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hlwei@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

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HITRAN

LBLRTMLBLRTM（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。LOWTRANLOWTRAN（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）LOWTRAN720cm-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。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：I

CART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：I

CART软件研制大气分子吸收快速计算模式I

CART软件研制大气分子吸收快速计算模式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

I

CART软件研制大气分子吸收快速计算模式二氧化碳拟合系数随温度和气压的变化

计算H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4和O29个参考温度： 200k－320k9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（0.4mm-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。I

CART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.CO2101.0-92.0416.0-1447.0

1781.0-2822.0

3062.0-4055.04401.0-5383.05516.0-5729.05804.0-7015.07227.0-7799.07872.0-8336.09325.0-9674.0O351.0-414.0532.0-1521.01587.0-3383.03570.0-3788.03868.0-4086.0N2O101.0-71.0483.0-770.0846.0-1451.01557.0-4168.04247.0-5187.05465.0-6028.06130.0-6623.06804.0-6911.07074.0-7258.07695.0-7802.0CO51.0-215.01754.0-2328.03752.0-4378.05750.0-6444.08050.0-8491.0CH461.0-605.0830.0-5285.05460.0-5651.05865.0-6132.07410.0-7634.08851.0-9181.0O291.0-301.01340.0-1743.06245.0-6457.07639.0-8090.09224.0-9502.011466.0-11642.012832.0-13191.014291.0-14584.015694.0-15933.0I

CART软件研制大气分子吸收快速计算模式计算结果同精确地LBLRTM的比较斜程非均匀路径大气透过率计算对于斜程路径大气传输时，考虑大气的非均匀性，通常采用Curtis－Godson(CG)近似，拟合系数在传输路径上按含量加权平均，即:

非均匀路径上的平均透过率为:I

CART软件研制大气分子吸收快速计算模式计算结果同LBLRTM的比较

大气分子吸收计算算法发表在OpticsExpress,并申请了软件登记。I

CART软件研制大气分子吸收快速计算模式我们建立了一种根据实测的气溶胶尺度谱分布Junge指数、地面能见度、相对湿度和气溶胶消光高度分布廓线计算空间任意两点的气溶胶衰减模式建立了气溶胶消光计算模式2

CART软件研制气溶胶消光计算模式气溶胶模式相对MODTRAN，增加了：荣格指数的气溶胶谱分布的n(r)模式激光雷达或其他方法获得气溶胶高度分布模式随高度按指数分布模式（输入气溶胶标高）OPAC模式保留了MODTRAN依赖能见度的气溶胶高度分布模式2

CART软件研制气溶胶消光计算模式3，多次散射快速计算模式

2N通常被称为方程的流数，反映解的天顶角分辨率；流数越大，计算精度越高，但计算效率大大降低，难以满足工程上的需求提出采用分段拟合DISORT计算结果的快速算法离散坐标法(DISORT)求解辐射传输方程，将天顶角积分用有限求和公式代替

3

CART软件研制多次散射快速计算模式在这一小波段范围内，辐射强度与总光学厚度（大气散射加大气吸收）存在一定的对应关系，而且是负相关的关系辐射强度&总光学厚度3

CART软件研制多次散射快速计算模式辐射强度R依赖于光学厚度t

，但随光学厚度的变化曲线抖动比较大，因此，辐射强度R不只是光学厚度t

的函数，而可能是其它一些组合参数的函数。散射辐射强度随总光学厚度的排序

3

CART软件研制多次散射快速计算模式3CART软件研制多次散射快速计算模式变换的散射辐射强度随总吸收光学厚度的排序

3

CART软件研制多次散射快速计算模式分段拟合可以用单调曲线上少数几个点上直接用DISORT计算的值拟合得到其它点上的值，而无需每个点都用DISORT进行计算，大大提高计算效率3

CART软件研制多次散射快速计算模式

和DISORT的相对误差在2％以内，比直接调用DISORT算法可以快

140～350倍。——《JQSRT》3

CART软件研制多次散射快速计算模式建立基于DISORT的多次散射快速计算方法分子吸收是波长的迅变函数，而散射是波长的慢变函数，我们发现散射辐射量随吸收光学厚度和地表反照率的比值单调变化，在一段波长范围内，因此原先需要计算几千次的多次散射，现在只需要计算几次，计算速度提高约200倍3

