第六章 红外辐射在大气中的传输
第六章-红外辐射在大气中的传输复习进程
其中
hz
KBT
m0Mgz
,如果把h(z)看成常数：
lnpp0zzhzz0
pz pz0 ezhzz0
但h(z)不是常数，是随高度变化的量，称为z处的 标高。我们可以认为在一个不大的范围内，标高近似地 可以看成常数，于是我们就可以利用刚才的压强公式：
pz pz0 ezhzz0
高度 标高 高度 标高 km km km km 0 8.5 40 7.8
大气中的主要吸收气体有水蒸气、二氧化碳、和 臭氧等。
一，水蒸汽
水蒸气在大气的低层中的含量较高，是对红外辐 射传输影响较大的一种大气成分。水蒸气分子对红外 辐射有强烈的选择吸收作用。
1.描述水蒸气含量的一些物理量：
⑴ 水蒸气压强pw : 就是大气中水蒸气的分压强。
⑵ 绝对湿度ρw : 单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，单位为
对流层顶10km向上到55公里左右为平流层。 平流层下部温度随高度变化很小（等温层）。 平流层上部因为存在臭氧层(22─35公里处)， 臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加。
平流层大气温度下部冷上部热，使大气有相对稳定 的结构。对流很弱，空气大多作水平运动，平流层中水 汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。
二，大气压强
p d S p z Sz d p z S g
d pzgzdz pdp
zm 0M nz
M ：大气的平均分子量
S
z dz
m 0 ：原子质量单位
根据理想气体物态方程：
pVNKBT
p
nz pz
KBT
d p m 0M nzgzdz
dpm0MK pBzTgzdz
pdzpm 0K M B g Tzd zhd zz
大气湍流对红外的影响_概述及解释说明
大气湍流对红外的影响概述及解释说明1. 引言1.1 概述大气湍流是指大气中存在的一种不规则、无序而且具有随机性的气体运动现象，其对红外辐射的传输产生了重要影响。
红外辐射在军事、航空航天、气象等领域应用广泛，因此了解大气湍流对红外辐射传输的影响机制对于优化红外成像系统的设计和提高其性能至关重要。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对大气湍流对红外辐射的影响进行深入研究。
首先，我们将介绍大气湍流概念及其特征，并讨论导致湍流形成的因素。
接着，我们将探讨红外辐射的基本特性以及在不同波长区域和应用领域中所具有的潜力。
然后，我们将说明红外传感器工作原理以及其在红外成像系统中的应用。
通过以上内容的铺垫，我们将详细介绍目前关于大气湍流对红外辐射影响机制研究的最新进展，包括温度涨落效应、折射率涨落效应以及散焦与模糊效应等方面，并总结当前存在的挑战和问题。
最后，我们将对现有解决方案进行分析并评估其优缺点，并展望未来研究方向和发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面概述大气湍流对红外辐射的影响，并深入解释其影响机制。
通过对国内外相关研究成果的综述和分析，可以为红外成像系统的设计和性能提升提供参考，并为未来相关研究提出新的创新思路和方向。
2. 大气湍流概述:2.1 定义与特征:大气湍流是指在大气层中存在的一种不规则运动现象，具有随机性和不可预测性。
它是由于大气中温度、湿度、风向等因素的变化引起的。
大气湍流通常表现为空气的快速混合和乱流运动，导致空间和时间上的非均匀性。
大气湍流具有以下主要特征：- 无规则性: 大气湍流运动没有明确的周期性或规律性，其运动模式会不断变化。
- 尺度范围广: 大气湍流可以出现在非常小的尺度（例如微观颗粒周围）到非常大的尺度（例如行星尺度）之间。
- 能量耗散: 大气湍流会使空气能量从大尺度逐渐转移到小尺度，并最终以热能形式耗散掉。
