4光電成像原理與技術(shù)-輻射在大氣中的傳輸上課修改課件

第四章輻射在大氣中的傳輸?shù)谒恼螺椛湓诖髿庵械膫鬏?.1大氣的構(gòu)成4.2大氣消光及大氣窗口4.3大氣吸收和散射的計算4.4大氣消光對光電成像系統(tǒng)性能的影響4.1地球大氣的組成4.1地球大氣的組成一、大氣層結(jié)構(gòu)對流層：在大氣層的最低層，緊靠地球表面，其厚度大約為10至20千米。對流層的大氣受地球影響較大，云、霧、雨等現(xiàn)象都發(fā)生在這一層內(nèi)，水蒸氣也幾乎都在這一層內(nèi)存在。集中了約80％的大氣質(zhì)量，90％水汽，溫度變化大。

平流層：大約距地球表面20至50千米。平流層的空氣比較穩(wěn)定。集中了約20％的大氣質(zhì)量，水蒸氣和塵埃很少，臭氧含量豐富。對于一般軍用光電成像器件大多工作在對流層或平流層下部（20～25km以下）。二、大氣的基本組成1、干潔大氣常定成分：每單位體積中大約有78%的氮氣和21%的氧氣，另外還有氬（Ar）等?？勺兂煞郑憾趸?CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化氮(NO)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)等成分。隨時間、地點變化，對輻射的吸收、散射有重要作用。2、水蒸氣水蒸氣在大氣中，是對紅外輻射傳輸影響較大的一種大氣成分。雖然人眼看不見，但它的分子對紅外輻射有強(qiáng)烈的選擇吸收作用。(1)水蒸氣含量描述絕對濕度:單位體積空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量，通常用符號表示，其單位為g/m3。飽和水蒸氣量在某一溫度時，單位體積內(nèi)空氣所能容納最大可能的水蒸氣質(zhì)量，用表示，其單位是g/m3。只與溫度有關(guān)。露點溫度：一定溫度下，飽和水蒸氣含量僅與溫度有關(guān)，當(dāng)給定空氣試樣中的水蒸氣含量時，可通過降低溫度使其中的水蒸氣從非飽和變成飽和狀態(tài)，對應(yīng)的飽和溫度。相對濕度：單位體積空氣中水蒸氣的含量和同溫度下水蒸氣達(dá)到飽和時含量的比值，用百分?jǐn)?shù)RH表示水蒸氣壓強(qiáng):是大氣中水蒸氣的分壓強(qiáng)，用符號表示，其單位是Pa。:氣體常數(shù)飽和水蒸氣壓：相對濕度為100％時，對應(yīng)的水蒸氣壓強(qiáng)。大氣中懸浮著半徑小于幾十微米的固體及液體粒子。3、氣溶膠粒子對流層氣溶膠粒子濃度的變化氣溶膠粒子在對流層內(nèi)受重力影響，隨高度按指數(shù)衰減。廣義伽馬分布－描述氣溶膠粒子的尺度分布?xì)馊苣z粒子由于尺度不同，對不同波長的光波產(chǎn)生的散射不同。常常還需知道其尺度分布三、4.2大氣消光及大氣窗口一、大氣消光（1）在干潔大氣中，消光決定于空氣的密度和輻射通過的大氣層厚度。（2）大氣中有氣溶膠粒子及云霧粒子群時消光作用加強(qiáng)。（3）在地面基本觀察不到的短波太陽紫外輻射。大氣對輻射強(qiáng)度的衰減。（4）地面觀察到的太陽光譜輻射中有明顯的氣體吸收帶結(jié)構(gòu)。二、Bouggner定律輻射通過介質(zhì)的消光作用與入射輻射通量、衰減介質(zhì)密度

