光电成像原理与技术第四章辐射在大气中的传输.ppt

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1、2023/9/22,光电成像原理,1,第四章 辐射在大气中的传输,2023/9/22,光电成像原理,2,4 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。,2023/9/22,光电成像原理,3,一、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：,4.1 大气的构成,对流层集中了约80%的大气质量和90%以上的水汽。对流层温度变化较大。,平流层集中了约20%的大气质量，水汽

2、非常少，臭氧含量非常丰富。,光电成像系统基本上工作在对流层或平流层下部(20-25)。,2023/9/22,光电成像原理,4,4.1 大气的构成,二、大气的组成,大气是混合物，由多种元素和化合物混合而成，可分为干洁大气、水蒸气以及其他悬浮的固体和液体粒子。,1.干洁大气,干洁大气是指不含水蒸汽和气溶胶粒子的大气。分为：,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。,2023/9/22,光电成像原理,5,4.1 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、

3、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。,2023/9/22,光电成像原理,6,4.1 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/

4、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。),2023/9/22,光电成像原理,7,4.1 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。,绝对湿度H与水蒸气压强ev的关系是：,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：,2023/9/22,光电成像原理,8,4.1 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

5、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：,其中，N是粒子浓度，z为高度，h0是与气候和地区有关的特征高度，见表4-2(不同能见度条件下)。,气溶胶粒子对光波将产生散射，并且不同尺度的粒子对不同波长的光波散射也不一样。气溶胶粒子尺度的分布决定了光波的散射。,2023/9/22,光电成像原理,9,4.1 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：,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

6、尺度分布和宏观的光学特性。,三、大气模式,2023/9/22,光电成像原理,10,4.1 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。使用1976年美国标准大气30km以下作为国家标准。,2023/9/22,光电成像原理,11,4.1 大气的构成,标准大气的典型用

7、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,等密度模式，式(4-6)；,等温模式，式(4-7)；,多元模式，式(4-8)。,2023/9/22,光电成像原理,12,4.2 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,2023/9/22,光电成像原

8、理,13,4.2 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以下的短波紫外辐射；,地面观测到的太阳光谱辐射中有明显的气体吸收带结构。,2023/9/22,光电成像原理,14,4.2 大气消光和大气窗口,大气的消光作用主要由大气中各种气体成分及气溶胶粒子对辐射的吸收和散射造成。,辐射在大气中传输时与气体成分和气溶胶粒子相互作用，原子或分子发生极化并依从入射光频率做强迫振动，从而发生能量

9、交换：,（1）辐射能转换为原子或分子的次波辐射能。均匀介质中次波叠加的结果沿折射方向传播，无消光现象；不均匀介质中的不均匀质点破坏次波的相干性，各方向出现散射光，原方向辐射能减少但无能量交换。（2）辐射能转换为原子或分子碰撞的平动能热能。入射辐射频率等于共振子固有频率时发生共振，入射辐射被吸收为热能，原方向辐射能减少并有能量交换。,2023/9/22,光电成像原理,15,4.2 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：,上式的解即为辐射衰减规律：,如果介质是均匀的光学介质，即(s)=，k(,s)=k()，则由上式得

10、到简化的波盖耳定律：,2023/9/22,光电成像原理,16,4.2 大气消光和大气窗口,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：,如果是某一波段内的大气透射性质，定义平均透射比:,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：,2023/9/22,光电成像原理,17,4.2 大气消光和大气窗口,此时，总透射比是各单项透射比之积：,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。,2023/9/22,光电成像原理,18,4.2 大

11、气消光和大气窗口,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，0.761.1um；,短波红外，12um；,中红外，35um；,远红外，814um。,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。,2023/9/22,光电成像原理,19,4.3 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,2023/9/22,光电成像原理,20,4.3 大气吸收和散

12、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,水蒸气,2023/9/22,光电成像原理,21,4.3 大气吸收和散射计算,水蒸气的吸收用截面积为1cm2，长度等于1km海平面水平辐射路程的空气柱中所含水蒸气凝结成液态水后的水柱长度可降水分w0表示：,对于给定的温度和相对湿度，首先由上式确定可降水分，并

13、由传输路径长度L确定路径可将水分w0L；然后由附表4-3海平面水平路径水蒸气含量得到对应的光透射比。,二氧化碳,2023/9/22,光电成像原理,22,4.3 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。,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:,2023/9/22,光电成像原理,23,4.3 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:

14、,二氧化碳等效路径长度:,(2)LOWTRAN法,2023/9/22,光电成像原理,24,4.3 大气吸收和散射计算,LOWTRAN模式是美国空军地球物理实验室提出来的一种地分辨力大气模式，算法较简单，精度约为10%15%。大多数光电成像系统分析都采用LOWTRAN分析大气传输特性。,LOWTRAN模式是一种单参量模式，给出了不同吸收气体在各波段的广义吸收系数Lv。Lv和修正的光学质量w与透射比具有以下函数关系：,式中，n是修正系数，水蒸气、二氧化碳和臭氧分别是0.9、0.75和0.4。,2023/9/22,光电成像原理,25,4.3 大气吸收和散射计算,二、大气的散射,散射系数()：描述某点

15、向全空间的散射总数。,()与路程L的散射透射比满足波盖尔定律：,角散射系数(,)：描述向单位立体角内的散射数称为角散射系数。是散射角-散射辐射与入射辐射方向的夹角。,散射系数()与角散射系数(,)的关系满足：,2023/9/22,光电成像原理,26,4.3 大气吸收和散射计算,散射截面：单个粒子的散射系数()称为散射截面，单位是cm2/粒子数。,散射系数与散射粒子浓度N成正比：,如果大气中含有m种不同类型的粒子群时，散射系数有：,散射相函数F()：描述方向上单位立体角内散射辐射的相对大小。,2023/9/22,光电成像原理,27,4.3 大气吸收和散射计算,确定散射系数的方法：,1.瑞利散射,

