红外大气传输大气传输研究

目标辐射特性测量大气传输修正研究及其应用魏合理0551-65591535，[e-mail]中国科学院安徽光机所一.研究背景二.大气辐射传输模式研究三.目标辐射特性测量大气修正技术及其应用四.小结目录一.研究背景大气对光学辐射传输的影响：传感器接收到主、被动光都是经过大气调制大气衰减降低目标辐射强度环境背景辐射降低目标对比度※在大气遥感、目标辐射测量和光学工程的设计与性能评估等方面都必须考虑大气和环境的影响。如何利用易测的大气参数来获得大气传输的信息越来越受到重视。※我国幅员辽阔，不同地区的地理条件差异非常明显，大气条件同样千差万别，在一些光电工程实际应用中都需要符合我国实际情况的快速而具有相当精度的通用大气辐射传输模式。研究背景24810120.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0transmittancewavelength(m)Beijing7USstanderdTropicalZenithAngle=800Visibility=15kmUrbanAerosol24810120.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Beijing7USstanderdTropicaltransmittancewavelength(m)ZenithAngle=300Visibility=15kmUrbanAerosol北京（7月）、美国标准大气、热带大气模式计算的大气光谱透过率（观测天顶角30度和80度）国内外研究进展国际上的通用的辐射传输模式：•逐线积分辐射传输模式：LBLRTM•低分辨率大气透过率计算模式：LOWTRAN•中分辨率带起透过率计算程序：MODTRAN•高分辨率大气分子吸收线参数数据库HITRANLBLRTM•LBLRTM（line-by-lineradiativetransfermodel）是国际上公认的精确逐线积分计算程序（Cloughetal.，1992），它可以高分辨率、高精度地计算大气光谱透过率、大气热辐射量，光谱范围覆盖紫外到亚毫米波波段。LBLRTM计算量巨大，不适用于工程应用•LBLRTM适用于光谱范围很窄的有限波段的大气分子吸收计算。对于宽波段的工程实际应用，计算量十分巨大，不适用于工程上对计算速度的要求。业界发展了一些工程上常用大气辐射传输软件，其大气分子吸收部分的计算精度一般都是以LBLRTM的计算结果作为基准来校验的。HITRAN数据库•HITRAN(HIgh-resolutionTRANsmissionmolecularabsorptiondatabase)•HITRAN数据库是上世纪60年代美国空军剑桥研究实验室(AirForceCambridgeResearchLaboratories，AFCRL)首次汇编的一个高分辨率大气分子吸收参数数据库。•每隔约4年更新一次，HITRAN1982-2012（82，86，92，96，2K，04，08，12）。最新的HITRAN2012包含47种分子及其同位数，共7,400,447条光谱线参数。LOWTRAN•LOWTRAN（LOW-resolutionTRANsmission）系列是由美国空军地球物理实验室（AFGL：USAirForcePhillipsLaboratory）研制的低光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法软件。（1970-1989）LOWTRAN7•20cm-1（0-50000cm-1）光谱分辨率计算大气透过率、大气背景辐射、太阳直射辐射，考虑大气分子、气溶胶和部分云模式MODTRANMODTRAN(MODerateresolutionTRANsmission)中分辨率大气透过率计算软件。与LOWTRAN相比分辨率为2cm-1，并根据最新资料每隔2－4年修改升级一次。前最新版本MODTRAN5.0的分辨率达到了0.2cm-1。该模式得到了广泛的使用。※美国六种标准大气模式与我国区域大气参数模式差异太大。※目前，逐线积分(LBL)方法和离散坐标法(DISORT)分别是计算分子散射和多次散射辐射精度最高的算法，但是他们都同时存在一个问题——计算效率太低，因而在工程应用上不能适用。※缺乏我国局部区域地区的大气参数模式（如气溶胶成分、谱分布和消光廓线、大气分子廓线）；针对某些具体的任务在计算速度和精度上不能满足要求。MODTRAN在我国应用的不足之处国内大气传输研究进展•中科院安徽光机所在上个世纪九十年代曾依据Lowtran算法编制了大气透过率计算软件。•针对LOWTRAN模式验证做过一些工作。•有些单位针对具体的任务做过一些大气传输模式的研究。•或根据Lowtran模式简化或参数化，用于具体的任务4681012140.00.20.40.60.81.0透过率波长（m)大气修正现状•传统的大气修正一般用MODTRAN＋标准大气模式，其修正误差一般在30％左右或更大。123450.00.20.40.60.81.0BandaverageAtmosphericTransmittanceWavelength(m)LBLRTMBenchmarkCART+LocaldataMODTRAN+StanderdModel0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0CART＋LocalAtmosphereSd:7.2%MODTRAN＋StanderdAtmosphereSd:23.8%CorrectedAtmosphericTransmittanceTrueBandAtmosphericTransmittance二.大气辐射传输模式研究CombinedAtmosphericRadiativeTransfer（CART）建立了基于逐线积分拟合的中分辨率（1cm-1）大气分子吸收快速计算模式建立了气溶胶辐射传输模式移植了国际上公认的、最新的MT_CKD方法来计算各种分子的连续吸收辐射传输计算（包括单次散射、多次散射、热辐射、地表辐射和反射）多次散射的快速算法分子透过率模式算法：•采用最新的HITRAN2008年数据库，以LBLRTM的计算结果为基础。