CART软件研制多次散射快速计算模式用快速计算法计算的晴天背景辐射及其与DISORT的偏差大气顶向上的背景辐射地表大气向下的背景辐射3

CART软件研制多次散射快速计算模式用快速计算法计算的水云和高层薄卷云的背景辐射及其与DISORT的偏差3

CART软件研制多次散射快速计算模式通用大气辐射传输软件CART界面

4

CART软件研制输入输出界面菜单除了标准大气模式外，还提供了我国典型地区（目前约80个地区）的大气模式、我国典型地表的地表反照率值以及随尺度谱变化的气溶胶消光模式；提供了方便、易用的参数输入、结果查看、绘图等友好的用户界面。我国典型地区大气参数模式:西北地区1~12月、年平均处于沙漠干旱地带，以库尔勒为参考；北纬41.68°，东经86.06°，海拔0.9315km；沿海地区1~12月、年平均处于大陆与海洋交界地带，以汕头地区为参考；北纬23.39°，东经116.69°，海拔高度0.004km；大陆地区1~12月、年平均处于中等湿度地带，以合肥地区为参考；北纬31.86°，东经117.27°，海拔0.03km。4

CART软件研制输入输出界面菜单CART功能简介及部分计算实例

CART软件的基本功能框图4

CART软件研制输入输出界面菜单主要功能大气水平透过率计算大气斜程透过率计算大气散射辐射计算大气热辐射计算大气太阳直接辐照度计算大气斜程光谱透过率计算实例5

CART软件研制计算实例

太阳直接辐照度计算

大气外的太阳光谱乘以大气透过率即为太阳直接辐照度。图3为计算的中纬度夏季以45度天顶角到达地面的太阳直接辐照度5

CART软件研制计算实例计算的在地面以45度天顶角观测的散射太阳辐射（包括多次散射）

5

CART软件研制计算实例大气热辐射利用计算的分层和层节之间的大气透过率，根据黑体辐射公式进行计算。图5为计算的在地面大气向下（a）和在大气顶地表和大气向上的红外背景辐射(b)。

5

CART软件研制计算实例辐射传输模式的实验验证与精确地逐线积分和常用的MODTRAN计算结果的比较地面高分辨率大气吸收的太阳光谱FTIR水平大气红外光谱透过率测量机载和星载高分辨率红外大气背景光谱测量6CART软件研制CART计算精度实际验证CART、MODTRAN和LBLRTM的透过率计算结果比较

6CART软件研制CART计算精度实际验证CART、MODTRAN和LBLRTM的透过率计算结果比较

6CART软件研制CART计算精度实际验证CART以及MODTRAN与LBLRTM的比较（右图A.Berk,GailP.Anderson,PrabhatK.etal.,MODTRAN5:AReformulatedAtmosphericBandModelwithAuxiliarySpeciesandPracticalMultipleScatteringOptions.SPIEVol.5655,SPIE,Bellingham,WA,2005.）6CART软件研制CART计算精度实际验证大气平均透过率随水平距离的变化(a)：0.4~1um，(b)：1~3um，(c)：3~5um，(d)：8~12um)6CART软件研制CART计算精度实际验证大气平均透过率随天顶角的变化1-3um3-5um0204060800.000.010.020.030.040.05ObservationZenithAngle(degrees)

TransmittanceCARTLBLRTMMODTRAN(d)ObservationZenithAngle(degrees)

LBLRTM-CARTLBLRTM-MODTRAN8-12um不同波段、不同天顶角下CART计算的多次散射辐亮度与精确地DISORT计算结果的比较6CART软件研制CART计算精度实际验证不同波段、不同天顶角下CART计算的向下的多次散射辐亮度与MODTRAN计算结果的比较6CART软件研制CART计算精度实际验证太阳红外光谱测量系统示意图6CART软件研制CART计算精度实际验证测量和计算的达到地面的太阳红外光谱

6CART软件研制CART计算精度实际验证辐射传输模式的实验验证测量的水平1km距离的大气光谱透过率(高分辨率:1cm-1)6CART软件研制CART计算精度实际验证中高分辨率傅立叶变换红外大气光谱透过率测量仪测量的水平1km距离的大气光谱透过率光谱分辨率：1cm-16CART软件研制CART计算精度实际验证

