在尾焰红外辐射计算中利用分析数据的方法,这种计算较精确。采用工程中实际使用的中波红外和长波红外探测器的探测波段,利用LOWTRAN分析了其在不同观测仰角下的波段透射率。对于某一特定型号的无人机,实验结果证明,相对于8~10μm长波蒙皮辐射而言,中波3.7~4.8μm的蒙皮辐射可以忽略不计。中波的尾喷口及尾焰辐射随观测角度的变化规律与长波类似,在相同观测角度下,中波的尾喷口及尾焰辐射都分别大于长波,其中尾喷口辐射在方位角大于90°的前提下,要大于相同角度下的尾焰辐射。在大气衰减影响下,蒙皮辐射和尾焰红外辐射的最大值均出现在观测仰角45°、方位角90°附近。     

基于点目标特征参数提取的红外多光谱设计

为了提高等效温度、等效面积的稳定性和分辨率,提出一种基于点目标特征参数提取的红外多光谱设计方法。首先,通过多光谱设计准则模拟仿真了多波段的抗误差能力,确定了光谱设计的影响因素。然后,根据红外辐射测量系统噪声分析,确定了光电导中波和长波探测器都达到最佳工作性能的条件。最后,根据波段信噪比估计和红外大气窗口确定了光谱的具体分布。性能分析结果表明,设计的光谱能在目标各种变化的情况下,使中波和长波协同工作,大大提高了等效温度、等效面积的稳定性和分辨率。     

双波段红外图像辐射特性分析及在图像融合中的应用

目标和背景在不同波段的辐射度不同从而使目标与背景在不同波段的对比度不同,是中波和长波红外图像呈现不同的特点主要因素之一．分析了中波和长波红外图像的特点,将辐射特性引入融合算法,建立了基于辐射特性的双波段红外图像融合新算法．     

一种全谱段多光谱遥感器的星上信息处理系统

全谱段多光谱星上信息处理系统应用于某型号多光谱遥感器,由可见光信息处理电路及红外信息处理电路构成。该系统基于推扫成像的遥感器设计方案,通过外同步控制方式,完成了可见光、短中波红外、长波红外探测器的时序控制与驱动、模拟信号采集与处理、数字信号整合与格式编排等功能,具有多焦面同步工作、采集模拟通道多、信噪比高的特点。最终系统共采集32路模拟图像信号,输出量化位数为14 bit,五路串行LVDS输出,单路数据率为30 Mbps。在给定的测试条件下,实验室环境实测可见光通道、短波红外通道信噪比分别达到307和422,中波红外通道、长波红外通道NETD分别达到0.14 K和0.16 K。并使用可见光通道进行了外景成像,得到了良好的图像数据。通过实验室测试及外景成像验证了本系统能够满足遥感器使用需求。     

中波红外和长波红外探测系统性能的比较与选择

针对常用的各种中波和长波红外探测系统,从探测器特性、目标辐射特性、背景辐射特性、大气传输特性和红外系统设计等方面,分析、计算和比较了中波红外和长波红外探测系统的有关性能,提供了有实用价值的数据。根据不同的探测目标和使用环境,为红外探测系统的设计提出了波段选择的建议。     

基于三角面元波面分割的海面红外成像仿真

从海面小波面法线出发,采用海浪谱模型模拟海面的形态,提出一种新的简便算法,将海面各小波面划分成三角面元,通过求三角面元的法向量来计算海面发射率,大大降低了计算的难度。其次,综合考虑海面自身热辐射及海面反射天空、太阳辐射和探测器与海面之间的大气路径光谱辐射,建立海面红外辐射模型。最后,生成海面红外辐射的灰度图像,并给出在不同探测器天顶角下的仿真结果。通过结果分析,该方法可以有效地模拟海面红外辐射特性,仿真的红外图像对于舰船红外仿真研究及红外探测具有重要意义。     

结合遥感卫星及深度神经网络的白天海雾识别

遥感卫星能够对云雾进行大范围、长时间监测, 对海雾识别研究具有重要的意义,本文根据不同云、 雾和下垫面的光谱特性及纹理特征,通过葵花8号卫星(Himawari-8)提取云图特征、CALIOP 星载激光雷达 (cloud-aerosol Lidar with orthogonal polarization,CALIOP)获取中高云、低云、海 雾、晴空海表四类样本标签, 利用深度学习方法构建深度神经网络(Deep Neural Networks,DNN),实现了白天海雾的有 效识别。实验结果 表明:本文训练得到的深度神经网络模型准确率为82.63%,具有较高 的识别精度,而且相比其它海雾识别 方法也有更好的识别结果。利用该模型对2016年4月8日发生于黄渤海 区域的海雾天气进行识别,并通过 CALIOP标签数据对识别效果进行验证,结果表明该方法能够较好的识别出海雾区域。     

