辐射在大气中的传输

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电成像原理,*,第四章,辐射在大气中的传输,10/8/2024,1,光电成像原理,4 辐射在大气中的传输,各种图像探测器接收的信号都是以大气作为传输媒介的电磁波。而大气本身对辐射有,折射、吸收和散射,等作用，将造成辐射能量的衰减，即大气的传输特性直接影响图像探测器的探测效果，很多技术指标的制定都与一定的大气条件相对应。,10/8/2024,2,光电成像原理,一、大气层结构,根据大气的温度、成分、电离状态和其他物理性质在垂直方向将大气划分成若干层次：,4.1 大气的构成,对流层集中了约80%的大气质量和90%以上的水汽。对流层温度变化较大。,平流层集中了约20%的大气质量，水汽非常少，臭氧含量非常丰富。,光电成像系统基本上工作在,对流层,或,平流层下部,(20-25)。,平流层,平流层顶,中间层,中间层顶,热成层,对流层,对流层顶,T/K,z/km,20,100,60,10/8/2024,3,光电成像原理,4.1 大气的构成,二、大气的组成,大气,是混合物，由多种元素和化合物混合而成，可分为干洁大气、水蒸气以及其他悬浮的固体和液体粒子。,1.干洁大气,干洁大气,是指不含水蒸汽和气溶胶粒子的大气。分为：,常定成分：,在大气中的含量随时间、地点变化很小。主要有氮、氧、氦、氢、氖、氩、氪和氙等，占据了绝大部分干洁空气的体积。,10/8/2024,4,光电成像原理,4.1 大气的构成,可变成分：,在大气中的含量随时间、地点的改变而变化。主要有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭氧、氨、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等，这些气体所占体积很小，但是对辐射的吸收和散射贡献大。,2.水蒸气,由大气层结构可知：,大气不干燥，含有水蒸气，并且水蒸气的含量随地理位置、温度、季节及气层高度而变化。水蒸气主要集中在4km以下的气层中，在14km以上的气层中，其含量变化很小。,水蒸气对辐射衰减非常严重，是光电成像系统设计、分析和使用中,必须重点考虑的因素,。,10/8/2024,5,光电成像原理,4.1 大气的构成,描述大气中水蒸气含量的方法：,水蒸气分压强,e,v,，单位是标准大气压（,atm,）或毫巴（,mb,，,1mb=100Pa,）；,体积比浓度，单位是,%,；,混合比或质量密度比,单位质量空气中所包含的水蒸气质量，单位是,g/kg,；,绝对湿度,H,单位体积空气中所含水蒸气的质量，单位是,g/m,3,；,饱和水蒸气含量,一定温度下,单位体积空气中所含有的水蒸气质量的最大值，只与温度有关；,(,露点温度表示湿度,-,露点与气温的差值表示大气中水汽距离饱和的程度。,),10/8/2024,6,光电成像原理,4.1 大气的构成,相对湿度,H,r,单位体积空气中所含水蒸气的质量与同温度下饱和水蒸气质量分数,H,a,之比，以百分数表示。,绝对湿度H与水蒸气压强e,v,的关系是：,如果相对湿度Hr=100%，对应的水蒸气压强称为,饱和水蒸气压强,：,10/8/2024,7,光电成像原理,4.1 大气的构成,3.气溶胶粒子,气溶胶粒子,是分散在气体中的固体微粒(半径小于几十微米)或液态粒子(,图4-2不同成分的尺寸,)的,悬浮体系,。,大气气溶胶粒子浓度,由于重力原因随高度按指数衰减，在对流层的这种变化趋势为：,其中，N是粒子浓度，z为高度，h,0,是与气候和地区有关的特征高度，见表4-2(不同能见度条件下)。,气溶胶粒子对光波将,产生散射,，并且不同尺度的粒子对不同波长的光波散射也不一样。气溶胶粒子尺度的分布决定了光波的散射。,10/8/2024,8,光电成像原理,4.1 大气的构成,目前，普遍采用,广义伽马分布,来描述气溶胶粒子尺度分布的成因：,式中，r是粒子半径，n(r)是半径r处单位半径间隔内气溶胶粒子浓度，a、b、c、d是拟合参数，选择不同的拟合参数分别描述雨、雾、云等粒子的尺度分布和宏观的光学特性。,三、大气模式,10/8/2024,9,光电成像原理,4.1 大气的构成,大气的成分随地理位置、季节和温度有很大变化，这些变化对大气的光学性质有明显影响，局部区域大气成分只沿高度方向变化。,描述大气特征的主要参数：,气压、温度、温度递减率和密度等的地面值及它们的高度轮廓。