第四章_辐射在大气中的传输

三、大气模式
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§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。 下午4时51分 使用1976年美国标准大气30km以下作为国家标准。
Le Le z1 1 exp 178 z2 z1 0.178 z2 z1
(2) LOWTRAN法
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s , s , 0 exp k , s s ds , 0 其中 , 0 是s 0的初始光谱辐射量
如果介质是均匀的光学介质，即ρ(s)=ρ， k(λ,s)=k(λ)，则由上式得到简化的波盖耳定律：
等密度模式，式(4-6) 等温模式，式(4-7) 多元模式，式(4-8)
；
；
。
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§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
第四章 辐射在大气中的传输
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§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。
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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： 下午4时51分
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§4.2 大气消光和大气窗口
k , s m , s m , s p , s p , s 式中、 表示吸收和散射，下标m、p表示分子和气溶胶粒子
§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 ① 水蒸气
§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：
n r ar 2 exp cr d
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。
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§4.1 大气的构成
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： 100 对流层集中了约80%的大气 热成层 中间层顶 质量和90%以上的水汽。对流 层温度变化较大。 中间层 60 平流层集中了约20%的大气 平流层顶 质量，水汽非常少，臭氧含量 非常丰富。 平流层
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§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
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§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： d , s k , s , s s ds, k是光谱质量消光系数 上式的解即为辐射衰减规律：
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§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
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② 二氧化碳
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§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。 ③ 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:
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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： ea Ha RvT Ha Rv 273.15 td
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§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：
此时，总透射比是各单项透射比之积：
, s m , s , s m , s p p , s
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：107W/cm2。
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。
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§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。
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： , s , s exp k s ,0 如果是某一波段内的大气透射性质，定义平均透射 1 比: exp k s d
L exp 0.05938 z , 水蒸气 L0 L exp 0.178 z , 二氧化碳
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§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: 1 exp 0.05938 z2 z1 we we z1 0.05938 z2 z1 二氧化碳等效路径长度:
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§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ev，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/m3； 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。)
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§4.2 大气消光和大气窗口
, s , 0 exp k s , 0 exp k w l =k s是介质的光学厚度 , 0 exp l , w s是光程上单位界面的介质质量，
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§4.1 大气的构成
相对湿度Hr—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Ha之比，以百分数表 示。 H Hr Ha
绝对湿度H与水蒸气压强ev的关系是： ev HRvT ,
Rv =4.165 10 J/(kg K)是气体常数，T 是热力学温度
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§4.2 大气消光和大气窗口
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。 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，0.76~1.1um； 短波红外，1~2um； 中红外，3~5um； 远红外，8~14um。
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§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
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