大气光学

空间斜程能见度是空间目标识别的重要参量。水平能见度与大气消光参数有明确的关系,而斜程能见度与大气消光参数、观测方向、太阳天顶角等多种因素有关,目前尚未有明确的结果。从辐射传输理论出发,通过子Eddington近似求解辐射传输方程,尝试推导了空间斜程能见度的表达     

激光遥感斜程能见度探测技术研究进展（特邀）

以斜程能见度精确探测为目标,综述了激光遥感在斜程能见度测量中的主要技术及其研究进展,分析了现有探测技术在斜程能见度测量中的不足与局限性,重点介绍了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法,剖析了基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、基于辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法以及大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术与应用案例,突破了当前白天斜程能见度测不准的技术瓶颈。最后,展望了激光遥感技术在全球斜程能见度测量中的应用潜力。     

基于大气辐射传输和δ-二流近似的斜程能见度反演方法

从能见度定义出发,提出采用SBDART辐射传输模式结合CALIPSO卫星数据求解辐射传输方程,对华北地区斜程能见度进行了详细的仿真与分析。首先,使用SBDART模式结合CALIPSO卫星数据获取实际条件下天空背景辐射亮度。然后,根据斜程能见度探测原理,得到斜程能见度所处区间,进而采用δ-二流近似估计区间内部辐射亮度分布,从而反演得到精确的斜程能见度。结果表明,采用CALIPSO卫星数据结合SBDART模式模拟大气辐射传输过程,计算结果与MERRA-2辐射数据变化趋势一致,相关系数达到0.949;使用δ-二流近似能更加高效地模拟辐射传输过程,且提出方法结果与SBDART模式保持较好的一致性,两者相对误差在14.3%以内;当斜程能见度小于1 km时,使用提出方法反演斜程能见度同经验公式相比误差约为7.1%,且适用于15°以外以及向上观测的斜程能见度探测。     

大气中的视觉和大气能见度

表征大气对视觉影响的物理量是大气能见度,该物理量的具体定义在各种应用领域和研究文献中是比较混乱的。在气象领域,水平大气能见度已成为常规观测量。航空应用领域常常涉及到的斜程大气视线路径的能见度问题一直没有统一的标准。以物体与背景亮度的对比度为研究对象,详细探讨了大气中的视觉问题,澄清了水平能见度的概念,从辐射传输方程出发研究了斜程大气能见度问题,给出了典型大气条件下斜程大气能见度的基本特征,特别比较了向上和向下观察时能见度的区别。     

空间垂直方向气溶胶消光特性的研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上,对空间垂直方向的气溶胶消光特性进行了研究。文章利用Mie散射理论计算讨论了气溶胶的消光、散射、吸收系数随各参数的变化,并在MATLAB中对变化情况进行了仿真。结果表明,粒子半径与入射波长大小相近时气溶胶的消光最强,并且随着能见度的增大,气溶胶衰减系数减小。这些结论可以为红外辐射的大气衰减计算和分析提供依据。     

湍流大气中斜程传输部分相干光的光束扩展

运用维格纳分布函数与广义惠更斯菲涅耳原理,推导出部分相干光束在任意折射率起伏功率谱模型的大气湍流中斜程传输时,其束宽传输的一般解析表达式。在此基础上,以部分相干平顶(PCFT)光束为例,给出了PCFT光束在大气湍流中斜程传输的束宽扩展解析表达式。在合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式下开展了数值计算和分析,并与水平传输时的结果进行了比较。研究结果表明,光束在斜程传输时的束宽不仅与光束阶数、空间相干度、束腰半径、湍流的强弱和传输距离有关,还与天顶角密切相关。光束的阶数越高,空间相干性越差,天顶角越小,则其束宽扩展受湍流的影响就越小。当天顶角小于60°时,大气湍流对斜程传输光束束宽的影响明显小于水平传输的情况。     

