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.     

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。     

云遮挡对海上红外透过率影响分析

大气透过率是影响红外辐射传输的重要因素.由于基于海上实际气象参数的有关云对红外波段大气透过特性影响的研究还相对薄弱,因此海上红外透过率的计算不可避免地存在计算误差.构建了我国海上区域实际大气参数廓线,以海洋为下垫面,嵌入成熟、通用的大气辐射传输模型,还原真实大气环境中云遮挡对红外辐射传输的影响.研究发现,海上大气温度、...     

2．0～5．0μm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2～5μm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.     

用于星载太赫兹波被动遥感卷云参数的通道辐射特性及反演影响因素研究

太赫兹波是理论上遥感卷云微物理参数的最佳波段,但星载太赫兹波被动遥感的结果易受到非卷云因素(地表反射率、大气廓线、中低层水云等)的影响.利用辐射传输模式分别模拟计算了地表反射率、大气廓线、中低层水云对大气层顶太赫兹辐射光谱的影响,并基于多重查找表法定量分析了这些因素的变化所造成的反演误差.结果表明:地表反射率对太赫兹辐射光谱的影响主要集中在300 GHz以下,对反演所选取的波段没有影响;实际大气廓线中水汽廓线和温度廓线的改变对反演结果产生影响,当温度廓线的变化在±2 K范围以内,或水汽廓线变化±20%时,对于粒子尺度大于50μm、冰水路径大于10 g/m2的卷云,反演误差均保持在±20%以内;低云(云底高小于2 km)对所选通道的辐射没有影响,中云所产生的误差随着光学厚度和云底高度的增加而增大.     

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。     

大气参数模式及其在辐射大气传输计算中的应用

大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式,包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布,覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件（CART）中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。     

利用 IASI资料反演平流层大气温度

红外大气探测干涉分光仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, IASI)能够获取平流层的大气温度廓线,而且由其 提取的大气温度扰动信息可用于平流层的重力波特征分析。基于神经网络方法,利用典型 大气廓线库和大气辐射传输模式建立了由IASI反演25～60 km高度范围内的平流层大气温度廓 线的算式,并结合再分析资料对反演结果进行了检验。模拟试验结果表明,平流层大气 温度反演的偏差主要在0 K附近且不超过1 K,均方根误差处在2～6 K之间,且50～5 hPa之间的均方 根误差在3 K以内。对比验证结果表明,本文的平流层大气温度反演与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)的再分析资料在总体上具有可比性,而且反演速度更快,覆盖的区域更完整。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测O4斜柱浓度误差修正方法研究

O4斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）监测O4斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O4斜柱浓度。通过对比30°仰角O4斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O4吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O4斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O4斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测O4斜柱浓度误差修正方法研究

O₄斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）监测O₄斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O₄斜柱浓度。通过对比30°仰角O₄斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O₄吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O₄斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O₄斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。     

基于MODIS红外通道的辐射传输计算

通过建立地气系统的红外辐射传输方程,基于MODIS红外通道进行辐射传输计算.利用快速精确的透过率模型PFAAST计算大气透过率,在红外辐射传输计算中考虑了地面反射大气辐射亮度的影响,指出地面反射大气辐射亮度在整个方程所占比重随着地表发射率变小而增加,其中MODIS第33通道对发射率的改变最为敏感,美国标准大气下,当发射率ε=0.65时,比重达到7.12%,因此,忽略地面反射大气辐射亮度,直接影响红外辐射传输计算的准确性.模拟了MODIS各红外通道辐射亮度,并与MODTRAN4.0模拟结果比较,相对误差不超过0.12%,模拟了大气倾斜路径对卫星红外通道观测亮温的影响.     

基于并行MLFMA的SAR舰船目标RCS计算

为提高合成孔径雷达（SAR）图像仿真效果,针对SAR图像中舰船目标雷达散射截面（RCS）计算的精度和效率问题,在利用几何建模方法构建三维舰船模型的基础上,采用并行多层快速多极子算法（MLFMA）计算了舰船目标RCS并分析了该算法的并行加速比。仿真实验表明,并行MLFMA算法适用于高频范围内较大尺寸舰船目标RCS的计算,比物理光学法（PO）和物理光学与矩量混合算法（PO—MOM）具有更高的计算精度且并行方案能明显提高求解目标RCS的效率。     

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。     

大连地区典型天气气溶胶光学厚度的计算分析

气溶胶光学厚度不仅是计算气溶胶含量、评价大气环境污染程度、研究大气辐射传输等领域中的一个关键因子,而且在大气辐射传输方程的求解过程中,是透射函数、反射函数等重要参数的基本参数。通过分析气溶胶光学厚度的影响因子,搜集整理典型天气气溶胶粒子复折射率资料和粒子谱分布观测数据,建立典型天气气溶胶粒子复折射率数据库,基于气溶胶粒子谱分布实验数据完善了大连地区典型天气气溶胶粒子谱分布模型,再结合大气能见度等大气参数,利用米散射理论计算了气溶胶消光光学厚度。     

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。