輻射在大氣中的傳輸教學提綱

輻射在大氣中的傳輸§4.1大氣的構成

二、大氣的組成

大氣是混合物，由多種元素和化合物混合而成，可分為干潔大氣、水蒸氣以及其他懸浮的固體和液體粒子。1.干潔大氣

干潔大氣是指不含水蒸汽和氣溶膠粒子的大氣。分為：

常定成分：在大氣中的含量隨時間、地點變化很小。主要有氮、氧、氦、氫、氖、氬、氪和氙等，占據了絕大部分干潔空氣的體積。2023/1/132光電成像原理§4.1大氣的構成

可變成分：在大氣中的含量隨時間、地點的改變而變化。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，這些氣體所占體積很小，但是對輻射的吸收和散射貢獻大。2.水蒸氣

由大氣層結構可知：大氣不干燥，含有水蒸氣，并且水蒸氣的含量隨地理位置、溫度、季節(jié)及氣層高度而變化。水蒸氣主要集中在4km以下的氣層中，在14km以上的氣層中，其含量變化很小。

水蒸氣對輻射衰減非常嚴重，是光電成像系統(tǒng)設計、分析和使用中必須重點考慮的因素。2023/1/133光電成像原理§4.1大氣的構成

描述大氣中水蒸氣含量的方法：水蒸氣分壓強ev，單位是標準大氣壓（atm）或毫巴（mb，1mb=100Pa）；體積比濃度，單位是%；混合比或質量密度比—單位質量空氣中所包含的水蒸氣質量，單位是g/kg；絕對濕度H—單位體積空氣中所含水蒸氣的質量，單位是g/m3；飽和水蒸氣含量—一定溫度下單位體積空氣中所含有的水蒸氣質量的最大值，只與溫度有關；(露點溫度表示濕度-露點與氣溫的差值表示大氣中水汽距離飽和的程度。)2023/1/134光電成像原理§4.1大氣的構成

相對濕度Hr—單位體積空氣中所含水蒸氣的質量與同溫度下飽和水蒸氣質量分數Ha之比，以百分數表示。絕對濕度H與水蒸氣壓強ev的關系是：如果相對濕度Hr=100%，對應的水蒸氣壓強稱為飽和水蒸氣壓強：2023/1/135光電成像原理§4.1大氣的構成

3.氣溶膠粒子氣溶膠粒子是分散在氣體中的固體微粒(半徑小于幾十微米)或液態(tài)粒子(圖4-2不同成分的尺寸)的懸浮體系。大氣氣溶膠粒子濃度由于重力原因隨高度按指數衰減，在對流層的這種變化趨勢為：其中，N是粒子濃度，z為高度，h0是與氣候和地區(qū)有關的特征高度，見表4-2(不同能見度條件下)。

氣溶膠粒子對光波將產生散射，并且不同尺度的粒子對不同波長的光波散射也不一樣。氣溶膠粒子尺度的分布決定了光波的散射。2023/1/136光電成像原理§4.1大氣的構成

目前，普遍采用廣義伽馬分布來描述氣溶膠粒子尺度分布的成因：式中，r是粒子半徑，n(r)是半徑r處單位半徑間隔內氣溶膠粒子濃度，a、b、c、d是擬合參數，選擇不同的擬合參數分別描述雨、霧、云等粒子的尺度分布和宏觀的光學特性。三、大氣模式2023/1/137光電成像原理§4.1大氣的構成

大氣的成分隨地理位置、季節(jié)和溫度有很大變化，這些變化對大氣的光學性質有明顯影響，局部區(qū)域大氣成分只沿高度方向變化。描述大氣特征的主要參數：氣壓、溫度、溫度遞減率和密度等的地面值及它們的高度輪廓。并且這些參數復雜多變。1.標準大氣

標準大氣的定義：能夠粗略地反映周年、中緯度狀況的，得到國際上承認的假想大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。所定義的標準大氣多年作一次修正。使用1976年美國標準大氣30km以下作為國家標準。2023/1/138光電成像原理§4.1大氣的構成

標準大氣的典型用途：用作壓力高度計校準，飛機性能計算，飛機和火箭設計，彈道制表和氣象制圖的基礎，假定空氣服從使溫度、壓力和密度與位勢發(fā)生關系的理想氣體定律和流體靜力學方程。2.分析模式

氣壓、密度和溫度等參數隨幾何高度的分布可按照以下幾種分析模式進行擬合：p93等密度模式，式(4-6)；等溫模式，式(4-7)；多元模式，式(4-8)。2023/1/139光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

大氣是混合物，由多種元素和化合物混合而成，是復雜的光學介質。輻射在其中傳輸時將產生折射、吸收和散射等現象，從而導致輻射能量的衰減，影響光電成像系統(tǒng)對目標的探測。大氣遙感2023/1/1310光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