斜程湍流大气中部分相干艾里光束的偏振特性研究

偏振是激光通信中保密编码的重要参数,研究斜程湍流大气中的偏振特性对激光通信具有重要意义。利用广义惠更斯-菲涅尔原理和偏振-相干统一理论,推导了无衍射的部分相干艾里高斯光束在斜程湍流大气传输中的偏振度解析式,详细研究了湍流参数、相干长度、天顶角、截断因子和分布因子对偏振度的影响。研究结果表明:与水平湍流相比,光束在斜程湍流下恢复到初始偏振需要更长的传输距离。天顶角、接收高度、截断因子、分布因子越大和相干长度越小,光束偏振度峰值也越大。高相干性的高斯光束比艾里光束更易于保持偏振度不变。无衍射艾里光束中选取合适的光学参数更有利于信息传输与编码,本文结果对激光大气通信领域有着潜在的应用价值。     

部分相干厄米高斯光束在斜程大气湍流中的扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干厄米高斯（H-G）光束通过斜程大气湍流传输的均方根束宽和角扩展的解析表达式,并用以研究了传输路径和光束阶数对部分相干H-G光束传输的影响。引入相对束宽和相对角扩展来定量描述光束抗拒大气湍流的能力。结果表明:在相同条件下,部分相干H-G光束斜程传输受大气湍流的影响要小于水平传输,与水平传输相比斜程传输更有利于部分相干光束在大气湍流中的传输,光束阶数越大部分相干H-G光束受大气湍流的影响越小。     

大气折射对可见近红外波段辐射传输的影响分析

为定量分析大气折射对辐射传输的影响,建立了矢量辐射传输模型(VSPART),讨论了大气折射对漫射光Stokes矢量及辐射通量密度的影响。在模型中,采用射线追踪法实现了大气折射过程的参数化,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解;将VSPART模拟结果与文献值及SPDISORT、DISORT、RT3/PolRadtran和MYSTIC的模拟结果进行了对比,验证了模型间的一致性;在纯瑞利散射大气及含气溶胶大气条件下,分析了大气折射对地面下行辐射和天顶上行辐射漫射光Stokes矢量的影响,讨论了大气折射效应随太阳天顶角的变化。结果表明,太阳天顶角为86°时,在瑞利散射条件下,由大气折射造成的漫射光(波长0.35μm)I、Q和U分量的相对偏差可达9.2%、10.2%和11.3%,辐射通量密度的相对偏差可达5.3%。对于地面下行辐射,大气折射的影响总体随天顶角增大而增强,天顶上行辐射则反之。大气折射对地面下行漫射辐射的影响强于天顶上行辐射。随着气溶胶光学厚度的增加,大气折射效应显著增强;煤烟气溶胶条件下,大气折射的影响强于矿质型及海盐型气溶胶情形。当太阳天顶角大于70°时,大气折射的影响迅速增强,此时有必要在辐射传输模拟过程中考虑大气折射效应。     

利用湍流廓线获得斜程大气相干长度的实验研究

 用两种方法获得有限高度斜程大气相干长度。一种方法用安置在测量铁塔上的温度脉动仪以及多普勒声雷达测量了大气边界层下部折射率结构常数廓线，用以计算有限高度球面波斜程大气相干长度；另一种方法用系留气球搭载一个点光源，在地面用差分光学系统接收球面波到达角起伏法测量了实时斜程大气相干长度。对实验结果进行了比较和分析，二者都反映了实际大气斜程相干长度的时间变化特点。两种方法结果的相关性比较好，因此两种方法都可以在大气光学传输研究中应用。最后在实验的基础上对湍流廓线计算球面波斜程大气相干长度作了讨论。     

