卷云大气条件下目标与背景对比度模拟分析

使用通用大气辐射传输软件模拟计算了卷云大气条件下强吸收波段的反射率,分析了卷云粒子形状和有效尺度、光学厚度和卷云高度对大气顶反射率和背景辐射的影响。建立了高温气体目标的辐射强度计算模型,并通过模拟获取了目标辐射在卷云大气中传输至大气顶的光谱辐射特性。计算了大气顶的目标背景对比度,并讨论了卷云特性参数和目标高度对目标背景对比度的影响。结果表明:在水汽强吸收波段,卷云大气反射率随卷云高度和光学厚度的增加而增大、随卷云粒子有效尺度的增大而减小;目标背景对比度受卷云参数的影响较大,尤其当目标高度在7km以下时卷云对目标观测的干扰很大。     

卷云短波反射特性的模拟计算研究

利用通用大气辐射传输(CART)软件模拟计算了0.4～2.5μm波段卷云大气反射率,分析了卷云大气的反射率随波长、光学厚度、有效尺度、卷云高度和地表类型变化情况,并模拟计算了0.55,1.38,2.75μm波段卷云大气反射率间关系。结果表明,可见光到近红外波段,卷云大气反射率随卷云光学厚度的增大而增大。可见光波段,卷云大气反射率随卷云粒子有效尺度变化很小;近红外波段,卷云大气的反射率随卷云粒子有效尺度增大而减小;近红外大气强吸收波段,卷云大气的反射率随卷云高度的增大而增大。大气窗口区卷云大气的反射率随地表类型的变化有显著的变化。通过0.55μm和2.75μm波段,1.38μm和2.75μm波段的卷云大气反射率间关系可以反演卷云光学厚度和有效尺度。     

地球大气系统对红外目标探测影响的分析

利用SBDART软件包计算了不同地球大气系统下2．5～5μm波段范围内的大气透过率和地球大气背景红外辐射光谱。计算目标与地球大气背景之间的信噪比,并据此分析了地球大气系统对红外目标探测的影响。结果表明：当目标位于卷云之上时,在2．5～3μm波段与4～4．5μm波段信噪比较大,信噪比随着目标高度的升高而增大,易于探测;当目标处于卷云以下时,卷云对红外信号有较强的吸收作用,光学厚度对信噪比影响较大,粒子尺度对信噪比影响不大,卷云厚度越大,信噪比越小。     

AIRS红外高光谱卫星数据反演卷云光学厚度和云顶高度

基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)云产品数据,利用通用大气辐射传输模式(combined atmospheric radiative transfer model,CART),根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070~1 135cm-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度。将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650~1 150cm-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析。将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道(900.56cm-1,11.1μm)的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析。最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析。研究结果表明:反演所使用的650~1 150cm-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱。反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道(900.56cm-1,11.1μm)的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度。反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率。反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5~11.5km的概率较高,两者的概率分布趋势一致。说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。     

基于多重散射的卷云辐射传输特性

采用空间离散化,并利用散射矩阵方法计算了卷云在3．72tim和6．85tim波长上的辐射传输特性,研究了卷云的冰晶粒子形状、组分和光学厚度等因素对卷云的辐射传榆特性的影响。仿真结果表明,随着平均冰晶尺度的增加,卷云的反射函数会逐渐减小;对于不同形状,但具有相同最大粒子尺寸的粒子组成的卷云,反射函数也会有所不同;随着光学厚度的增加,卷云的反射函数会逐渐增大,直至饱和,而透射函数逐渐减小;随着太阳天顶角的增大,卷云的反射函数逐渐增大。透射函数逐渐减小。     

基于散射比值的粒子特性提取

前向小角度的散射辐射分布与散射介质的粒子大小和光学厚度有关。基于一种新型变视场光度计,测量不同天气条件下的前向小角度散射比值、大气光学厚度τ和气溶胶粒子的Angstrom指数α,并与DISORT方法模拟结果进行对比分析。研究结果表明:散射比值随光学厚度的增大而增大;但当光学厚度τ1时,散射比值取决于粒子有效尺度,粒子尺度越大,散射比值越小。卷云冰晶尺度较大时(De10μm),其散射比值小于气溶胶粒子和水云,这为区别薄卷云与气溶胶提供了一种新方法。给出一种提取卷云光学厚度的简单方法,证明了卷云的消光系数在短波段与波长无关。以上研究为地基探测大气特性提供了一定参考价值。     

