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.     

低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究

为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式,自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART,并将其运用于漫射光偏振特性仿真.在模式中,基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解.将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较,验证了模型的准确性.在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下,模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征,讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响.结果表明,低太阳高度角条件下,随着波长增加,瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强,中性点向大天顶角方向移动;气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征,但对偏振方向影响显著,随着光学厚度的增加,天空偏振度值迅速降低;中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关;大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域;瑞利散射大气条件下,随着波长增加,大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱,特别在中性点附近及天顶区域,其影响逐步消失;随着气溶胶光学厚度的增加,其影响随之增强.     

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.     

气溶胶空间非均匀性对近红外辐射传输的影响分析

为了解气溶胶空间非均匀性对近红外辐射传输过程的影响,构造了典型非均匀气溶胶场,采用辐射传输模式球谐离散坐标法(SHDOM)模拟了对应情形下的漫射光强、偏振特性以及辐射通量密度,定量分析了将非均匀气溶胶场等效为均匀场造成的模拟误差。研究结果表明,气溶胶非均匀场对辐射传输过程影响显著,且它对漫射光偏振辐亮度的影响大于它对辐亮度的影响,其中气溶胶空间非均匀性造成的辐亮度及偏振辐亮度模拟误差分别可达9.8%和80%。气溶胶水平非均匀性主要影响漫射光辐亮度及偏振辐亮度模拟误差的空间分布特征,垂直不均匀性基本不改变漫射光模拟误差的空间分布特征,但它对辐射传输过程的影响明显大于水平不均匀性。随着气溶胶浓度的增加,气溶胶非均匀性造成的模拟误差整体降低。从量级上,气溶胶空间非均匀性对辐射通量密度的影响明显弱于漫射光辐亮度和偏振辐亮度,多数情形下,其模拟误差小于5%,且该误差随高度的变化呈特定分布特征。可为平面平行大气辐射传输模式适用范围的确定,气溶胶空间非均匀性导致的遥感误差的评估提供一定参考。     

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。     

海洋-大气耦合矢量辐射传输粗糙海面模型

详细导出了粗糙海面的反射矩阵、透射矩阵和源函数矢量计算模型,并应用于海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型PCOART。在此基础上,分别利用粗糙海面瑞利大气矢量辐射传输问题和海洋-大气耦合辐射传输问题对粗糙海面模型进行了验证,结果表明,模型计算得到的粗糙海面大气瑞利散射斯托克斯矢量是精确的,且瑞利散射辐亮度计算相对误差小于0.5%。粗糙海面海洋-大气耦合辐射传输问题验证结果表明该粗糙海面计算模型是精确的。相对已有的标量粗糙海面海洋-大气耦合辐射传输模型,该模型不仅可以获得整个海洋-大气耦合系统的辐亮度场,而且可以获得辐射斯托克斯矢量场。     

海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算

瑞利散射计算精度对海洋水色遥感大气校正的精度起着关键作用,为了提高瑞利散射的计算精度,需要求解平行分层大气矢量辐射传输方程。详细地推导了加倍法解大气矢量辐射传输方程的基本关系式,并阐述了利用加倍法解矢量辐射传输方程的原理。通过与海视宽视场遥感器(SeaWiFS)精确瑞利散射查找表计算结果的比较,证明利用加倍法计算瑞利散射的精度优于0．5％,完全能够满足海洋水色遥感大气校正对瑞利散射计算精度的要求,并可以用来生成海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射查找表。最后,利用开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包,生成了海洋水色及水温扫描仪的精确瑞利散射查找表。开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包可直接用于我国第二代高性能海洋水色遥感器精确瑞利散射查找表的生成。     

大气模式与气溶胶模型对辐射传输计算的影响

大气模式与气溶胶模型选择是影响定量遥感应用的辐射传输计算的重要因素。人们一般凭感性认识去进行选择,有一定随意性,对其带来的影响程度关注甚少。以太阳辐射计测量为依据,对大气模式与气溶胶模型选择方法作了研究,并利用经辐射定标过的光谱辐射计地面测量对辐射传输计算精度进行了验证。在昆明进行的试验表明,在0.50~0.68μm范围内,选择中纬度冬季大气模式和大陆型气溶胶,经辐射传输计算后得到的光谱辐射亮度与光谱辐射计测量结果一致性很好,差别在3.3%以内;变换大气模式对辐射传输计算产生明显影响,差别达10%左右;选择不同的气溶胶模型对辐射传输计算影响也很大,差别达11%左右。基于辐射计测量的大气模式与气溶胶模型选择避免了主观选择的不可靠性,有益于减少辐射传输计算或卫星遥感大气订正的误差。     