一、大氣消光

大氣消光：大氣對輻射能量折射、吸收和散射等衰減作用稱為消光。大氣消光的基本特點：在干潔大氣中，大氣消光決定于空氣密度和輻射通過的大氣層厚度；大氣中有氣溶膠粒子時，其消光作用增強；在地面基本觀測不到波長小于0.3um以下的短波紫外輻射；地面觀測到的太陽光譜輻射中有明顯的氣體吸收帶結構。2023/1/1311光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

大氣的消光作用主要由大氣中各種氣體成分及氣溶膠粒子對輻射的吸收和散射造成。輻射在大氣中傳輸時與氣體成分和氣溶膠粒子相互作用，原子或分子發(fā)生極化并依從入射光頻率做強迫振動，從而發(fā)生能量交換：（1）輻射能轉換為原子或分子的次波輻射能。均勻介質中次波疊加的結果沿折射方向傳播，無消光現象；不均勻介質中的不均勻質點破壞次波的相干性，各方向出現散射光，原方向輻射能減少但無能量交換。（2）輻射能轉換為原子或分子碰撞的平動能—熱能。入射輻射頻率等于共振子固有頻率時發(fā)生共振，入射輻射被吸收為熱能，原方向輻射能減少并有能量交換。2023/1/1312光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

二、波蓋耳定律波蓋耳定律：輻射通過介質的消光作用與入射輻射能量、衰減介質密度和所經過的路徑成正比：上式的解即為輻射衰減規(guī)律：如果介質是均勻的光學介質，即ρ(s)=ρ，k(λ,s)=k(λ)，則由上式得到簡化的波蓋耳定律：2023/1/1313光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

引入大氣光譜透射比描述輻射通過大氣時的透射性質，定義為：如果是某一波段內的大氣透射性質，定義平均透射比:大氣不同成分與不同物理過程造成的消光效應具有線性疊加性，總消光特征量是各分量之和：2023/1/1314光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

此時，總透射比是各單項透射比之積：并且各單項透射比可進一步分解為各大氣成分的透射比。波蓋耳定律使用的注意事項：假定消光系數與輻射強度、吸收介質濃度無關；不考慮的功率密度閾值：107W/cm2。2023/1/1315光電成像原理§4.2大氣消光和大氣窗口

三、大氣窗口光電成像系統(tǒng)常用的大氣窗口有：可見光；近紅外，0.76~1.1um；短波紅外，1~2um；中紅外，3~5um；遠紅外，8~14um。假定粒子之間彼此獨立地散射電磁波，不考慮多次散射的影響。2023/1/1316光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

一、大氣的吸收大氣吸收的精確計算方法：線形法和吸收帶法。1.線形法

在某一波長范圍內，用吸收比描述吸收線，不同波長處有不同大小的吸收，從而形成吸收線。單條吸收線的形狀分為：洛倫茲線形、多普勒線形、混合線形，式4-16。2.吸收帶模式2023/1/1317光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

常用的吸收帶模式有：Elsasser周期模式、Goody統(tǒng)計模式和隨機Elsasser模式。其中，Elsasser周期模式、Goody統(tǒng)計模式的透射比滿足式4-17。3.大氣吸收的工程計算方法吸收起主要作用的大氣成分是水蒸氣、二氧化碳和臭氧。臭氧在高層空間含量較高，二氧化碳含量較穩(wěn)定，水蒸氣含量隨氣象條件變化較大。(1)集合法①水蒸氣2023/1/1318光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

水蒸氣的吸收用截面積為1cm2，長度等于1km海平面水平輻射路程的空氣柱中所含水蒸氣凝結成液態(tài)水后的水柱長度—可降水分w0表示：

對于給定的溫度和相對濕度，首先由上式確定可降水分，并由傳輸路徑長度L確定路徑可將水分w0L；然后由附表4-3海平面水平路徑水蒸氣含量得到對應的光透射比。②二氧化碳2023/1/1319光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

二氧化碳的吸收帶主要位于2.7um、4.3um、10um和14.7um處。二氧化碳在大氣中的比例比較穩(wěn)定，可以認為二氧化碳的吸收和氣象條件沒有關系。③高度修正和斜程處理

由于分子密度、氣壓和溫度等參數對大氣的吸收均隨著海拔高度的變化而變化，當路徑為一定海拔或某一斜程時必須進行修正。高度修正:等效路徑長度:2023/1/1320光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

斜程修正:水蒸氣等效海平面可降水分量:二氧化碳等效路徑長度:(2)LOWTRAN法2023/1/1321光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

