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。     

大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响

折射是影响辐射传输的重要因素. 为分析大气折射对辐射传输的影响, 基于Monte Carlo方法, 给出了考虑大气折射的矢量辐射传输模型, 实现了均匀气层和耦合面处光子随机运动过程的模拟, 实现了直射光及漫射光Stokes矢量、偏振度和辐射通量等参数的计算. 在考虑和不考虑大气折射两种条件下, 验证了模型的准确性; 在纯瑞利散射条件下, 讨论了大气折射对不同方向漫射光Stokes矢量的影响; 在不同太阳天顶角、大气廓线、气溶胶及含云大气条件下, 分析了大气折射对辐射传输过程的影响. 结果表明: 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响主要体现在天顶角70°–110°区间, 且随着太阳入射角增大, 其影响更为显著; 不同大气廓线情形下, 大气折射对Stokes矢量的影响不一致, 其原因是不同大气廓线对应的折射率廓线存在差异. 含云及含气溶胶大气条件下, 大气折射对辐射传输的影响变弱, 沙尘型及海盐型气溶胶条件下, 折射对辐射传输的影响强于可溶型气溶胶情形; 不同形状气溶胶条件下, 大气折射对辐射传输的影响也存在显著差异; 不同云高条件下, 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响无显著差异, 但随着云光学厚度增大, 大气折射的影响减弱.     

偏振光在非球形气溶胶中传输特性的Monte Carlo仿真

非球形气溶胶是影响辐射传输的重要因素. 系统给出了矢量辐射传输Monte Carlo模型, 并验证了其准确度; 考虑入射光偏振态, 讨论了不同方向漫射光Stokes矢量对气溶胶形状的敏感性; 分析了气溶胶形状、入射光偏振状态对光波退偏振度、透过率及反射率的影响. 模拟仿真结果表明, 对于不同偏振态的入射光, 不同方向的Stokes矢量对气溶胶形状变化的灵敏程度并不一致, 而在天顶角0°方向区域,Q, U及V分量对形状的灵敏程度普遍不高; 气溶胶形状对反射漫射光退偏程度的影响强于透射漫射光, 入射光偏振态不同, 漫射光退偏程度也存在较大差异. 气溶胶形状对光波整体透过率与反射率影响显著, 且该影响随传播距离增大而增大; 入射光偏振态对透过率与反射率影响相对较小, 与自然光相比, 水平偏振光透过率略偏小, 反射率略偏大, 垂直偏振光反之, 圆偏振光与自然光的模拟结果相当.     

水云条件下大气偏振特性研究及其模拟分析

研究了水云光学特性对大气偏振特性的影响,对水云条件下大气偏振模式进行了仿真。使用基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,模拟350~700nm波长下大气偏振特性随水云的光学厚度、有效半径的变化趋势。通过计算450nm波长处不同太阳高度角下的全天空离散点的Stocks矢量,对水云下大气的偏振分布模式进行研究,并与晴朗大气下的天空光偏振度和偏振方位角模式进行分析比对。结果表明,波长越大,偏振度随水云光学厚度增大而减小的趋势越明显。随着有效半径的减小偏振度有一定程度的减小,但对短波波段影响较小。随着太阳高度角的增大,天空可探测区域整体偏振度下降。天空光的偏振度近0区域,会对其附近偏振方位角的准确性产生一定影响。水云天气下的大气偏振分布研究为偏振光导航传感器的实际应用提供了理论基础。     

基于大气中性点的地-气分离方法空基验证探究

偏振遥感是遥感领域的一个新兴对地观测手段,地物反射的偏振效应是偏振遥感进行观测的基础。然而,地物反射具有偏振效应,大气粒子的反射与散射也具有偏振效应,并且大气的偏振效应往往大大强于地物偏振效应。当用偏振遥感器对地表目标进行观测时,大气的强偏振效应会干扰甚至覆盖地物的偏振信息。因此,如何最大限度地消除大气的偏振效应对地物偏振效应的影响是偏振遥感的一个关键性问题。大气中性点是大气中偏振度趋近为零的区域。利用大气中性点进行地-气分离理论的核心思想是将探测器放置于中性点区域进行对地观测,以减弱大气偏振对地物偏振的影响。基于国内首次大气中性点偏振遥感航空飞行实验,通过处理和分析实验所得影像数据,分别得到了中性点位置和非中性点位置影像偏振度分布,发现中性点位置偏振度集中分布区域要明显小于非中性点位置,验证了利用大气中性点进行地-气分离理论的合理性和可行性,提出了利用中性点进行偏振遥感实验所需要的条件,并初步分析出,波长较长的波段更适合于偏振遥感观测。     