卷云多角度偏振特性研究

由各种形状冰晶粒子组成的卷云，对全球辐射平衡和气候变化有重要的影响，其影响程度取决于卷云本身的微物理特性和光学特性，如冰晶粒子形状、卷云光学厚度和云顶压强等.在对0.865μm波长处卷云光学特性研究的基础上，采用矢量辐射传输方程模拟分析了含卷云层的总反射率和偏振反射率，并利用卫星观测数据验证了模拟结果.分析研究了卷云微物理特征、光学特征和地表反照率对总反射率和偏振反射率的影响.分析表明，可以综合利用多角度偏振遥感信息反演各种卷云参数.这为利用多角度偏振遥感数据反演卷云各参数提供了理论基础. 关键词： 卷云微物理特征 卷云光学特性 多角度偏振辐射 矢量辐射传输方程     

三波长激光雷达探测合肥地区卷云特性

卷云对地气辐射收支平衡有重要影响。根据三波长激光雷达系统于2011年1月~2012年10月在合肥西郊的观测资料,对比分析了不同波长对卷云的探测能力,并研究了合肥地区卷云的云结构和光学厚度等特征。结果表明,在所用的三波长(355、532、1064nm)中,激光雷达的波长越长,其对卷云的探测能力就越强。合肥地区卷云的云峰平均高度在8km左右,冬季较低,夏季较高;卷云平均厚度在1~2km之间。三个波长探测所得的卷云光学厚度基本一致,从而验证了卷云的消光系数与波长无关的理论。合肥地区的卷云以光学厚度小于0.3的薄卷云为主,平均光学厚度在0.12左右。     

基于光学厚度的云红外辐射计算

 为了研究不同物理厚度和不同波段下云的红外辐射特性,提出了基于光学厚度的云红外辐射计算方法。综合考虑云的红外辐射的各个因素,建立了较为完善的云的红外辐射模型,引入光学厚度经验计算公式,并根据光学厚度针对中波和长波红外分别计算了云的发射率、反射率和透过率,进而得到云的红外辐射亮度分布。利用该计算方法,计算了中波和长波红外云的辐射亮度数值,计算结果表明：随着光学厚度增大,云的发射率和反射率增大,探测器接收到的云红外辐射增强。比较发现,该计算结果与实测数据有较好的一致性,该计算模型可以为云背景的红外特性分析、探测及仿真提供参考数据。     

散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响

为研究不同散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响,计算了不同光学厚度下,一般种类混合模型(GHM)、实心柱状模型(SC)和聚合物实心柱状模型(ASC)取不同有效粒子半径时的反射率。理论分析了不同散射模型及其不同有效粒子半径对卷云光学厚度反演结果的影响。使用基于倍加累加法的矢量辐射传输模型RT3计算3种模型卷云光学厚度查找表,基于POLDER数据,采用查找表法进行卷云光学厚度反演实验,实验结果与理论分析一致。结果可知:采用不同散射模型反演得到的卷云光学厚度存在较大差异,相比GHM和SC模型,ASC模型卷云光学厚度反演结果更接近POLDER产品;有效粒子半径越大,光学厚度反演结果越大,GHM和SC的增幅较大,而ASC增幅很小。因此,在不具备有效粒子半径反演能力时,建议采用ASC模型反演卷云光学厚度,以减小有效粒子半径变化对反演结果的影响。上述研究对我国GF-5卫星的卷云光学厚度反演的散射模型选取及反演结果评价具有参考价值。     

太赫兹波被动遥感卷云微物理参数的敏感性试验分析

太赫兹波长和典型卷云的冰晶粒子尺度处于同一量级,其在遥感卷云微物理参数(粒子尺度和冰水路径)方面具有广阔的应用前景.为了评估卷云微物理参数对太赫兹波传输特性的影响及其在太赫兹波段的敏感性,基于大气辐射传输模式分别模拟计算了晴空和有云条件下大气层顶的太赫兹辐射光谱特征,分析了这两种条件下辐射亮温差值的特点,研究了卷云冰晶粒子形状、粒子尺度及冰水路径对太赫兹辐射传输特性的影响,并定量计算了相关敏感系数.结果表明:卷云冰晶粒子形状、粒子尺度、冰水路径等对太赫兹波传输特性均有不同程度的影响,卷云效应也因通道频率而异,太赫兹波对卷云的粒子尺度和冰水路径有较高的敏感性,是理论上被动遥感卷云微物理特性的最佳波段.研究结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要意义.     