并且这些参数复杂多变。,1.标准大气,标准大气的定义：,能够粗略地反映周年、中纬度状况的，得到国际上承认的假想大气温度、压力和密度的垂直分布。,所定义的标准大气多年作一次修正。,使用1976年美国标准大气30km以下作为国家标准。,10/8/2024,10,光电成像原理,4.1 大气的构成,标准大气的典型用途：,用作压力高度计校准，飞机性能计算，飞机和火箭设计，弹道制表和气象制图的基础，假定空气服从使温度、压力和密度与位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程。,2.分析模式,气压、密度和温度等参数,随几何高度的分布可按照以下几种分析模式进行拟合：p93,等密度模式，式,(4-6),；,等温模式，式,(4-7),；,多元模式，式,(4-8),。,10/8/2024,11,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,大气,是混合物，由多种元素和化合物混合而成，是复杂的光学介质。,辐射在其中传输时将产生折射、吸收和散射等现象，从而导致辐射能量的衰减，影响光电成像系统对目标的探测。大气遥感,10/8/2024,12,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,一、大气消光,大气消光：,大气对辐射能量折射、吸收和散射等衰减作用称为消光。,大气消光的基本特点：,在干洁大气中，大气消光决定于,空气密度,和辐射通过的,大气层厚度,；,大气中有气溶胶粒子时，其消光作用增强；,在地面基本观测不到波长小于,0.3um,以下的短波紫外辐射；,地面观测到的太阳光谱辐射中有明显的气体吸收带结构。,10/8/2024,13,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,大气的消光作用主要,由大气中各种,气体成分,及,气溶胶粒子,对辐射的,吸收和散射,造成。,辐射在大气中传输时与气体成分和气溶胶粒子相互作用，原子或分子发生极化并依从入射光频率做强迫振动，从而发生能量交换：,（1）辐射能转换为原子或分子的次波辐射能。,均匀介质,中次波叠加的结果沿折射方向传播，无消光现象；,不均匀介质,中的不均匀质点破坏次波的相干性，各方向出现散射光，原方向,辐射能减少但无能量交换,。,（2）辐射能转换为原子或分子碰撞的平动能热能。入射辐射频率等于共振子固有频率时发生共振，入射辐射被吸收为热能，原方向,辐射能减少并有能量交换,。,10/8/2024,14,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,二、波盖耳定律,波盖耳定律：,辐射通过介质的消光作用与入射辐射能量、衰减介质密度和所经过的路径成正比：,上式的解即为,辐射衰减规律,：,如果介质是均匀的光学介质，即(s)=，k(,s)=k()，则由上式得到简化的波盖耳定律：,10/8/2024,15,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,引入,大气光谱透射比,描述辐射通过大气时的透射性质，定义为：,如果是某一波段内的大气透射性质，定义平均透射比:,大气不同成分与不同物理过程造成的消光效应具有,线性叠加性,，总消光特征量是各分量之和：,10/8/2024,16,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,此时，总透射比是各单项透射比之积：,并且各单项透射比可进一步分解为各大气成分的透射比。,波盖耳定律使用的,注意事项,：,假定消光系数与辐射强度、吸收介质浓度无关；不考虑的功率密度阈值：,10,7,W/cm,2,。,10/8/2024,17,光电成像原理,4.2 大气消光和大气窗口,三、大气窗口,光电成像系统常用的大气窗口有：,可见光；,近红外，,0.761.1um,；,短波红外，,12um,；,中红外，,35um,；,远红外，,814um,。,假定粒子之间彼此独立地散射电磁波，不考虑多次散射的影响。,10/8/2024,18,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,一、大气的吸收,大气吸收的精确计算方法：,线形法和吸收带法。,1.