利用地基红外高光谱发射率数据进行云参数反演(2): 云滴有效半径和云水路径反演

云滴有效半径和云水路径等微物理参数是了解云的形成过程、辐射效应以及云、气溶胶和降水相互作用等问题的重要数据。利用地基红外高光谱辐射数据开展了云微物理参数反演方法研究。针对光谱数据的特点,进行了基于云层发射率光谱和辐射光谱的敏感性分析,在此基础上建立了云微物理参数与云发射率光谱差值和斜率等特征参数有关的查找表关系。具体特征参数包括：热红外波段862.1和934.9 cm-1的云层发射率之差、中红外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云层发射率之差、热红外波段900～1 000 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率、1 100～1 200 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率等。研究了臭氧波段云层透过率的计算方法及对查找关系的约束性,选择了1 050～1 060 cm-1区间的云层透过率平均值作为约束特征参数。实现了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半径和光学厚度,并可通过经验关系计算云水路径。研究表明,该算法得到的水云的云滴有效半径与ARM计划中的MICROBASE产品基本相当,冰云的云滴有效半径相对偏小,两者的云水路径反演结果差异较大。该反演算法较适合于光学厚度小于6的薄云。     

应用单波段亮度变化率获取无云干扰的卫星数据

在卫星遥感检测中,云对数据的反演带来了严重的干扰。精确地确定云区及减弱云的干扰是具有挑战性的问题。根据云的大气辐射特性给出了卫星图像亮度变化率计算公式、图像反射率的变化率计算公式和热红外波段图像亮度温度变化率的计算方法。利用单波段亮度变化率检测卫星数据中云干扰相对强度的新方法,快速、精确地获取云区位置,得到云区以外无云干扰的数据。根据各光谱波段具有不同的透射云层能力的特点,文章还给出了卫星各红外波段对云层透射能力的客观评价以及影响透射效果的因素。在此基础上利用红外波段对伪卷云透射图像数据完成了多波段数据融合。很好地恢复了可见光波段云区下面的真实数据。统计数据表明,融合后的云区图像数据与可见光波段相关性保持一致。     

黑体红外波段辐射亮度响应的通用公式

以红外测温技术为背景,着重研究了f(T)=∫■R_λL_(bλ)(T)dλ≈CT~n模型,即某段波长范围内,黑体辐射在探测器上引起的响应,称其为黑体波段辐射亮度响应。对于不同的探测器,不同的波长区间,不同的温度范围,有不同的C及n。n值难以准确获取,多数研究者试验时使用Inagaki及Okamoto在1996年提出的三个固定波段模型,不能很好的扩展到任意波段的探测器。通过使用"维恩近似公式"代替普朗克公式,从理论上推导出f(T)的解析式,得到了黑体波段辐射亮度响应的通用公式,从而能够通过理论计算的方式,求取任意波段内黑体波段辐射亮度响应f(T)。使用黑体波段辐射亮度响应的通用公式进行了两项仿真工作。一是将通用公式在全波段内进行积分,得到解析式M_(bb)=5.238 5×10~(-8)T~4,并与斯蒂芬玻尔兹曼定律对比。通用公式求得的系数σ′=5.238 5×10~(-8)与斯蒂芬玻尔兹曼常数σ=5.667 9×10~(-8)差值为0.429 4×10~(-8)。二是使用通用公式计算出8～13μm波段内黑体波段辐射亮度响应f(T),并绘图与Inagaki及Okamoto文章中的拟合结果f(T)≈0.136σT~(4.09)进行对比,结果曲线基本一致。两项仿真说明了通用公式的正确性,在此基础上,进一步进行实验验证。以实验室内面源辐射体为目标,根据所提出的通用公式,计算被测目标的发射率ε,并将之与目标发射率参考值ε_0对比。面源辐射体实验结果:■为参考值,■为测量值,发射率误差为0.01。实验误差较小,说明所提出的通用公式可用于红外测温的工程实践中。通用公式与原模型f(T)≈CT~n相比,最大的优势在于可以在任意波段内,不需考虑温度分区,通过理论计算的方式,求取黑体波段辐射亮度响应f(T),具有通用性。黑体波段辐射亮度响应的通用公式进一步完善了红外测温技术的基础理论。     

定量化红外遥感应用的高精度水浴黑体

辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术之一。根据定量化红外遥感应用的需求,研制了高精度水浴黑体辐射源,并应用均匀镜-漫反射模型法对其发射率进行了计算。提出了基于绝对低温辐射计的常温黑体定标方法。性能测试结果表明,该黑体辐射源可用于遥感探测器中的红外辐射定标。     

基于图像的飞行器红外辐射特性测量

通过将目标在一定波段内的红外辐射等效为红外成像系统前一定距离下黑体在对应波段内的红外辐射,建立了等效辐射方程。根据黑体辐射定标实验数据,利用非线性回归方法确定了在不同的积分时间条件下红外凝视成像系统输出红外图像的灰度值与在一定距离下的黑体温度之间的定量关系,建立了辐射定标方程。在Visual C++6.0平台下,在对红外目标图像进行SUSAN滤波等预处理后,分析了已知目标距离的红外图像的灰度均值。首先根据辐射定标方程计算出目标等效为黑体的温度,然后利用等效辐射方程反推目标的红外辐射强度,以达到根据跟踪的红外图像确定红外目标辐射特性的目的。此项研究不仅可以为目标识别提供目标分类、识别和辨认所必需的光谱数据库,而且还可以为红外预警提供重要的参考数据。     