复杂大气背景下机载通信终端与无人机目标之间的激光传输特性研究

云层、气溶胶和大气分子是大气环境的主要组成部分.本文基于逐次散射法求解辐射传输方程,建立了复杂大气背景下机载无线光通信终端与地空无人机目标之间的激光传输模型.考虑真实大气背景中卷云、大气分子和气溶胶存在的情况下,数值计算了1.55 mm激光经机载通信终端发出后通过大气背景的直接传输和一阶散射传输后接收功率随无人机目标高度的变化关系,分析了飞机在云上、云中和云下以及卷云冰晶粒子有效半径、飞机与无人机之间的水平距离对接收激光信号传输功率的影响.数值结果表明:激光通过卷云传输的功率很大程度上取决于飞机在云上、云下或云中的位置;飞机与无人机目标之间的水平距离和卷云冰晶粒子的有效半径对激光直接传输和一阶散射传输影响较大;与云上大气相比,云下的大气分子和气溶胶对激光有较大的衰减.本文工作可为进一步开展地空链路上复杂大气背景对机载与低空无人机目标激光通信实验、无人机编队、指挥和组网技术的研究提供理论支撑.     

A simple new radiative transfer model for simulating the effect of cirrus clouds in the microwave spectral region

The upwelling atmospheric radiation in the millimeter wave spectral range is influenced by the presence of cirrus clouds. A plane parallel radiative transfer model which can take into account the effect of multiple scattering by ice particles in the cirrus has been developed and is used to simulate the brightness temperatures as they would be measured by a satellite instrument. The model uses an iterative procedure to solve the radiative transfer equation. The formulation of the model is such that it can easily be adapted to treat the full specific intensity vector instead of just the scalar total intensity. A convergence test for the model is explained and two cirrus cloud scenarios are simulated. The results illustrate the linearity of microwave radiative transfer for not too strong cirrus clouds in this frequency region.     

Temperature dependence of ice optical constants: Implications for simulating the single-scattering properties of cold ice clouds

For a spectrum from ultraviolet to microwave and a temperature range from 160 to 270 K, the optical constants of water ice are compiled on the basis of the Kramers-Kronig relation in conjunction with existing datasets reported in literature. Significant temperature dependence is observed in both the mid-infrared and longer wavelengths. A sensitivity study at wavelengths in the infrared split window region indicates that the temperature dependence of the single-scattering properties of ice crystals is not negligible. Thus, it is necessary to take into account the temperature dependence of ice optical constants when simulating the radiative properties of cirrus clouds for various applications to remote sensing under cirrus cloud conditions.     

Method of Calculating the Radiance of Point-Source Target in Infrared Image

In traditional method of obtaining the radiance of target in infrared image, a target is often considered as an extended source. In that way, we only need the atmosphere transmittance, path radiance, and target apparent temperature to calculate the blackbody equivalent temperature of the target. However, in real infrared system imaging process, the target may be so far from the sensor that the target should be taken as a point source. In that case, the traditional data analysis method is not applicable anymore. A new method of calculating the radiance of small target is presented, which is based on the infrared system imaging theory. And the parameter needed to be input in this method is easily obtained. This method is tested by three different imaging systems. They are Thermal Vision AGEMA 900, AGEMA 1000, and Airborne Surveillance Pod Imaging System. The method is programmed into software, IRIDAS (Infrared Radiation Image Data Analysis Software) version 1.0. This software includes infrared imaging system calibration, atmosphere modification calculation, target and background selection and radiance calculation. This method can be used in infrared data anaylsis, infrared system evaluation and testing, target and background characteristics obtaining.     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

Infrared radiative transfer modelling in a 3D scattering cloudy atmosphere: Application to limb sounding measurements of cirrus

The Monte Carlo cloud scattering forward model (McClouds_FM) has been developed to simulate limb radiative transfer in the presence of cirrus clouds, for the purposes of simulating cloud contaminated measurements made by an infrared limb sounding instrument, e.g. the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS). A reverse method three-dimensional Monte Carlo transfer model is combined with a line-by-line model for radiative transfer through the non-cloudy atmosphere to explicitly account for the effects of multiple scattering by the clouds. The ice cloud microphysics are characterised by a size distribution of randomly oriented ice crystals, with the single scattering properties of the distribution determined by accurate calculations accounting for non-spherical habit.A comparison of McClouds_FM simulations and real MIPAS spectra of cirrus shows good agreement. Of particular interest are several noticeable spectral features (i.e. H₂O absorption lines) in the data that are replicated in the simulations: these can only be explained by upwelling tropospheric radiation scattered into the line-of-sight by the cloud ice particles.     

可见光波段卷云散射特性的研究

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部,主要由各种形状的冰晶粒子组成。卷云散射特性的研究利用了前期建立的单个冰晶粒子散射性质数据库,并且假定卷云中粒子谱分布符合Г分布,计算得出可见光波段卷云平均散射性质：消光效率因子、吸收效率因子、单次散射反照率、非对称因子与有效尺度以及波长的变化关系。其次对计算得出的变化曲线进行分析得...