线形法,在某一波长范围内，用吸收比描述吸收线，不同波长处有不同大小的吸收，从而形成,吸收线,。,单条吸收线的形状分为：,洛伦兹线形、多普勒线形、混合线形，式4-16。,2.吸收带模式,10/8/2024,19,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,常用的吸收带模式有：,Elsasser周期模式、Goody统计模式和随机Elsasser模式。其中，Elsasser周期模式、Goody统计模式的透射比满足式4-17。,3.大气吸收的工程计算方法,吸收起主要作用的大气成分,是水蒸气、二氧化碳和臭氧。臭氧在高层空间含量较高，二氧化碳含量较稳定，水蒸气含量随气象条件变化较大。,(1)集合法,水蒸气,10/8/2024,20,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,水蒸气的吸收,用截面积为1cm,2,，长度等于1km海平面水平辐射路程的空气柱中所含水蒸气凝结成液态水后的水柱长度可降水分w,0,表示：,对于给定的温度和相对湿度，,首先,由上式确定可降水分，并由传输路径长度,L,确定路径可将水分,w,0,L,；,然后,由附表4-3海平面水平路径水蒸气含量得到对应的光透射比。,二氧化碳,10/8/2024,21,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,二氧化碳的吸收带,主要位于2.7um、4.3um、10um和14.7um处。二氧化碳在大气中的比例比较稳定，可以认为二氧化碳的吸收和气象条件没有关系。,高度修正和斜程处理,由于分子密度、气压和温度等参数对大气的吸收均随着海拔高度的变化而变化，当路径为一定海拔或某一斜程时必须进行修正。,高度修正:,等效路径长度:,10/8/2024,22,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,斜程修正:,水蒸气等效海平面可降水分量:,二氧化碳等效路径长度:,(2)LOWTRAN法,10/8/2024,23,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,LOWTRAN模式,是美国空军地球物理实验室提出来的一种地分辨力大气模式，算法较简单，精度约为10%15%。大多数光电成像系统分析都采用LOWTRAN分析大气传输特性。,LOWTRAN模式,是一种单参量模式，给出了不同吸收气体在各波段的广义吸收系数L,v,。L,v,和修正的光学质量w与透射比具有以下函数关系：,式中，n是修正系数，水蒸气、二氧化碳和臭氧分别是0.9、0.75和0.4。,10/8/2024,24,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,二、大气的散射,散射系数()：,描述某点向全空间的散射总数。,()与路程L的散射透射比满足波盖尔定律：,角散射系数(,)：,描述向单位立体角内的散射数称为角散射系数。,是散射角-散射辐射与入射辐射方向的夹角。,散射系数,(),与角散射系数,(,),的关系满足：,10/8/2024,25,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,散射截面：,单个粒子的散射系数,(),称为散射截面，单位是cm,2,/粒子数。,散射系数与散射粒子浓度N成正比：,如果大气中含有m种不同类型的粒子群时，散射系数有：,散射相函数F()：,描述,方向,上,单位立体角内,散射辐射的相对大小。,10/8/2024,26,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,确定散射系数的方法：,1.瑞利散射,当粒子半径远远小于辐射波长时，散射服从瑞利散射规则：,体积后向散射系数：,当温度、气压和高度改变时散射系数与角散射系数均需要修正，修正因子相同：,10/8/2024,27,光电成像原理,4.3 大气吸收和散射计算,瑞利散射粒子,主要是气体分子，分子散射与波长的四次方成反比。,2.迈(Mie)散射,迈(Mie)散射：,描述球形气溶胶粒子散射的理论。,迈(Mie)散射,用,相函数,描述时，主要考虑前向散射。迈散射的计算方法：确定散射效率因子Q,s,(a,m)、吸收效率因子Q,a,(a,m)和衰减效率因子Q,e