基于激光雷达的垂直能见度反演算法及其误差评估

针对大气垂直方向上消光系数分布不均匀难以用传统方法直接测量垂直能见度的问题,提出了一种基于激光雷达探测垂直能见度的计算方法。根据大气辐射传输基本原理,借助于辐射传输方程,推导出了垂直能见度的计算公式;然后利用激光雷达原理方程和Klett算法反演出大气垂直方向上的消光系数分布,基于此提出了垂直能见度的迭代算法。最后,利用灰色模型GM(1,1)和批统计算法,对激光雷达反演得到的后向散射系数进行了评估,给出了误差置信区间为(0.760±0.339)×10^-4(srad·km)^-1。结果表明,该方法是一种特别有效的计算垂直能见度的方法,符合探测的基本需求,且误差小精度高。     

半导体激光雷达斜程能见度观测和反演方法

论述了自行研制的半导体激光雷达能见度仪的工作原理、基本结构及参数,提出了一种稳定的消光系数迭代算法。利用该半导体激光雷达能见度仪与美国Belfort model 6230A型能见度仪对水平及斜程能见度进行了对比实验。对比实验表明:对于水平能见度,平均相对误差在10%以内的占总量的45.6%,平均相对误差在20%以内的占总量的84.7%,平均相对误差在30%以内的占总量的91.2%;对于斜程能见度,不同天气条件下,能见度变化趋势明显,反映了斜程能见度与水平能见度探测的差别与意义。充分说明该能见度仪能够在各种气候条件下测量水平及斜程能见度,所提出的反演能见度的迭代算法稳定可靠。     

基于前向近红外散射光谱测量雾和雨天大气消光的应用研究

在可见和近红外区,由于大气的吸收作用忽略不计,大气消光由散射决定,主要贡献来自于雾滴、雨滴、其他形式降水和小粒子。基于前向近红外散射光谱的前向散射式能见度仪(FVM)采用近红外的LED光源照射到约100 mL的空气体积上,并测量前向30°～36°范围内的粒子的散射光强。由于该前向角范围内,雾滴和霾粒子的散射相函数不受粒子尺寸分布的影响,经过波长校正后,散射强度与大气消光系数成正比,该散射消光比通过对比标准人工观测值获得。然而,在把雾和霾的散射消光比应用到雨天测量时,会产生难以接受的误差。要得到雨天消光的准确测量,就需要找到适合雨滴的散射消光比。基于Mie散射理论计算了不同尺寸分布下的雾滴和雨滴的散射相函数,并对雾天和雨天下FVM的测量值与人工实际观测值进行了对比分析,发现FVM在雨天的消光要比人工观测值高出约20%～60%。根据测量结果,可以定出FVM在雨天测量的校准系数,因此,基于前向近红外散射光谱的FVM不仅能够测量雾天的大气消光,还能对雨天的消光进行较准确的估算     

Radiative properties of scattering and absorbing dense media: theory and experimental study

We investigate the validity of the radiative transfer equation to model transmission of light through an absorbing and scattering medium. Assuming that radiative transfer equation is valid, the inverse scattering problem for non-polarized radiative transfer in one-dimensional absorbing and scattering media is solved using a parameter identification method. We discuss how to identify the albedo, phase function and extinction coefficient of the medium. We present experimental data that confirm that this approach is robust and can be used to make reliable predictions of the behavior of scattering absorbing systems.     

Numerical investigation of the effect of signal trapping on soot measurements using LII in laminar coflow diffusion flames

Laser-induced incandescence has been rapidly developed into a powerful diagnostic technique for measurements of soot in many applications. The incandescence intensity generated by laser-heated soot particles at the measurement location suffers the signal trapping effect caused by absorption and scattering by soot particles present between the measurement location and the detector. The signal trapping effect was numerically investigated in soot measurements using both a 2D LII setup and the corresponding point LII setup at detection wavelengths of 400 and 780 nm in a laminar coflow ethylene/air flame. The radiative properties of aggregated soot particles were calculated using the Rayleigh–Debye–Gans polydisperse fractal aggregate theory. The radiative transfer equation in emitting, absorbing, and scattering media was solved using the discrete-ordinates method. The radiation intensity along an arbitrary direction was obtained using the infinitely small weight technique. The contribution of scattering to signal trapping was found to be negligible in atmospheric laminar diffusion flames. When uncorrected LII intensities are used to determine soot particle temperature and the soot volume fraction, the errors are smaller in 2D LII setup where soot particles are excited by a laser sheet. The simple Beer–Lambert exponential attenuation relationship holds in LII applications to axisymmetric flames as long as the effective extinction coefficient is adequately defined.     