2.2 影响因素:多个因素会影响大气湍流的生成和发展，其中包括：- 空间和时间上的温度差异: 温度差异会导致空气密度不均匀，从而产生湍流运动。
红外辐射度学基础概述
通过使用扫描仪对目标物体进行扫描，并记录每 个点的红外辐射强度。这种方法可以用于大面积 的目标物体测量。
遥感测量法
通过使用卫星或飞机搭载的红外探测器对地球表 面进行遥感测量，可以获取大面积的红外辐射数 据。
红外辐射测量的误差分析
探测器误差
01
由于探测器的响应特性、噪声和稳定性等因素，可能导致测量
详细描述
一切温度高于绝对零度的物体都会产生热辐射，其中红外辐射占据主要部分。物体的温度越高，其发射的红外辐 射的能量越大，波长越短。红外辐射在真空中传播速度与光速相同，约为3×10^8米/秒。在非真空环境中，红外 辐射可以穿透某些介质，如大气、烟雾等，传播距离受到介质特性的影响。
02 红外辐射度量学基础
红外辐射度学基础概述
目录
• 红外辐射的基本概念 • 红外辐射度量学基础 • 红外辐射的探测与测量 • 红外辐射的应用领域 • 红外辐射度学的未来发展
01 红外辐射的基本概念
红外辐射的定义
总结词
红外辐射是指波长介于可见光和微波 之间的电磁波，通常在0.75~1000μm 的波长范围内。
详细描述
红外辐射是电磁波的一种，其波长比 可见光长，比微波短。它不能被人眼 直接观察到，但可以通过特定的传感 器进行检测和测量。
大气污染监测
通过检测大气中污染物的红外光谱特征，分析污染物的种类和浓 度。
气候变化研究
利用卫星遥感技术监测地球表面温度和大气成分的红外辐射特征， 研究气候变化规律。
生物多样性保护
通过红外相机监测野生动物的活动和种群分布，为生物多样性保 护提供科学依据。
05 红外辐射度学的未来发展
新型红外探测技术的发展趋势
光子探测器
第六章 冠层反射率模型-辐射传输
8/11 植被遥感传输理论的三个里程碑成果：
• 1950年，Chandrasekhar给出辐射传输方程的具体表达式， 并在大气和核物理等研究领域迅速得到应用和发展。 • 1953年，门司正三和佐伯敏郎（Monsi and Saeki）从实 测测定和理论推导两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。 其中所采用的理论就是辐射传输的基本定律—BeerLambert消光定律，从而开始了用辐射传输理论对植被冠 层的研究。 • 1975年，在总结前人多年工作的基础上，Ross出版了他 的论著（俄文版），正式确定了植被内部的辐射传输方程， 进而建立植被光学特性和结构特性与辐射场之间的关系。
下标 L 表示 leaf。 uL(z)对dz在 0-H 区域积分，等于？
3/12 对于叶面积密度分布，存在：
H
0
uL (z )dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即z=0为 植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无单位
量纲），是农学、植被生态学中最重要、最常用的参数。
a(θv,υv)
a(θi,υi)
O(θi,θv,υ)
7/11
辐射传输模型
植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射（不考 虑大气影响），它是辐射在植被—土壤耦合体系中 多次散射和吸收的结果，而辐射传输理论可以比较 系统、较完整地描述该过程。通过辐射传输理论， 我们可以准确地计算植被上界的出射辐射量，或根 据这一信息反演植被的光学特性和结构特性，因而 从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题。同时 在解决问题的过程中，还可以借鉴许多辐射传输理 论的最新进展和突破，从而将使这一领域充满活力。 , L )d L 1
式中积分区域 2π+ 为上半球空间，这是因为叶片只 能计算单面。对于平面平行假设，存在 gL(r, ΩL) = gL(z, ΩL) 。 叶片在2π+空间均匀分布时， g (z, Ω ) = ?
