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.     

可见近红外波段光谱辐射采集系统的设计与应用

针对目前卫星遥感器进行场地定标的光谱观测仪器的应用需求，设计了可见近红外波段(0.4 μm~1.0 μm)的光谱辐射采集电路系统，并结合光谱辐射采集模块进行了应用与数据分析。重点介绍了线阵探测器的选型与驱动需求，并完成了基于STM32微处理器的设计。结合辐射观测需求，在信号处理部分使用仪表放大器运放对探测器的模拟输出信号进行处理，并采用STM32内部的A/D转换器采集。分析数字信号输出的结果，该辐射测量电路系统的的采集数据达到了1 LSB的数据精度(≤0.8 mV)。探测器电路系统应用到光谱辐射采集模块中，进行了户外应用与数据分析，光谱辐照度比对结果的偏差小于5%。光谱辐照度的比对结果证明整个系统可以直接进行产品应用，满足野外辐射测量数据的可靠性获取。     

可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究

利用太阳光谱辐射计进行了可见到近红外波段整层大气连续光谱透过率的测量研究.在对太阳辐射计可靠定标的条件下,通过测量太阳直射光谱,运用Langley方法推算到达大气层顶的太阳辐射,最终获得了该波段范围内的连续大气光谱透过率及特殊波长上的透过率的实际变化情况.通过分析晴天无云大气条件下不同时间、不同气溶胶含量、不同季节、不同气溶胶模式下的大气透过率特征,初步获得了其变化规律,为大气层外目标探测提供了一些基础.     

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN40模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。     

可见-近红外波段太阳光谱辐照度仪的辐射定标方法研究

为了满足可见-近红外波段太阳光谱的高精度观测需求,对使用细分光谱技术进行太阳直射辐射观测的新型太阳光谱辐照度仪,开展了辐射定标方法的研究。使用光谱辐照度标准灯在400 nm～1 050 nm光谱范围内对仪器进行相对定标,对满足比尔-朗伯定理的波段采用Langley法进行绝对定标,在整个光谱范围内将辐射基准溯源到大气层顶的太阳光谱辐照度。在甘肃敦煌和安徽合肥两地进行了室外比对实验,仪器观测结果和MODTRAN4.0模型的理论模拟结果一致,和CE318的4个气溶胶观测通道的结果偏差在5%以内,验证了该定标方法的合理性。     

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。     

近红外通道辐射测量误差对水体大气校正的影响

一类水体的标准大气校正算法利用两个近红外通道(748和869 nm)的辐射比值选择气溶胶模型,然后外推估算各波长的气溶胶贡献,实现离水反射率的反演。两个近红外通道的辐射探测值的不确定性会直接影响反演精度。从数学形式上研究近红外通道测量误差在大气校正中的传递机制,通过敏感性试验分析不同光学厚度和气溶胶模型条件下离水反射率的反演误差分布。结果表明,两个近红外通道的测量误差组合情况对反演结果精度影响程度不同,同号时误差较小,异号时误差较大;气溶胶模型中的细粒子组分越多,反演的误差越大;光学厚度越大,反演误差也越大。     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

不同地域大气对中远红外辐射传输的影响

在分析实际大气环境参数的差异和目标-背景辐射强度的基础上,利用MODTRAN模式分析了东海、西北区域3.9μm和9.2μm波段的大气透射率和目标背景对比度的逐月分布特征;为了分析实际大气、气溶胶效应对目标-背景辐射传输的综合影响,结合局部地区月平均环境参数进一步探讨了上述两个区域内气溶胶对3.9μm和9.2μm波段的大气透射率和目标背景对比度分布的影响。结果表明,大气温度、水汽混合比等参数对大气透射率和目标背景对比度有影响,东海区域目标背景对比度比西北区域的小;3.9μm处两区域的目标背景对比度不仅比9.2μm处的小,而且受到气溶胶的衰减作用比9.2μm处的强,因此在目标识别中应优先考虑使用9.2μm作为工作波段。     

可见与近红外波段光纤吸收的实验研究

对可见光和近红外波段内光纤的损耗进行了实验研究。采用光纤截断法对多色光在光纤传输过程的损耗进行了实验测量,得到了光纤在可见光波段内吸收系数对波长的变化关系。对在500nm到1000nm的波段内存在的多处光纤吸收峰值给出了相应的解释。     

可见与近红外波段光纤吸收的实验研究

对可见光和近红外波段内光纤的损耗进行了实验研究。采用光纤截断法对多色光在光纤传输过程的损耗进行了实验测量,得到了光纤在可见光波段内吸收系数对波长的变化关系。对在500nm到1000nm的波段内存在的多处光纤吸收峰值给出了相应的解释。     

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。     

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0.50～0.68 μm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。     

大气传输特性对目标与背景红外辐射特性的影响

本文对影响大气红外辐射透过率和大气自身的红外辐射因素及计算方法进行了讨论，利用大气传输特性分析软件－LOWTRAN7分析计算了大气红外辐射的透过率和大气自身的红外辐射，并讨论了大气辐射与吸收对目标与背景红外辐射特性的影响，对利用理论模型得到的目标与背景红外辐射图像进行了修正，获得了比较接近实际的红外模拟热图像。     

紫外到可见波段外混合气溶胶的传输特性

基于随机介质中波的辐射传输理论,采用蒙特卡罗法,数值模拟了满足对数正态分布的水溶性气溶胶和烟尘气溶胶组成的多分散系外混合城市气溶胶的消光系数。与文献数据进行了对比,验证了采用离散组分抽样的蒙特卡罗模拟方法的正确性。分析了外混合气溶胶中透射率和反射率随入射波波长、入射角余弦及光学厚度的变化关系。比较了不同混合比下外混合气溶胶的传输特性。数值计算结果表明,波长的减小将导致外混合气溶胶的透射率降低反射率升高。同时,外混合气溶胶总体表现出的传输特性与组分间存在十分敏感的关系。     

大气辐射传输模型的比较研究

讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制,用辐射传输定律作了数值检验,并与实验测量资料作了比较。结果表明,氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值吻合,氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。     

大气辐射传输模型的比较研究

 讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制，用辐射传输定律作了数值检验，并与实验测量资料作了比较。结果表明，氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值吻合，氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。     

大气对激光传输的影响

本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。并建立了大气传输系统的传递函数模型。最后通过LOWTRAN模拟软件包对本文所得的模型进行评估。     

基于垂直层叠结构的可见/近红外双波段传感器研究

提出了基于垂直层叠结构的双波段传感器,该结构为同时对可见波段和近红外波段进行成像提供了可能。它的基本原理是利用不同波长的光在硅材料中穿透深度的非线性分布,即:短波长的可见光主要在表面被吸收,长波长的近红外光则主要在更深的位置被吸收。通过垂直层叠结构,抽取不同深度的光生载流子,即可以得到相应波段的成像信息。数值仿真分析表明,结构参量为D1=2μm,D2=18μm的结构能在400~1200 nm波长范围得到响应峰值波长为550 nm和1000 nm的最佳可见/近红外响应。     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。