Liquid water fade margin requirements for infrared and millimeter wave runway imaging sensors in fog

Liquid water content and particle size distribution at each ten meters in the vertical for a deep advection fog and a shallow radiation fog are analyzed to determine the liquid water loss at millimeter and infrared wavelengths. The liquid water fade margin is calculated along a three degree glideslope in each fog from the current height above the runway to the touchdown point. Millimeter wave fade margin requirements are calculated from the vertical distribution of bulk liquid water content and infrared fade margin requirements are predicted from the vertical distribution of dropsize. Fog dropsize distributions for both fog layers are well fitted to a gamma distribution with a median drop diameter of approximately 9 microns. Millimeter wave imaging sensors operating in a shallow radiation fog are shown to require less than 1 dB of one-way liquid water fade margin. In the deep advection fog, one-way liquid water fade margin requirements at 8.6 mm, 6.8 mm, and 3.2 mm are predicted to be 1, 2, and 6.7 dB respectively. In comparison, the one-way liquid water fade margin requirements at near, middle, and far infrared wavelengths are two orders of magnitude greater than at millimeter wavelengths and indicate the fog layers are opaque to infrared imaging sensors even near the touchdown point. The specific attenuations predicted in the two fogs are consistent with previously reported values.     

动态海面红外视景仿真研究

动态海面红外视景仿真在战场红外视景重构以及红外跟踪制导装备研究方面有着极其重要的作用.为提高海面红外仿真效果,采用Gerstner波进行海浪波面建模,采用基于PM谱和SWOP方向扩展函数的海浪方向谱进行波面参数计算,根据海面辐射特性进行海面红外辐射效果模拟,实现了动态海面高逼真度红外视景仿真.仿真结果表明,该方法符合实际情况,具有较高的应用价值.     

从红外辐照热平衡方程求解海面温度

针对海面红外仿真中需要输入实时海面温度的要求，本文从海面的热平衡方程出发，将平衡方程中的各项，如太阳辐射、天空辐射、海面自发射、海面与大气的热交换等用温度的函数表示，然后从平衡方程中解出海面温度，最后模拟了海面温度随太阳辐照、天空辐照、风速、相对湿度的变化，模拟结果表明本计算模型是准确可靠的。     

单通道物理法反演海表温度的参数敏感性分析及验证

定量分析了反演海表温度的单通道物理法对海水比辐射率、海面风速、海水盐度、大气透过率、大气上下行辐射等参数的敏感性,发现海水比辐射率、大气透过率对算法精度影响较大,是单通道物理法反演海表温度的主要误差来源.在不同的波段,单通道物理法对参数敏感性也有较大差别,中红外波段的敏感性要小于热红外波段.为了验证单通道物理法的可行性、精度及参数敏感性分析的结果,选择墨西哥湾海域2009年全年夜间MODIS实测数据进行实验.结果表明,中红外波段的单通道物理法反演海表温度的精度高于热红外波段,达到MODIS劈窗算法海表温度标准产品同等精度,这与参数敏感性分析的结果一致.由于中红外波段单通道物理法精度较高,一方面,可以满足常规的业务观测需求,为海表温度反演提供新的技术手段;另一方面,可用来标定劈窗算法系数,弥补海洋现场观测站位空间分布不足的问题.     

黄海平流雾对8~12 μm波段红外辐射衰减的实验研究

为了研究新一代舰载红外探测系统在海雾条件下的探测能力,以黄海海雾为实验环境,以非制冷型红外热像仪为探测器,分别在不同强度的海雾中以不同性质的红外辐射源为探测对象进行了成像实验,并结合红外辐射在海雾中的衰减模型进行了量化研究。衰减模型可分为物理模型和经验模型两大类,分别对其在不同强度海雾下的衰减曲线进行了对比分析,并根据实测结果进行了拟合分析,结果表明:在轻雾条件下,实际观测的结果几乎与物理模型一致;在较浓海雾条件下,以经验模型计算的结果与观测结果相差较小;而在特浓海雾条件下,以经验模型计算的结果较接近于实际观测。     

基于暗原色先验去雾原理的红外图像伪彩化增强方法研究

根据雾天红外图像的分析和判读需要,提出了一种新的预处理方法---基于暗原色先验去雾原理及HIS空间的伪彩变换方法。该方法应用于雾天红外灰度图像的处理时,可以显著增强目标与背景之间的对比度。实验表明,该方法可以较好地对雾天红外图像进行增强与显示。与传统的图像增强方法相比,该方法更有利于在雾天条件下对掠海飞行目标及海面目标的红外图像进行分析与判读。