红外与光电系统手册
红外与光电系统手册全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：红外与光电系统手册红外和光电系统是一种常用的技术，用于检测、识别和监控目标物体。
这种系统利用红外辐射和光电信号来实现各种功能，例如安防监控、物体检测、无人机导航等。
本手册将介绍红外与光电系统的工作原理、应用领域以及常见问题的解决方法，帮助读者更好地了解和应用这种技术。
一、红外系统的工作原理红外系统利用电磁波在空气中传播的特性来实现目标探测和识别。
红外辐射是一种电磁波，具有热量较高的物体会发出更多的红外辐射，而冷物体则发出较少的红外辐射。
通过检测目标物体发出的红外辐射强度和频率，可以判断目标的性质、温度和位置。
光电系统利用光电传感器和光源来进行目标检测和识别。
光源发出光束，光束射中目标，被目标反射或吸收，然后通过光电传感器接收反射光束的信号，进行信号处理和分析，从而实现目标的探测和识别。
红外与光电系统广泛应用于各种领域，包括安防监控、智能家居、医疗健康等。
在安防监控领域，红外系统可以实现夜视、烟雾检测、人体检测等功能；在智能家居领域，光电系统可以实现智能灯光控制、窗帘控制等功能；在医疗健康领域，红外系统可以实现体温检测、心率监测等功能。
四、红外与光电系统的常见问题与解决方法在使用红外与光电系统时，可能会遇到一些常见问题，例如信号干扰、检测距离不足、系统故障等。
对于这些问题，可以采取以下解决方法：1.信号干扰：可以采用屏蔽和滤波技术，减少外部电磁干扰对系统信号的影响；2.检测距离不足：可以调整系统的功率和灵敏度，增加光源的亮度和光电传感器的接收灵敏度，以提高系统的检测距离；3.系统故障：可以通过重启系统、更换部件等方式，解决系统故障问题。
总结第二篇示例：【红外与光电系统手册】一、概述红外与光电系统是一种利用红外线和光电技术进行监视、检测和控制的系统。
它通常由红外传感器、光电探测器、信号处理器和执行器等组成，广泛应用于安防监控、智能家居、工业生产等领域。
红外辐射大气透过率研究综述
红外辐射大气透过率研究综述红外辐射大气透过率研究综述摘要：红外辐射大气透过率的研究是大气科学领域中的关键问题之一。
本文主要综述了红外辐射大气透过率的研究现状和发展趋势。
首先介绍了红外辐射的基本概念和特点，然后分析了大气中影响红外辐射传播的主要因素，包括水汽、二氧化碳和臭氧等。
接着，总结了红外辐射大气透过率的测量方法和实验装置，包括遥感技术和地面观测。
最后，展望了红外辐射大气透过率研究的未来发展方向，包括提高测量精度、研究大气光学窗口和大气红外辐射传输模型等。
关键词：红外辐射；大气透过率；水汽；二氧化碳；臭氧；测量方法；发展趋势一、引言红外辐射是电磁波谱中的一部分，波长范围通常从红外线的可见边界1 μm延伸到300 μm。
在大气科学中，研究红外辐射的传输和透过率对于理解地球大气系统的能量平衡和气候变化具有重要意义。
由于地球表面和大气中的物体都会辐射出红外辐射能量，因此红外辐射的传输和透过率会受到大气中各种因素的影响。
二、红外辐射大气传输机制大气中的主要成分对红外辐射的透过率有着显著影响。
水汽是大气中最重要的成分之一，它对红外辐射的传输起着关键作用。
由于水汽分子的振动-旋转吸收能力较强，特别是在特定波长范围内，因此水汽对红外辐射的透过率较低。
在中红外波段，水汽吸收特性相对较强，所以该波段的透过率相对较低。
二氧化碳是另一个重要的大气成分，其吸收红外辐射主要集中在近红外和中红外波段。
相对于水汽，二氧化碳的吸收能力较弱，但其浓度的增加会导致红外辐射的传输衰减。
臭氧也对红外辐射的传输起到一定的影响，特别是在远红外波段。
三、红外辐射大气透过率的测量测量红外辐射大气透过率的主要方法包括遥感技术和地面观测。
遥感技术通过卫星或飞机平台上搭载的传感器来获取大气透过率的遥感信息。
这种方法可以覆盖广阔的区域，并能够获得较长时间尺度上的变化趋势。
地面观测则通过在地面安装测量设备，如红外辐射仪、光谱仪等，来获取局地地区的透过率信息。
第六章 红外辐射在大气中的传输
n0 S D nco2 x Sdx 0 nco2 x dx 0 n0 ：二氧化碳在标准状态下的分子数密度。
X
1 D n0
X
2
X
m0 Mn
D
1
0co
2
0
co x dx
根据理想气体物态方程，在标准状态下：p0
在x点，二氧化碳的分压强也应该满足：
n0 K BT0
温度梯度:7K/km
0到10公里高度温度从300K降至220K。
对流层的主要特征：
i)温度随高度升高而降低。地面能吸收太阳辐射 的短波部分而升温并放出长波辐射，大气通过吸收地 面的长波辐射和通过对流方式从地面吸收热量升温， 因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层 的气温随高度升高而降低。 ii)有强烈的垂直混合。低层空气由于从地面得到 热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流 层内存在强烈的垂直混合作用。 iii)气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和 地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不 同物理属性，压、温、湿等要素水平分布不均匀，从 而产生各种天气过程和天气变化。