、所經(jīng)過的路徑成正比。輻射衰減定律：1、Bouggner定律2、大氣光譜透射比注意：上式總的透射比僅適合于光譜透射比的計算而不能用于計算平均透射比。3、Bouggner定律使用注意事項Bouggner定律的假設(shè)前提帶來的局限性：（1）定律假定消光系數(shù)與入射輻射強(qiáng)度、吸收介質(zhì)濃度無關(guān)。通常情況下成立，但當(dāng)輻射功率密度大到某一閾值()時，會出現(xiàn)“飽和吸收”；（2）假定粒子之間彼此獨立地散射電磁輻射，即不考慮多次散射的影響。對于云、霧和降水天氣，需要考慮多次散射。（3）對于準(zhǔn)直光束，當(dāng)光束發(fā)散角小于，光束直徑，接收視場與光束發(fā)射角相當(dāng)時，在可見光譜區(qū)Bouggner定律適用于的情況。三、大氣窗口目前常用大氣窗口有：可見光：近紅外：短波紅外：中紅外：遠(yuǎn)紅外：典型大氣的透射光譜4.3大氣吸收與散射的計算一、大氣的吸收1、大氣吸收線形法2、吸收帶法3、大氣吸收的工程計算(1)集合法①水蒸氣的吸收A、水蒸氣的吸收：用可降水分表示B、海平面水平路徑上的水蒸氣透射比算法：I、利用附表4－2，獲知相對濕度為100％時，海平面水平路徑上，不同溫度下的可降水分；II、利用實際相對濕度及海平面水平路徑長度，計算出實際水蒸氣含量；III、利用附表4－3，獲知相應(yīng)水蒸氣含量下，對應(yīng)波長的水蒸氣光譜透射比。如需求某一波段水蒸氣透射比，需逐一積分，并在整個波段上求平均。②CO2的吸收CO2的濃度隨時間、地點變化很小，因此，CO2的吸收與氣象條件無關(guān)。利用附表4－4，獲知海平面水平路徑上CO2光譜透射比③高度修正與斜程處理采用等效海平面法H2OCO2高度修正斜程修正H2O斜程修正水蒸汽等效海平面含量：在海拔至，天頂角為的傾斜路徑上的水蒸氣等效海平面含量為

為海拔處與斜程同樣長路徑上水蒸氣的海平面含量CO2等效海平面路徑為：為海拔處與斜程同樣長路徑上的海平面路徑長度CO2二、大氣的散射路程L的散射透射比為：其中若大氣中含有m種不同類型的粒子群時1、瑞利散射當(dāng)散射服從瑞利散射規(guī)則：瑞利散射：散射粒子主要集中為氣體分子，散射系數(shù)與成反比，故短波散射比長波散射強(qiáng)。藍(lán)藍(lán)的天空就是原因。2、Mie散射相應(yīng)的截面與效率因子的關(guān)系為：散射粒子尺度與波長相當(dāng)，主要描述球形氣溶膠粒子的散射。前向和后向散射不對稱，主要集中在前向。3、無選擇性散射散射粒子半徑遠(yuǎn)大于輻射波長，粒子對入射輻射的反射和折射占主要地位，在宏觀上形成散射。如霧、雨4、單次散射和多次散射計算一般采用單次散射模型計算散射量多次散射：多次散射對于保留下來的輻射總能量影響不大，但會改變粒子散射強(qiáng)度的合成分布型式，影響成像分辯力。三、利用氣象學(xué)距離處理消光問題1、大氣透明度：白光通過1km水平路徑的大氣透射比2、能見度（能見距離）：在一定大氣透明度下人眼能發(fā)現(xiàn)以地平天空為背景視角大于的黑色目標(biāo)物的最大距離3、表觀對比度：4、大氣對比傳遞函數(shù)5、對于能見度測量,按照白光或550nm單色光的定義，能見距離為：大氣透射比為：4.4大氣消光對光電成像系統(tǒng)性能的影響一、大氣消光對基于對比度探測的光電成像系統(tǒng)的影響反映大氣消光使目