(2010年4月7号；距离350m；气压1020hPa；温度287.75k；相对湿度35%；地面能见度24.3km)水平大气透过率计算值和测量值比较

6CART软件研制CART计算精度实际验证亮温光谱计算值和机载ER2(20km)高分辨率干涉光谱（HIS）测量结果比较

6CART软件研制CART计算精度实际验证3，大气向上的红外辐射计算结果的验证

模拟EOS-AQUA卫星红外干涉仪AIRS测量的高光谱分辨率红外辐射谱与AIRS实际测量结果的比较6CART软件研制CART计算精度实际验证大气背景辐射计算值和地面实测值比较：傅立叶变换红外光谱辐射计(FTIRMR170)；辐射定标采用两个标准黑体辐射光谱(30℃和60℃)。取2010年4月9号11点17分：温度288.7k，相对湿度45％，气压1020hPa，能见度9.5km，相应时刻的大气参数廓线从气象网站上下载得到。太阳天顶角和方位角由当地的经纬度和时间计算得到，分别为：25.4和164。根据这些参数，用软件计算对应时刻和对应天空位置的大气背景辐射值。6CART软件研制CART计算精度实际验证同样为了便于比较，把两者的分辨率同时降低到2cm-1分辨率，计算值和测量值较一致，在700到1400cm－1波段内，两者的标准偏差为3k，在3000到5000cm－1波段内，两者的相对误差为6.8%。6CART软件研制CART计算精度实际验证地面大气向下背景光谱计算值和实际

测量结果的比较（合肥，2010，04，09）观测天顶角45观测方位角140太阳天顶角25.4太阳方位角164.0地面温度288.7K

用快速计算法计算的水云和高层薄卷云的背景辐射及其与AIRS卫星实际测量的红外光谱比较6CART软件研制CART计算精度实际验证可见光波段散射辐射计算结果的验证

模拟AVIRIS观测的大气向上散射辐射观测地点是Oakland(38.4N,-116E,陆地表面)，飞机的飞行高度是20.2km，地面温度是294.9k

6CART软件研制CART计算精度实际验证三.目标辐射特性测量大气修正技术在空间目标辐射特性（温度或辐射谱）测量时，测量的是目标辐射到达传感器的、经过大气衰减的信号。

要得到目标本身的辐射量值（或辐射亮温），必须扣除大气的影响，即大气修正。三.目标辐射特性测量大气修正技术大气光学参数测量实时测量影响大气透过率和大气背景辐射的主要大气成分和大气光学参数的时空分布大气辐射传输模式建立这些大气参数与辐射大气传输和背景辐射的定量关系大气修正

根据当时测量这些大气参数和辐射传输模式以及光学系统的参数，计算光电工程在各种情况下的大气透过率、大气背景辐射，对测量的表观值进行修正，得到目标的实际辐射量目标背景对比度

提供大气背景辐射，用于确定目标背景的对比度辐射特性测量大气传输修正系统原理框图目标红外辐射特性测量大气传输修正分系统关键技术1.大气辐射传输计算软件研制了一套具有自主知识产权的基于我国大气模式的中分辨率快速辐射传输模式及软件——CART。解决了在大气传输修正任务中大气透过率计算问题。改变了在该领域完全依赖国外计算模式和软件的局面。2.基于实时大气参数测量的大气透过率修正技术研制了测量影响红外辐射在大气中传输的关键大气参数探测设备：包括气溶胶消光廓线的激光雷达、地面大气参数测量设备，引进集成了探测大气温度和水汽廓线分布的微波辐射计，根据这些设备实际测量的实时大气参数，用自行研制的大气透过率计算软件，计算获得测量时刻的各个观测波段的大气光谱透过率；用于目标辐射谱特性测量的大气修正，并提供了部分精度验证结果。主要技术创新同类技术比较1）研制了具有自主知识产权的通用大气辐射传输软件CART，其计算精度达到或超过了该领域通用的美国空军地球物理实验室的大气透过率计算软件MDOTRAN。2）.目标辐射特性测量的大气修正精度优于15%，比现有的技术提高一倍以上

地面水平实际测量的大气透过率误差小于5%CART软件计算结果和FTIR实际测量的水平大气透过率的比较外场1.52km水平距离上用热像仪和标准黑体，基于本研究的大气修正后，反演的黑体长波8-12微米波段辐射量与实际误差小于5%。（某测控站，长光所提供，2013.1.2，）应用实例（红外热像仪水平校验）2010年8月7日，水平1000米，设置温度（℃）等效辐亮度（W/（m2/sr）实测辐射亮度W/（m2/sr）表观实测温度（℃）大气校正后的温度（℃）计算大气透过率大气透过率修正误差80.06.774.5265810.649-2.7%120.017.5310.93991180.6514.2%160.038.22饱和124.51450.654设置温度（℃）等效辐亮度（W/（m2/sr）实测辐射亮度W/（m2/sr表观实测温度（℃）大气校正后的温度（℃）计算大气透过率大气透过率误差80.043.0737.877183.845-1.0%120.069.6659.32106121.843-1.0%160.0103