二，气溶胶
气溶胶：以液体或固体为分散相和气体为分散介质形 成的溶胶称为气溶胶，亦称气体分散胶体。 比如，雾是水滴分散在空气中的气溶胶，烟是固 体粒于分散在空气中的气溶胶等。 大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液 体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切 的关系。 气溶胶会造成辐射的散射衰减。
例外：20公里左右存在一个气溶胶层～0.1
§6.5 大气的吸收衰减
一.大气的辐射透射特性
朗伯定律：
P R Pi 0e
K R
Pi 0
x0
红外探测原理及其应用
1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了 一种看不见的“热线”，由于这种“热线”出现于红光的外侧，因此人们 称之为红外线，也叫红外辐射。
红外辐射本质是一种电磁波辐射。温度在绝对零度以上的物体，都会因自 身的分子和原子运动而辐射出红外线。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的 能量愈大，反之，辐射的能量愈小。
红外探测器技术的发展历史
30年代，首次出现红外光谱仪，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
红外探测器技术的发展历史
·40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。 ·50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。 ·到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器
点击输入标题
热电偶和热电堆
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热电偶和热电堆常用来测量温度，应用很广泛。如果热电偶的一个接头受到红外线照射， 就会因吸收辐射功率而温度升高，该接头与电偶的的另一未受到照射的接头之间就会产 生温度差，于是温度不同的两个接头间就会产生电动势。此电动势大小反映出入射的红 外辐射功率大小，这就是热电偶型红外探测器。
物体的温度与辐射波长呈反比关系（维恩位移定律）
目标特性与背景特性
Part One
➢ 在应用中，红外探测需要有更高的灵敏度和更强的识别功能，能从复杂的背景中 分辨出目标，了解目标和背景的辐射特性对于红外探测系统的设计来说是至关重 要的。
➢ 目标的红外辐射特性是系统选择红外波段的主要依据。选择波段要根据目标的温 度不同来选择恰当的大气窗口进行探测。因而红外系统对波段的选择需要综合权 衡，不单要了解其温度、辐射系数，还要进一步分析、测试其光谱特征。
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高度 km 0
标高 km 8.5
高度 km 40
标高 km 7.8
10
20
7.8
6.3
50
60
8.1
7.6
30
6.8
70
6.5
三.大气密度
根据理想气体物态方程：
p0 n0 （标准状态） K BT0 p z T0 n z n0 p0 T z
p z T0 z 0 p0 T z
1.描述水蒸气含量的一些物理量：
⑴ 水蒸气压强pw : 就是大气中水蒸气的分压强。
⑵ 绝对湿度ρ w : 单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，单位为 g/m3。也就是水蒸气在空气中的密度。
⑶ 饱和水蒸气压ps : 水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称 为水蒸气在该温度下的饱和水蒸气压，也就是饱和状 态下水蒸气的分压强，它只是温度的函数。 ⑷ 饱和水蒸气量ρs : 即饱和水蒸气密度，只与温度有关。
二，大气压强
p dpS z Sdzg z pS dp z g z dz p dp S z m0 Mnz dz z ：大气的平均分子量 M
m0
：原子质量单位 根据理想气体物态方程：
p
pz n z K BT
§6.1 地球大气的基本组成
一.气体的气体组成
主要气体：78%的氮气 21%的氧气 微量气体： 氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、 一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、 水蒸汽(H2O)等。 这些气体并不总是中性的，在太阳辐射的作用下 在90km以上还有离子和电子存在。 大气气体对辐射有吸收衰减和散射衰减的作用。