LBLRTM计算的单色吸收截面经过平均后得到平均透过率：/2/2/2/2_exp[(,)](,,)ktpudTtpud3500351035203530354035501E-30.010.11101001000opticaldepthwavenumber(cm-1)monochromaticaveragedT=290kP=100mbau=1.0E+12cm-3Distance=10000kmH2OICART软件研制大气分子吸收快速计算模式基于逐线积分的大气分子吸收透过率快速计算模式：•大气吸收随吸收气体含量而变化：先计算每种条件下50个吸收含量的大气吸收。我们提出了基于逐线积分法计算的4阶非线性拟合算法来拟合大气吸收随吸收气体含量的关系，计算结果可得到了5个拟合系数：(,)0(,,)exp{*exp([log()])}MiitpiTtpuucuICART软件研制大气分子吸收快速计算模式1E-41E-30.010.111010010000.00.20.40.60.81.01E-41E-30.010.10.940.950.960.970.980.991.00TransmittanceCO2Amount(atmcm)LBLRTMKd10Kd100Malkmusfitting0.00.20.40.60.81.01E-51E-41E-30.010.1110100100010000AbsorptionCoefficient(cmatm)-1CumulativeProbalityICART软件研制大气分子吸收快速计算模式2335.42335.62335.82336.02336.22336.42336.61E-51E-41E-30.010.1110100100010000AbsorptionCoefficientK(cmatm)-1Wavenumber(cm-1)h2o和o3分子在高温高压、高温低压、低温高压和低温低压下拟合的效果0.010.11101001000100001000000.00.20.40.60.81.0T=200kP=1100hPaT=200kP=0.1hPaT=320kP=0.1hPaT=320kP=1100hPatransmittanceh2oAmount(atmcm)lblrtmfit=5030cm-11E-61E-51E-41E-30.010.11100.00.20.40.60.81.0T=200kP=1100hPaT=200kP=0.1hPaT=320kP=0.1hPaT=320kP=1100hPatransmittanceo3Amount(atmcm)lblrtmfit=1000cm-1ICART软件研制大气分子吸收快速计算模式0.11101001000-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0t=220kcm-1CO2FittingCoefficientsPressure(hPa)C0C1C2C3C4二氧化碳拟合系数随温度和气压的变化200220240260280300320-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5CO2FittingCoefficientstemperature(k)C0C1C2C3C4p=1100hPacm-1200220240260280300320-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.04-0.020.000.020.040.06CO2FittingCoefficientsTemperature(k)C0C1C2C3C4p=0.1hPacm-10.11101001000-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0t=290kcm-1CO2FittingCoefficientsPressure(hPa)C0C1C2C3C4计算•H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O2•9个参考温度：200k－320k•9个参考气压：1100mb－0.05mb•温度和气压覆盖从地面到大气顶空间范围的大气状况每种条件下50种含量，跨度达7个量级.1-25000cm-1波段范围（0.4m-远红外），光谱分辨率1cm-1,光谱分辨率和波段范围能满足目前工程应用传感器要求。ICART软件研制大气分子吸收快速计算模式七种分子的波带数和每个波带的范围分子名称波带个数(个)波带(cm-1)H2O122.-9508.9578.-12964.13162.-19176.，19253.-20782.20934.-21501.21687.-21908.，21980.-22113.22186.-22871.22944.22984.，23260.-23521.23670.-24122.24904.-24997.CO2101.0-92.0416.0-1447.01781.0-2822.03062.0-4055.04401.0-5383.05516.0-5729.05804.0-7015.07227.0-7799.07872.0-8336.09325.0-9674.0O351.0-414.0532.0-1521.01587.0-3383.03570.0-3788.03868.0-4086.0N2O101.0-71.0483.0-770.0846.0-1451.01557.0-4168.04247.0-5187.05465.0-6028.06130.0-6623.06804.0-6911.07074.0-7258.07695.0-7802.0CO51.0-215.01754.0-2328.03752.0-4378.05750.0-6444.08050.0-8491.0CH461.0-605.0