气溶胶对天空光偏振分布的影响

研究了气溶胶对大气偏振分布的影响。基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,对不同气溶胶条件下的偏振分布模式进行了仿真。利用图像式测试系统,对实际大气条件的偏振模式进行了测试,分析了气溶胶质量浓度变化对偏振模式的影响。结果表明,偏振度受气溶胶质量浓度的影响较大,随着气溶胶质量浓度的升高,偏振度不断变小。当PM10的质量浓度由27μg/m~3增加到53μg/m~3再增加到103μg/m~3,PM2.5的质量浓度由9μg/m~3增加到28μg/m~3再增加到66μg/m~3时,最大偏振度值平均减小了约25%。气溶胶对偏振方位角几乎没有影响,偏振方位角的分布稳定。     

冰云对天空偏振模式的影响

不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大,为探究冰云大气相关参数（冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等）对天空偏振模式的影响,建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型,利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程,分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响,并通过图像式测试系统,实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明：冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大,对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大,随光学厚度和冰水含量的增大而减小,后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下,大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致,验证了本文方法的有效性,为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。     

基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。     

晴朗天气下满月偏振模式的研究

研究晴朗天气条件下满月天空偏振模式,分析并探索太阳光和月光天空偏振特性的分布规律。对夜间光源进行分析,以Rayleigh散射理论为基础对满月天空偏振模式进行了仿真。利用成像式全天空偏振光测试系统对太阳光、暮光和满月月光的天空偏振模式进行了测试,通过偏振模式中的特殊点——中性点和子午线方向进行对比分析。结果表明:晴朗天气下满月偏振模式与仿真结果基本一致,符合Rayleigh散射理论;暮光偏振模式同时受到月光和太阳光的影响;当太阳高度角和月亮高度角相近时,太阳光和月光分布规律是相似的;光强大小并不改变天空光偏振模式的分布规律和偏振度的大小。     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

Spectral Dependence of Quasi-Rayleigh Polarization Leap of Nonspherical Particles: Polystyrene Beads Application

Solid particles in Earth’s atmosphere, such as polystyrene beads, are an important factor affecting the processes of absorption and scattering of light in the atmosphere. These processes affect on the solar energy transfer in the Earth’s atmosphere, consequently they have influence on the regional and global climate changes and atmospheric visibility. In particular, great interest to study the scattering properties of small particles compared with wavelength, because of such particles experience low gravitational settlement and may have long time of life in the atmosphere. When scattering particle is much smaller than the wavelength of the scattered or absorbed light, this is the case of Rayleigh scattering. Scattering properties of these particles (such as intensity and the degree of linear polarization) at the Rayleigh scattering are simply derived from electromagnetic Maxwell’s equations. But when the particles are large enough to be comparable with the wavelength, the deviations from Rayleigh scattering law are observed. One of the clear manifestations of such deviations is the recently discovered quasi-Rayleigh polarization leap of monodisperse spherical particles. This quasi-Rayleigh polarization leap allows remote sensing of the sizes of distant particles, based on the spectral position of quasi-Rayleigh polarization leap at different phase angles of observation. In this paper, we studied the effect of the non-sphericity of a scattering polystyrene particle on the magnitude and position of the quasi-Rayleigh polarization leap. It is established that the non-sphericity shifts the position of the quasi-Rayleigh polarization leap shorter wavelengths. It is shown that for non-sphericity of particles makes the quasi-Rayleigh polarization leap becomes less pronounced. Moreover, it was found, that increasing of the phase angle and degree of non-sphericity shift the quasi-Rayleigh polarization leap position to shorter wavelength. However, in the case of not very elongated particles, the quasi-Rayleigh polarization leap is quite well manifested. Therefore, this method is suitable for remote sensing not only the size, but also the degree of non-sphericity of the scattering particles. A simple formula has been obtained for polystyrene beads that relates the degree of non-sphericity of a particle with the wavelength and phase angles at which the quasi-Rayleigh polarization leap is observed.     

Maximal degree of polarization for visible light scattered by an aqueous droplet

The maximal degree of polarization (DOP) for the visible solar light scattered by an aqueous droplet at a given scattering angle is found in this paper. Based on the Lorenz-Mie theory, the numerical expression for the DOP of the light scattered by any spherical particle is deduced. For the given scattering angle and aqueous droplet, the DOP dependent on wavelength is calculated according to familiar solar spectral colors. The maximal DOP of each spectral color is exhibited and some analyses are given. This analysis may contribute to applications of indicating atmospheric conditions and polarized light compass navigation.     

