天空背景光谱特性建模及仿真

论文摘要

天空背景光谱辐射特性及其场景仿真是地面对空中目标探测、地对空遥感等领域的研究热点。地对空光学探测系统在工作时，观测系统除了接收到目标自身的辐射和目标对太阳辐射的散射辐射外，还包括大气分子、气溶胶以及云等微粒对太阳辐射的散射辐射、大气自身的热辐射以及太阳的直接辐射等，它们构成了地对空观测时的背景辐射。对于观察系统而言，能否从复杂的背景中区分出目标的关键之一在于目标与背景的光谱辐射亮度之间的对比度，因此天空背景光谱辐射亮度分布是对空监视、空中目标搜索及跟踪等应用必须考虑的基本数据。本文正是针对上述问题，对天空背景光谱辐射特性的计算方法和数值场景生成的方法作了创新性和探索性研究，为探测系统仿真提供了基础依据。本文的主要研究内容和结果为：1．分析了大气分子和气溶胶微粒的消光参数垂直廓线数据库的构建方法；研究了大气分子、气溶胶等的散射象函数，分析了不同情形下散射象函数的表述形式；2．研究了无云大气情形下天空背景辐射亮度的近似计算方法；基于输运理论，研究了辐射传输方程的建立过程；对辐射传输方程的通用解法进行了分析，介绍了求解多层介质辐射传输方程的修正Eddington近似法和离散坐标法，给出了计算实例。计算结果表明：与利用离散坐标法的计算结果相比，利用修正Eddington近似法计算多次散射的贡献具有足够的精度，而且计算速度更快；3．研究了典型水云和冰云消光参数的近似计算方法，计算结果表明：利用本文提出的近似法计算值与利用Mie理论计算出的结果符合较好；提出了典型云对天空背景辐射亮度影响的计算方法；4．从能量守恒定律出发，建立了朗伯地表对下行辐射的反射作用引起天空背景辐射亮度的解析计算模型。利用射线追踪原理，提出了地表与大气之间单次反射、多次反射影响天空光谱辐射亮度的计算方法。计算结果表明：随着地表反射率的增加，地表反射对天空背景辐射亮度的影响也随之增强，同时在观察方向靠近地平线时，这种影响急剧增加，即存在明显的“临边增亮”效应；5．分析了天空背景场景的数值仿真方法，同时利用辐射传输理论和分形理论对云场景仿真方法进行了研究，开发了天空背景辐射亮度计算和场景生成软件以及与目标背景合成场景的接口程序，软件中包括有云状态时的仿真程序。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 大气辐射传输及场景仿真研究的国内外现状
• 1.2.1 大气辐射传输理论进展
• 1.2.2 云辐射传输及云场景仿真技术进展
• 1.3 本文的研究内容和主要工作
• 1.3.1 本文内容安排
• 1.3.2 论文特色和创新点
• 第二章 大气中的光传输理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 地球大气系统的成分和结构
• 2.2.1 地球大气的组成
• 2.2.2 大气参数垂直廓线数据库
• 2.3 大气模式
• 2.3.1 国外大气模式简介
• 2.3.2 我国制订的大气模式
• 2.4 大气分子的吸收谱线
• 2.5 大气微粒散射参数的计算方法
• 2.5.1 瑞利散射
• 2.5.2 Mie散射及光学参数的计算
• 2.5.3 散射象函数的解析表示
• 2.5.4 计算结果和分析
• 2.6 气溶胶消光参数数据库
• 2.6.1 利用Mie理论计算气溶胶的消光参数
• 2.6.2 利用LOWTRAN7的数据计算气溶胶的消光参数
• 2.7 大气顶的太阳光谱辐射特性
• 2.8 小结
• 第三章 无云大气中的光辐射传输特性
• 3.1 引言
• 3.2 单层介质大气辐射传输特性
• 3.2.1 辐射传输方程的建立
• 3.2.2 辐射传输方程的一般解
• 3.2.3 辐射传输方程的近似解
• 3.3 多次散射引起的天空背景辐射亮度
• 3.4 多层介质中辐射传输方程的解
• 3.4.1 分层介质的源函数计算
• 3.4.2 分层大气边界的辐射流计算及累加分析
• 3.5 天空背景红外辐射亮度的计算
• 3.5.1 单层大气的红外辐射
• 3.5.2 多层大气的红外辐射
• 3.5.3 计算实例及分析
• 3.6 小结
• 第四章 辐射传输方程的解法分析
• 4.1 引言
• 4.2 辐射流近似理论的统一描述
• 4.3 利用辐射流近似法求解辐射传输方程
• 4.3.1 二流近似法分析
• 4.3.2 Eddington近似法分析
• 4.3.3 修正的Eddington近似法分析
• 4.4 离散坐标解法分析
• 4.5 计算实例和分析
• 4.6 小结
• 第五章 云模式及消光参数的计算
• 5.1 引言
• 5.2 云的分类及云模式
• 5.3 水云的光学特性
• 5.3.1 利用Mie理论计算水云的散射辐射特性
• 5.3.2 水云散射辐射特性的近似计算
• 5.4 卷云中冰晶粒子的单次散射特性
• 5.4.1 冰晶粒子的形成与种类
• 5.4.2 冰晶粒子的几何描述
• 5.4.3 冰晶粒子单次散射特性参数的近似计算
• 5.5 卷云光学特性及参数化
• 5.5.1 卷云中冰晶粒子的分布
• 5.5.2 卷云中冰水含量和有效平均半径参数的计算
• 5.5.3 卷云辐射特性参数计算
• 5.6 小结
• 第六章 地表反射对天空背景辐射影响的计算方法
• 6.1 引言
• 6.2 理论分析
• 6.2.1 地表反射引起的附加天空背景辐射亮度
• 6.2.2 大气反射率和透射率的计算方法
• 6.2.3 地表与大气之间多次反射对天空背景辐射亮度的影响
• 6.3 数值计算及分析
• 6.3.1 整层大气的总透射率和反射率计算
• 6.3.2 不同地表反照率下附加天空背景辐射亮度的计算
• 6.4 小结
• 第七章 有云天空的数值场景仿真
• 7.1 引言
• 7.2 利用有云图象相关长度法对云场景的仿真
• 7.2.1 空间相关长度
• 7.2.2 利用横向相关长度模拟云场景的方法分析
• 7.2.3 利用灰度叠加法模拟云场景的分析
• 7.3 基于辐射传输理论和分形理论的云场景模拟
• 7.3.1 分形的基本概念
• 7.3.2 Koch曲线与有云天空场景仿真
• 7.3.3 分形插值算法与天空背景的场景仿真
• 7.4 天空背景光谱辐射特性及其场景仿真和接口软件开发
• 7.4.1 软件开发流程
• 7.4.2 软件的主要功能简介
• 7.5 SKYSIM V1.0基本界面简介
• 7.5.1 软件主界面之几何位置
• 7.5.2 软件主界面之大气参数
• 7.5.3 软件主界面之气溶胶参数
• 7.5.4 软件主界面之云参数
• 7.5.5 软件主界面之其它
• 7.6 接口程序简介
• 7.7 小结
• 第八章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及攻博期间已经发表和录用的学术论文