曝光时间对上行传输光束强度起伏的影响

上行传输光束的闪烁起伏影响星地激光链路的稳定性,而利用时间平滑效应,增加光电探测器曝光时间是克服大气闪烁的有效途径之一。考虑曝光时间的平滑效应,分别导出了小天顶角和大天顶角下的时间平滑因子表达式,在此基础上,分析了接收终端离地高度和天顶角对时间平滑效应的影响。研究结果表明,随着曝光时间的增大,上行传输光束的闪烁强度显著降低;随着接收终端离地高度和天顶角的增大,大气闪烁时间平滑作用降低。     

高功率激光在非均匀大气中传输的自聚焦效应研究进展

地基激光空间碎片清除和利用激光辐射把转换的太阳能从空间轨道输运到地面等应用中,不可避免地遇到高功率激光在非均匀大气中的传输问题。由于激光功率已远远超过大气非线性自聚焦临界功率,大气自聚焦效应是影响光束质量的一个重要物理因素。概述了近年来国内外高功率激光在非均匀大气中上行或下行传输的自聚焦效应研究进展,主要介绍了高功率激光在非均匀大气中的传输模型、理论基础、数值和解析研究方法,着重介绍了自聚焦效应对激光传输特性和光束质量的影响,并总结了优化靶面光束质量的方案。此外,还介绍了大气群速度色散效应和大气湍流效应等物理因素对激光光束质量的影响。最后,还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题。     

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。     

基于MAX-DOAS观测大气Ring效应的气溶胶消光廓线反演

Ring效应指大气中O2和N2分子对太阳光的转动拉曼散射导致太阳夫朗禾费线变浅(被填充)的现象。气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质,进而影响散射次数和转动拉曼散射几率,所以可以通过观测Ring效应强度获取气溶胶信息。研究了一种利用地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪器观测反演气溶胶信息的新方法,基于MAX-DOAS仪器在晴朗天气下对大气Ring效应进行观测,结合Mc Artim大气辐射传输模型可以获取气溶胶消光廓线。将MAX-DOAS反演气溶胶光学厚度结果和太阳光度计观测结果进行了对比,一致性较好。研究结果表明,基于地基MAX-DOAS观测大气Ring效应反演气溶胶消光廓线是可行的。     

大气中目标背景对比度及其影响因素的数值分析

 从辐射传输理论出发，利用离散纵标法软件包（DISORT），计算了典型大气条件下0.55μm波长的目标背景对比度，分析了观察者的天顶角和方位角、水平能见度、垂直高度、太阳的天顶角和方位角以及气溶胶单次散射反照率对目标背景对比度的影响。结果表明：目标背景对比度随着观察者天顶角余弦的增加而增加；随着太阳天顶角余弦的增加而减小；随着观察者和太阳方位角差的增加而增加；随着高度的增加而减小；随着水平能见度的增加而增加；随着单次散射反照率的增加而减小。     

可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式

 建立了一种根据实测的气溶胶尺度谱分布(Junge指数)、地面能见度、相对湿度和气溶胶衰减廓线计算空间任意两点的气溶胶衰减计算模式,光谱波段范围覆盖了从可见光到远红外(1~25 000 cm^-1)。利用该气溶胶模式及国际上流行软件MODTRAN中的气溶胶模式同时和光栅太阳辐射计(pgs100)实测气溶胶衰减进行了对比,这种模式与MODTRAN相比,因考虑了气溶胶的实际尺度谱分布和高度分布,计算结果更接近实测值。利用所建立的气溶胶模式还分析了气溶胶衰减受各参数的影响,结果表明：气溶胶衰减受各参数影响较大,说明实测气溶胶参数在计算气溶胶衰减中起重要作用。将此气溶胶模式嵌入到我们自己研制的通用大气辐射传输软件CART中进行大气透过率和大气辐射传输的计算,有助于提高计算精度和增强功能。     