16、当粒子半径远远小于辐射波长时，散射服从瑞利散射规则：,体积后向散射系数：,当温度、气压和高度改变时散射系数与角散射系数均需要修正，修正因子相同：,2023/9/22,光电成像原理,28,4.3 大气吸收和散射计算,瑞利散射粒子主要是气体分子，分子散射与波长的四次方成反比。,2.迈(Mie)散射,迈(Mie)散射：描述球形气溶胶粒子散射的理论。,迈(Mie)散射用相函数描述时，主要考虑前向散射。迈散射的计算方法：确定散射效率因子Qs(a,m)、吸收效率因子Qa(a,m)和衰减效率因子Qe(a,m)。,迈(Mie)散射截面与效率因子的关系：,2023/9/22,光电成像原理,29,4.3 大气吸收

17、和散射计算,3.无选择性散射,当散射粒子半径远远大于辐射波长时，粒子对入射辐射的反射和折射占主要地位，在宏观上形成散射，与波长无关，所以称为无选择性散射。,散射系数等于单位体积内所含半径ri的N个粒子的截面积之总和：,雾滴的半径约为160um，比可见光波长大12个数量级，对可见光的散射与波长没有关系。,2023/9/22,光电成像原理,30,4.3 大气吸收和散射计算,雨在红外波段的散射系数为：,4.单次散射和多次散射,研究散射对成像过程的影响：,研究自然光时侧重于角散射；,研究太阳辐射的衰减时侧重于总散射；,角散射和总散射都考虑。,2023/9/22,光电成像原理,31,4.3 大气吸收和散

18、射计算,对于一个成像系统，大气消光对成像的影响是吸收和散射造成的。吸收使辐射能量衰减，但不会造成图像细节的模糊；散射既使辐射能量衰减，又由于部分散射光进入成像系统的接收器，从而造成图像细节的损失。多次散射-附加气柱,三、利用气象学距离处理消光的方法,2023/9/22,光电成像原理,32,4.3 大气吸收和散射计算,大气透明度：气象学上，把白光通过1km水平路程的大气透射比称为大气透明度。,1.气象学的透明度和能见距离,能见度/能见距离：气象学上，在一定大气透明度下人眼能发现（能清楚的识别轮廓）以地平线附近的天空为背景视角大于30的黑色目标物的最大距离Rv称为能见度/能见距离。,能见度/能见距

19、离是反映大气透明度的一个指标。,2023/9/22,光电成像原理,33,4.3 大气吸收和散射计算,光电成像器件或观察者对距离R处的目标物与景物成像，其表观对比度CR：,式中，Lt(R)和Lb(R)分别为光电成像器件或观察者实际接收到的目标和背景的表观亮度。,由波盖耳定律，有传输s路径长度后的传输方程:,2023/9/22,光电成像原理,34,4.3 大气吸收和散射计算,因此，距离R处的表观对比度CR可以改写成：,其中，C0是目标和背景的固有对比度，是大气透射比，L是路径的气柱亮度，TC是大气对比度传递函数。,2023/9/22,光电成像原理,35,4.3 大气吸收和散射计算,对于水平路径，大

20、气消光系数k，角散射系数及气柱所受到的自然照明强度不随路程s的变化而变化，此时有,人眼的能见距离：(人眼发现目标的阈值对比度为0.02，固有对比度为1),因此，在给定的大气能见距离Rv下，大气透射比和大气透明度分别为：,2023/9/22,光电成像原理,36,4.3 大气吸收和散射计算,2.气溶胶粒子衰减的经验模式,(1)霾衰减的经验公式,霾的衰减系数：,其中，0取0.55um或0.61um。,(2)雾衰减的经验公式,2023/9/22,光电成像原理,37,4.3 大气吸收和散射计算,雾的衰减系数：,用雾中的含水量w表示衰减系数有,其中，w的单位是g/m3。,四、大气传输特性的计算机模拟,模拟

21、仿真软件：LOWTRAN、FASCODE，利用软件快速得到光谱透射比和平均透射比等结果。,2023/9/22,光电成像原理,38,4.4 大气消光对光电成像系统性能的影响,一、大气消光对基于对比度探测光电成像系统的影响,对于这类光电成像系统，通常用大气对比度传递函数表示光电成像系统受到的影响：,因此，TC是K和的函数，与目标亮度无关，仅仅和目标与探测器之间的大气状态有关。,K的经验取值：阴暗天空是约为1/；非常晴朗的天空时约为0.2/。对比度传递函数随K的关系变化曲线：图4-8。,大气消光对各类光电成像系统的影响是不一样的，通常传递函数描述。,2023/9/22,光电成像原理,39,4.4 大气消光对光电成像系统性能的影响,二、大气消光对信噪比限制下光电成像系统的影响,随机涨落的光子噪声对微光成像系统产生影响的主要因素。,微光成像系统在距离目标R处的表观信噪比：,大气信噪比传递函数：,Tph与Nb、Nq以及目标光子数Nt有关。,2023/9/22,光电成像原理,40,4.4 大气消光对光电成像系统性能的影响,三、大气消光对红外热成像系统的影响,红外热成像系统的信号由目标和背景的辐射之差决定，噪声由探测器和电子处理等决定，其性能也受信噪比的影响，在距离目标R处的表观信噪比：,