大气气溶胶物理光学特性研究进展

大气气溶胶粒子作为地气系统的重要组成成分之一,在紫外、可见到红外很宽的波段内对辐射传输产生影响,一方面通过对电磁波的散射和吸收作用,导致光波的能量衰减;另一方面则把吸收的能量转化为其本身的热能,起到加热大气的作用.这一过程在直接和间接的辐射气候效应的模拟、激光大气传输、高分辨率光谱研究、地基和空基遥感、大气辐射订正、环境监测技术、目标探测和识别、陆上交通和航空航海都有着重要作用.详细阐述了大气气溶胶物理光学特性近年来的研究进展,为气溶胶科学后续研究工作的更好开展提供参考. 关键词： 大气光学 大气气溶胶 物理光学特性 研究进展     

A single-scattering approximation for infrared radiative transfer in limb geometry in the Martian atmosphere

We present a single-scattering approximation for infrared radiative transfer in limb geometry in the Martian atmosphere. It is based on the assumption that the upwelling internal radiation field is dominated by a surface with a uniform brightness temperature. It allows the calculation of the scattering source function for individual aerosol types, mixtures of aerosol types, and mixtures of gas and aerosol. The approximation can be applied in a Curtis-Godson radiative transfer code and is used for operational retrievals from Mars Climate Sounder measurements. Radiance comparisons with a multiple scattering model show good agreement in the mid- and far-infrared although the approximate model tends to underestimate the radiances in realistic conditions of the Martian atmosphere. Relative radiance differences are found to be about 2% in the lowermost atmosphere, increasing to ∼10% in the middle atmosphere of Mars. The increasing differences with altitude are mostly due to the increasing contribution to limb radiance of scattering relative to emission at the colder, higher atmospheric levels. This effect becomes smaller toward longer wavelengths at typical Martian temperatures. The relative radiance differences are expected to produce systematic errors of similar magnitude in retrieved opacity profiles.     

The Role of Aerosols in Light Scattering in the Atmosphere

This paper addresses the important role of how aerosols play in light scattering in the earth’s atmosphere and how their characteristics can be retrieved. It is shown here, by referring to typical aerosol types, that more than a half of the atmospheric light is scattered by aerosols, and the aerosol optical properties can be estimated in terms of the scattering behavior. It is also confirmed that aerosol retrieval can be accurately determined by combining polarization and radiance data.Presented at the 7th International Workshop on Multiple Scattering Lidar/Light Experiments (MUSCLE7), July 21–23 1994, Chiba, Japan.     

沙尘气溶胶粒子群的散射和偏振特性

根据Mie散射理论,以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布,计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2～40μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数,揭示了不同相对湿度时,沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明,沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏,不同相对湿度条件下,变化趋势基本一致;在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大,湿度95%时非常接近于1;大于10μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小,具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小,随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且增大的趋势随着波长的增加而减弱;不同波段上,线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异;在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射;散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区,多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异,且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。     

生物组织多光谱偏振特性研究

生物组织内部结构复杂且具有较强的散射特性,而光作为生物组织检测的重要信息载体,其自身特性包括颜色、幅值、偏振等都对信息获取有较大的影响。结合偏振成像,对生物组织多光谱偏振特性展开了研究,依据不同微粒尺寸的分布建立了均匀单层生物组织模型,结合瑞利和米氏散射理论模拟了基于单个微粒的两种散射事件。瑞利散射具有较好的前向后向散射对称性,米氏散射具有强前向散射特性,两种散射模型都与尺寸参数有着密切的关系,而尺寸参数是一个无因次量,取决于入射波长和散射微粒的尺寸,在生物组织中多以米氏散射为研究模型。使用蒙特卡罗（Monte Carlo MC）方法对400～1 000 nm波段范围内的偏振光在生物组织中的传输特性进行了仿真,模拟了四种典型偏振态（水平线偏振光、垂直线偏振光、45°线偏振光和右旋圆偏振光）在组织中传播时后向散射光偏振态变化与波长的关系,并进行了实验验证,实验光源选用白色LED灯,利用450, 525, 550, 590, 610, 650和690 nm滤光片滤光,由彩色相机记录手掌的偏振图像,其中偏振图像由两组线偏振片和右旋圆偏振片分别作为起偏和检偏器产生。仿真和实验结果均表明,随着波长增加线偏振光经皮肤组织后向散射出射光的偏振度整体呈上升趋势,圆偏振光呈下降趋势,但圆偏振光的偏振度整体上高于线偏振光,这揭示了在生物组织中相同波长的圆偏振光比线偏振光具有更好的偏振保持性,更适合用于探测生物组织的生理信息。相关研究结果明确了圆偏振光和线偏振光在生物组织中传输时的多光谱特性,可为多光谱偏振生理信息获取提供一定的理论支持。     

紫外激光雷达后向散射光强的模拟计算

根据瑞利散射和米散射理论建立了大气散射的模型,确定了米散射和瑞利散射的体角散射系数的计算公式,讨论了大气对激光任意方向的散射强度及散射光的偏振特性。对于波长为266nm的紫外光,通过仿真计算得到相应条件下的大气分子和气溶胶的后向散射系数及后向散射比,并对计算结果进行了分析。结果表明紫外波段具有散射强度大,抗干扰性强等优点,可以用于近距离的大气分子探测。通过对近距离探测大气的脉冲激光雷达的大气后向散射光强的仿真计算,合理的设置小孔光阑的参数,解决近端较强散射光的问题。这些仿真研究对紫外激光雷达系统的设计提供了指导。     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。