LOWTRAN模式是美國空軍地球物理實驗室提出來的一種地分辨力大氣模式，算法較簡單，精度約為10%~15%。大多數光電成像系統(tǒng)分析都采用LOWTRAN分析大氣傳輸特性。

LOWTRAN模式是一種單參量模式，給出了不同吸收氣體在各波段的廣義吸收系數Lv。Lv和修正的光學質量w與透射比τ具有以下函數關系：式中，n是修正系數，水蒸氣、二氧化碳和臭氧分別是0.9、0.75和0.4。2023/1/1322光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

二、大氣的散射散射系數β(λ)：描述某點向全空間的散射總數。β(λ)與路程L的散射透射比滿足波蓋爾定律：角散射系數β(λ,θ)：描述向單位立體角內的散射數稱為角散射系數。θ是散射角--散射輻射與入射輻射方向的夾角。散射系數β(λ)與角散射系數β(λ,θ)的關系滿足：2023/1/1323光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

散射截面：單個粒子的散射系數σ(λ)稱為散射截面，單位是cm2/粒子數。散射系數與散射粒子濃度N成正比：如果大氣中含有m種不同類型的粒子群時，散射系數有：散射相函數F(θ)：描述θ方向上單位立體角內散射輻射的相對大小。2023/1/1324光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

確定散射系數的方法：1.瑞利散射

當粒子半徑遠遠小于輻射波長時，散射服從瑞利散射規(guī)則：

體積后向散射系數：

當溫度、氣壓和高度改變時散射系數與角散射系數均需要修正，修正因子相同：2023/1/1325光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

瑞利散射粒子主要是氣體分子，分子散射與波長的四次方成反比。2.邁(Mie)散射邁(Mie)散射：描述球形氣溶膠粒子散射的理論。邁(Mie)散射用相函數描述時，主要考慮前向散射。邁散射的計算方法：確定散射效率因子Qs(a,m)、吸收效率因子Qa(a,m)和衰減效率因子Qe(a,m)。邁(Mie)散射截面與效率因子的關系：2023/1/1326光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

3.無選擇性散射

當散射粒子半徑遠遠大于輻射波長時，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，與波長無關，所以稱為無選擇性散射。

散射系數等于單位體積內所含半徑ri的N個粒子的截面積之總和：

霧滴的半徑約為1~60um，比可見光波長大1~2個數量級，對可見光的散射與波長沒有關系。2023/1/1327光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

雨在紅外波段的散射系數為：4.單次散射和多次散射研究散射對成像過程的影響：研究自然光時側重于角散射；研究太陽輻射的衰減時側重于總散射；角散射和總散射都考慮。2023/1/1328光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

對于一個成像系統(tǒng)，大氣消光對成像的影響是吸收和散射造成的。吸收使輻射能量衰減，但不會造成圖像細節(jié)的模糊；散射既使輻射能量衰減，又由于部分散射光進入成像系統(tǒng)的接收器，從而造成圖像細節(jié)的損失。多次散射-附加氣柱三、利用氣象學距離處理消光的方法2023/1/1329光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

大氣透明度：氣象學上，把白光通過1km水平路程的大氣透射比稱為大氣透明度。1.氣象學的透明度和能見距離能見度/能見距離：氣象學上，在一定大氣透明度下人眼能發(fā)現（能清楚的識別輪廓）以地平線附近的天空為背景視角大于30’的黑色目標物的最大距離Rv稱為能見度/能見距離。能見度/能見距離是反映大氣透明度的一個指標。2023/1/1330光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

光電成像器件或觀察者對距離R處的目標物與景物成像，其表觀對比度CR：

式中，Lt(R)和Lb(R)分別為光電成像器件或觀察者實際接收到的目標和背景的表觀亮度。

由波蓋耳定律，有傳輸s路徑長度后的傳輸方程:2023/1/1331光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

因此，距離R處的表觀對比度CR可以改寫成：其中，C0是目標和背景的固有對比度，τ是大氣透射比，L是路徑的氣柱亮度，TC是大氣對比度傳遞函數。2023/1/1332光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

對于水平路徑，大氣消光系數k，角散射系數及氣柱所受到的自然照明強度不隨路程s的變化而變化，此時有人眼的能見距離：(人眼發(fā)現目標的閾值對比度為0.02，固有對比度為1)因此，在給定的大氣能見距離Rv下，大氣透射比和大氣透明度分別為：2023/1/1333光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

2.氣溶膠粒子衰減的經驗模式(1)霾衰減的經驗公式霾的衰減系數：其中，λ0取0.55um或0.61um。(2)霧衰減的經驗公式2023/1/1334光電成像原理§4.3大氣吸收和散射計算

霧的衰減系數：用霧中的含水量w表示衰減系數有其中，w的單位是g/m3。四