⑸ 相对湿度RH : 空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样 达到饱和状态时的水蒸气含量的比值，用百分数表示。
⑹ 露点温度: 露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度。
w pw RH s ps
2，可凝结水量W
在辐射传播方向上，和辐射束有相同截面、以辐 射传播距离为长度的体积内，所含有的水蒸汽折合成 液态水层的厚度。
温度梯度:7K/km
0到10公里高度温度从300K降至220K。
对流层的主要特征：
i)温度随高度升高而降低。地面能吸收太阳辐射 的短波部分而升温并放出长波辐射，大气通过吸收地 面的长波辐射和通过对流方式从地面吸收热量升温， 因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层 的气温随高度升高而降低。 ii)有强烈的垂直混合。低层空气由于从地面得到 热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流 层内存在强烈的垂直混合作用。 iii)气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和 地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不 同物理属性，压、温、湿等要素水平分布不均匀，从 而产生各种天气过程和天气变化。
水SW w x Sdx
2.平流层
对流层顶10km向上到55公里左右为平流层。
平流层下部温度随高度变化很小（等温层）。
平流层上部因为存在臭氧层(22─35公里处)， 臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加。 平流层大气温度下部冷上部热，使大气有相对稳定 的结构。对流很弱，空气大多作水平运动，平流层中水 汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。 等温层温度大约220K
dp m0 Mnz g z dz
pz pz0 e
z z0 h z
但h(z)不是常数，是随高度变化的量，称为z处的 标高。我们可以认为在一个不大的范围内，标高近似地 可以看成常数，于是我们就可以利用刚才的压强公式：
pz pz0 e
z z0 h z
20到55公里高度温度从220 K上升到270K左右。
3.中间层
中间层：55到80公里。大气温度随高度递减，水 汽极少，有相当强的垂直混合（类似于对流层），60 公里以上大气分子开始电离，电离层的底就在中层内。 55到80公里高度温度从270K降至180K左右。
4.热层
这一层温度又随高度升高而增加，因为热层的分子 氧和原子氧能吸收太阳紫外辐射。但由于分子稀少很难 有对流运动，热传导率很小，造成巨大温度梯度和昼夜 温差，白天太阳活动期温度高达2000k，夜间太阳宁 静期仅500k。热层空气处于高度的电离状态。热层上 部由于空气稀薄，大气粒子很少互相碰撞，高速运动的 空气分子可能克服地球引力，向星际空间逃逸，又称逸 散层。
pV dz pz K BT h z K BT 其中 h z ,如果把h(z)看成常数： m0 Mg z
z z0 pz ln p0 h z
pz dp m0 M g z dz K BT
二，气溶胶
气溶胶：以液体或固体为分散相和气体为分散介质形 成的溶胶称为气溶胶，亦称气体分散胶体。 比如，雾是水滴分散在空气中的气溶胶，烟是固 体粒于分散在空气中的气溶胶等。 大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液 体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切 的关系。 气溶胶会造成辐射的散射衰减。
pz n z K BT
其中
0 m0 M 是标准状态下的大气密度。
严格的大气状况应以实际测量值为准。
§6.3 大气中的主要吸收气体
大气中的主要吸收气体有水蒸气、二氧化碳、和 臭氧等。
一，水蒸汽
水蒸气在大气的低层中的含量较高，是对红外辐 射传输影响较大的一种大气成分。水蒸气分子对红外 辐射有强烈的选择吸收作用。
气溶胶的产生和消除
气溶胶按其来源可分为：
一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）
二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）
气溶胶的消除： 主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和 沉降过程。
§6.2 大气的气象条件
一，大气温度
1.对流层 对流层顶的平均高度 10km，几乎集中了大气 质量的80％以及全部水汽、 云和降水，主要天气现象 和过程如寒潮、台风、雷 雨、闪电等都发生在 这一 层。