热红外对地遥感中的大气散射效应

从辐射传输方程出发,严格地分析了以往工作中被忽略的大气层中悬浮微粒散射对热红外辐射能量传输的影响,特别研究了对能量平衡的贡献和对传感器信噪比的影响,对以遥感器高度和能见度作为参量的仿真计算结果说明,与传统的不考虑大气中悬浮微粒的散射情况相比差1~2个数量级。这说明,悬浮微粒的散射不仅对红外辐射有消光作用,而且是研究热红外遥感系统中新的辐射通量出现的重要因素。     

用于反演半导体激光云高仪垂直能见度的算法

根据云高仪工作原理,从米散射激光雷达方程出发,推导出一种低层大气中气溶胶消光系数边界值的获取方法,并在此基础上利用Fernald方法反演得到了大气消光系数的垂直分布;通过垂直路径上的消光系数反演得到垂直路径的平均能见度,结果表明,该平均能见度更接近垂直方向真实的能见度。用该算法处理了半导体激光云高仪实际测量的数据,并与Vaisala云高仪测量的垂直能见度进行了对比,结果表明:该算法在反演大气垂直能见度时具有较高的准确性和可靠性。     

Application of the lattice Boltzmann method to transient conduction and radiation heat transfer in cylindrical media

In this paper, the lattice Boltzmann method (LBM) is applied to solve the energy equation of a transient conduction-radiation heat transfer problem in a two-dimensional cylindrical enclosure filled with an emitting, absorbing and scattering media. The control volume finite element method (CVFEM) is used to obtain the radiative information. To demonstrate the workability of the LBM in conjunction with the CVFEM to conduction-radiation problems in cylindrical media, the energy equation of the same problem is also solved using the finite difference method (FDM). The effects of different parameters, such as the grid size, the scattering albedo, the extinction coefficient and the conduction-radiation parameter on temperature distribution within the medium are studied. Results of the present work are compared with those available in the literature. LBM-CVFEM results are also compared with those given by the FDM-CVFEM. In all cases, good agreement has been obtained.     

The opacity coefficient method—nongray determination of inhomogeneous atmospheric extinction

The computation of radiation transmittance in nongray, inhomogeneous atmospheric models is frequently complicated by complex bands of line spectra which range in value over many orders of magnitudes and depend strongly on either or both of pressure and temperature. We present here a new opacity sampling technique which is shown to determine correctly the wavelength-averaged extinction due to path-dependent realizations of banded line spectra. The technique is easy to implement computationally and is applicable to a wide variety of atmospheric problems in which frequent iteration of the radiative transfer model is required. We consider two such instances: modeling of solar flux attenuation for use in a time-dependent planetary ionosphere model and retrieval from nadir measurements of backscattered solar irradiance. The power of the new method lies in its straightforward analytical treatment of both atmospheric inhomogeneity and spectral complexity. It is thus relevant for both retrieval and radiative transfer modeling purposes.     

辐射传输中的一个伪极限问题及其数学物理原理

当太阳入射角度和观测角都趋向于水平时,由平面平行大气辐射传输方程计算得到的大气顶的反射辐射值不唯一,其值依赖于太阳和观测角的趋近于水平方向的路径曲线,即从数学角度称为出现极限的不唯一或极限不连续.事实上这违背了辐射场物理原理,这种不连续是由于常规算法中忽略了大气辐射传输中一个隐含的物理原理而导出的.在极限条件下必须引入满足Snell光学定律的界面边界条件,否则会导致错误的结论. 关键词： 辐射传输 局地热力学平衡 大气光学 Snell定律