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。     

无云地球大气背景辐射光谱亮度的计算模型

根据辐射的叠加性,提出了一种用于卫星遥感无云地球大气背景辐射强度计算的理论模型。在利用该模型对晴朗无云地球大气背景的光谱辐射亮度进行计算时,使用迭代法解辐射传输方程并对大气采用动态分层。模型计算的结果与法国6S软件计算结果的对比表明：该模型以及计算方法对于无云地球大气背景向上的辐射亮度计算是精确可行的。且计算结果说明在可见光波段地球大气背景的辐射是很强的,而在红外强吸收波段,地-气系统的辐射很弱,主要来自大气的后向散射。     

地基红外辐射测量系统联合辐射定标法

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。     

复杂气象条件下机载中波红外系统对地目标探测识别仿真与运用研究

针对3～5μm机载中波红外系统复杂气象条件下对地目标探测识别问题,在理论研究的基础上,采用PcModWin大气仿真软件,进行了清洁大气、雾、云、雨等气象条件下的模拟仿真实验,分析了不同气象条件下不同距离范围内该波段红外辐射透过率分布曲线和峰值参数的变化规律,结合大气分子学理论,证明了探测角度、大气能见度、雾型、云层类型、降雨(雪)强度等,都是影响该波段机载红外系统对地目标探测识别效果的重要因素,提出了工程运用中应当采取的策略方法。研究结果对后续工程试验和运用实践具有指导作用,可提高该波段机载红外系统的应用效果。     

应用被动傅里叶变换红外光谱技术探测生物气溶胶研究

从红外遥感辐射传输理论出发,利用二流近似方法,建立了包含散射影响的生物气溶胶被动红外探测模型;从理论上阐明了气溶胶对四周辐射的散射对生物气溶胶被动红外探测的影响。以某微生物孢子气溶胶为对象开展探测原理试验,研究了生物气溶胶红外光谱特性。给出了生物气溶胶室内吸收池试验结果,用辐射传输模型解释了试验现象。通过试验验证了探测模型的合理性、有效性;结合探测模型和室内试验结果,也可为外场试验的开展提供参考。     

Numerical calculation of apparent IR radiation of cloud

The infrared detection has been one of important approaches for aerial target detection, but the existence of clouds in the sky makes target detection difficult, so it is of great significance to research the features of infrared radiation of clouds. Combining Mie scattering theory, the calculation model of infrared radiation on the cloud appearance was put forward and this model mainly considered two parts including direct and scattering radiation. The calculation methods of direct radiation, primary scattering and multiple scattering were discussed in detail to put forward the specific methods for numerical computation. Based on the calculation model, cumulus was taken as the example to calculate its radiation of wave band of long-wave infrared and analyze its radiation characters. The calculation results showed that: both perpendicular incidence and scattering could make great contributions to apparent radiation of cloud and could not be ignored; as for the distribution of direction angles, the radiation of clouds decreased with increase of direction angles as a whole; in the aspect of spectrum distribution, spectral radiance feature of the clouds was complicated function of wave length. Finally, the calculation results were verified using clouds imaging experiment of which the result also effectively proved the correctness of the calculation model.     

A Monte Carlo method for 3D thermal infrared radiative transfer

A 3D Monte Carlo model for specific application to the broadband thermal radiative transfer has been developed in which the emissivities for gases and cloud particles are parameterized by using a single cubic element as the building block in 3D space. For spectral integration in the thermal infrared, the correlated k-distribution method has been used for the sorting of gaseous absorption lines in multiple-scattering atmospheres involving 3D clouds. To check the Monte-Carlo simulation, we compare a variety of 1D broadband atmospheric fluxes and heating rates to those computed from the conventional plane-parallel (PP) model and demonstrate excellent agreement between the two. Comparisons of the Monte Carlo results for broadband thermal cooling rates in 3D clouds to those computed from the delta-diffusion approximation for 3D radiative transfer and the independent pixel-by-pixel approximation are subsequently carried out to understand the relative merits of these approaches.     

污染云团红外辐射传输模型与红外光谱的计算机仿真

针对建立的三层结构污染云团红外辐射传输模型,采用实测场地背景和各种干扰物辐射光谱作为基本的辐射数据,对不同浓度的污染云团红外辐射光谱进行仿真.结果表明:利用实测场地背景辐射光谱和该模型仿真污染云团DMMP红外光谱,光谱在810 cm-1,920 cm-1和1 040 cm-1波段上有明显的特征峰.当模型考虑干扰物和背景辐射的变化影响时,污染云团在810 cm-1,920 cm-1和1 040 cm-1波段上的光谱特征明显减弱.仿真光谱与场地实测光谱有比较好的符合,两者的RMS误差约为1.0.     

不同非均匀性校正温度的红外测温技术

为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度,研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正,然后对黑体目标进行测温实验,获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系,建立了目标的测温数学计算模型,最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下,热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理,且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于±0.22 ℃,极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。     

Radiative transfer calculations through an aerosol cloud

A radiative transfer calculation of the EM radiation through an aerosol cloud is presented. The effects taken into account are elastic and inelastic scattering of the incident radiation and self-emission by the aerosol cloud. The elastic scattering effects include multiple scattering of the incident photons. We describe the model and calculational procedure based on the multiple scattering approach. The results of the present model are compared with other models for the two given aerosol clouds.     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

卷云短波红外辐射特性

 采用离散纵标法耦合大气分子吸收,模拟计算了卷云大气的反射特性。研究了在短波波段卷云辐射性质随波长、卷云光学厚度、卷云有效尺度、云高和卷云中冰晶粒子形状等的变化关系,分析了卷云对大气红外背景辐射的影响。结果表明：在2.7 μm的水汽强吸收带上,卷云的出现明显增强了该波段的大气背景辐射,反射率随光学厚度和云高增大而增大。