成都地区太阳紫外辐射光谱的观测与分析

利用紫外CCD光学多道分析器,对成都地区2006年3月至7月UVA和UVB波段太阳紫外辐射光谱进行了观测,对这一地区紫外辐射的基本特征进行了统计分析。分析表明：太阳紫外辐射在一天内早晚小,中午大,一年中6月份达到最强,与太阳天顶角的变化密切相关; UVB辐射积分通量远小于UVA辐射积分通量,其比值一般小于0.04,在天气晴好时下午大于上午; 雾能导致UVB辐射积分通量与UVA辐射积分通量的比值增大,其原因是雾对UVA辐射衰减强于对UVB辐射衰减; 云对太阳紫外辐射存在异常吸收。     

基于MAX-DOAS观测大气Ring效应的气溶胶光学参数反演

Ring效应是指大气分子对太阳光的转动拉曼散射致使太阳光中夫琅禾费线变浅的现象。气溶胶能够改变光子在大气中的路径和大气散射性质,最终影响夫琅禾费线的填充程度,因此可以通过观测Ring效应强度获取气溶胶信息。分析了Ring效应对气溶胶光学参量(气溶胶光学厚度、单次散射反照率、非对称因子等)的敏感性,发展了一种结合大气辐射传输模型并利用地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪器观测的Ring效应获取气溶胶光学特性的新方法。将MAX-DOAS反演结果和太阳光度计的观测结果进行了对比,两者一致性较好。研究表明,基于地基MAX-DOAS观测的Ring效应可以实现气溶胶光学特性的探测。     

考虑地表反射类型的气溶胶散射偏振特性

采用逐次阶散射法求解矢量辐射传输方程来研究气溶胶在不同地表反射模型下的散射偏振特性.首先,选取单一地表反射模型和耦合地表反射模型两种地表反射模型.然后,根据地表反射模型计算得到相应的地表反射率,进而采用逐次阶散射法对矢量辐射传输方程进行求解,得到散射光的Stokes矢量.最后,由Stokes矢量计算得出散射光的偏振度.仿真结果表明,两种地表反射模型下气溶胶单次散射的散射辐射强度和线偏振度均相等;耦合地表反射模型的总散射辐射强度和线偏振度总是大于单一地表反射模型;单一地表反射模型的气溶胶单次散射相对总散射的贡献总是大于耦合地表反射模型.研究结果对气溶胶光学特性的反演具有一定意义.     

基于航空偏振相机的海上气溶胶光学特性反演与验证

采用基于逐次散射法的矢量辐射传输模型,通过求解矢量辐射传输方程,分析了影响海面上空气溶胶光学参数反演的主要因素。根据海洋大气气溶胶模型,通过构建多参数的反射率和偏振反射率查找表,给出了用于海上气溶胶光学参数反演的查找表迭代查找法。利用自主研制的多角度航空偏振相机在渤海湾上空航拍的偏振辐射数据,反演获得了该海域550nm波段的气溶胶光学厚度和ngstrm波长指数,其均值分别为0.441和1.15。通过与布置在京津塘周边的多个地基CE318太阳辐射计同步观测数据进行的对比校验发现,两者间具有很好的一致性,说明反演方法针对海天背景的实际问题的考虑和处理过程切实可行。     

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     

基于MIMO的无人机斜程激光通信性能分析北大核心CSCD

研究了大气湍流信道下无人机“空-地”斜程激光通信的下行链路单输入多输出(single input multiple output, SIMO)和上行链路多输入单输出(multiple input single output, MISO)技术。基于双伽马(Gamma-Gamma)分布的大气湍流模型,利用Meijer函数推导了大气湍流和指向误差联合影响下的SIMO下行链路误码率闭合表达式;利用α-μ分布建立了Gamma-Gamma湍流模型的MISO上行链路误码率性能近似表达式。系统研究了天线数、天顶角和指向误差对系统的影响,研究结果表明,空间分集技术可以有效改善系统的误码率性能,当束散角为500μrad、下行链路接收器和上行链路发射器为3时就可以得到超过10 dB的性能优化;天顶角对“空-地”斜程激光通信误码率性能影响显著,要达到系统误码率10-6的性能要求,天顶角需控制在30°左右的较小范围内。