热红外遥感中大气透过率的研究(一):大气透过率模式的构建

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。通过辐射传输模型MODTRAN模拟热红外波段的大气透过率,构建了基于大气模型、气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角等5个因素的大气透过率查找表,分析了不同参数对热红外大气透过率光谱曲线的影响,通过方差分析确定了影响大气透过率的关键因子,针对不同类型的气溶胶模型,构建了基于水汽量、能见度和观测天顶角的常用卫星传感器热红外通道的大气透过率经验模式,解决了卫星热红外遥感中大气透过率精确计算的问题。     

基于MODIS红外通道的辐射传输计算

通过建立地气系统的红外辐射传输方程,基于MODIS红外通道进行辐射传输计算.利用快速精确的透过率模型PFAAST计算大气透过率,在红外辐射传输计算中考虑了地面反射大气辐射亮度的影响,指出地面反射大气辐射亮度在整个方程所占比重随着地表发射率变小而增加,其中MODIS第33通道对发射率的改变最为敏感,美国标准大气下,当发射率ε=0.65时,比重达到7.12%,因此,忽略地面反射大气辐射亮度,直接影响红外辐射传输计算的准确性.模拟了MODIS各红外通道辐射亮度,并与MODTRAN4.0模拟结果比较,相对误差不超过0.12%,模拟了大气倾斜路径对卫星红外通道观测亮温的影响.     

热红外遥感中大气透过率的研究(二): 大气透过率模式的应用

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。针对前文构建的大气透过率模式, 以我国环境灾害卫星HJ-1B红外相机IRS第4通道的大气透过率模式为例, 利用辐射传输模型MODTRAN模拟水体辐亮度, 对模式中的变量引入不同的误差, 将模拟的辐亮度反演水温, 分析不同气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角对反演水温的敏感性。并将该大气透过率模式用于HJ-1B/IRS热红外图像中, 反演了2009年4月17日、21日、22日和25日太湖水温。研究结果表明: 同一波段、不同气溶胶模型的大气透过率模式在反演温度时会产生不同的误差, 以气溶胶模型为平流雾的最大、对流型的最小;大气透过率模式中3个变量的误差与温度反演的误差呈线性关系, 即变量的误差越大, 温度反演的误差也越大;以水汽量对温度反演最敏感, 观测天顶角其次, 能见度最弱。该大气透过率模式用于4天遥感图像反演中, 除4月17日反演的误差稍高, 均方根误差和平均相对误差分别为1.127 ℃和5.75%, 其他3天的均方根误差都小于1 ℃、平均相对误差在5%以下, 说明所建的大气透过率模式在热红外遥感中具有较高的应用精度。     

气溶胶散射对海洋水色遥感辐射偏振校正的影响

辐射偏振校正对具有相对较大偏振响应的海洋水色卫星遥感器(如Aqua MODIS)是十分必要的,可在一定程度上提高海洋水色信息提取的精度.目前, MODIS已经实现了业务化的辐射偏振校正,但其算法中忽略了气溶胶散射对大气顶辐射偏振分量的影响.利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型PCOART,分别模拟获得纯瑞利大气(无气溶胶)和气溶胶光学厚度为0.2大气时的大气顶辐射偏振分量.结果表明,除太阳耀斑区外,气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献很小,可以忽略不计,而对近红外波段(865 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献显著.此外,将PCOART数值模拟的大气顶瑞利散射辐射线偏振反射率与POLDER实际观测的大气顶线偏振反射率进行了比较,结果同样说明了气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振反射率的贡献很小,而对近红外波段(865 nm).大气顶线偏振反射率的贡献显著.最后,在现有MODIS辐射偏振校正算法基础上,提出了考虑气溶胶散射的海洋水色卫星遥感辐射偏振校正算法,并利用POLDER实测的大气顶线偏振反射率对算法进行了检验,结果表明,无论是在443 nm波段,还是在865 nm波段,均比MODIS辐射偏振校正算法估算大气顶辐射偏振分量更接近POLDER实测结果.     

海岸带混浊水域MODIS图像的大气校正

大气校正的精确度主要取决于气溶胶光学特性和漫射透过率等参数的精度.针对目前混浊水域上空气溶胶光学特性反演方法的缺点,给出了基于MODIS图像混浊水域上空气溶胶光学特性反演的新方法,论证了该方法的可行性,并给出了一组通过了验证的用来计算大气漫射透过率的参数.讨论了该技术用于海岸带混浊水域上空大气校正的可行性,可以为我国海洋和风云系列卫星资料的大气校正研究提供相关的技术基础.     

通用大气辐射传输软件(CART)分子吸收和热辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件CART分子吸收和热辐射的计算精度,利用精确的逐线积分法（LBLRTM）和广泛使用的中分辨率大气传输模式（MODTRAN4.0）,就CART软件计算的晴空大气分子吸收透过率和热辐射进行对比验证。模拟了水平距离、观测天顶角和观测点高度对光电工程各观测波段内平均大气透过率和积分辐射的影响特性。结果表明:CART软件分子吸收的计算精度优于MODTRAN4.0软件,大气热辐射的计算精度和MODTRAN4.0相当。     

准球面模式下三种激光波长冰云大气反射率特性

冰云由冰晶粒子组成,是大气的重要组成部分,研究冰云条件下大气辐射传输特性有助于理解冰云对大气探测、地空链路激光通信等方面的作用。采用最新的C语言版本离散纵标法(CDISORT),比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下冰云大气激光传输的反射率差异;数值计算准球面模式下三种激光波长(065μm,106μm,155μm)入射时冰云大气反射率随冰水含量、有效半径、光学厚度、云底高度、相对方位角等因素的变化情况。结果表明:当太阳天顶角小于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差很小;当太阳天顶角大于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差明显增大。冰云大气激光传输的反射率随有效半径的增大而减小,随光学厚度或冰水含量的增大而增大。三种不同的激光波长入射时,冰云大气的平均反照率差异较大,但均值大于08。本文结果为星地激光通信、卫星遥感等工程应用提供理论支撑。     

基于实测大气参数的水蒸气吸收衰减的仿真计算

针对红外辐射在大气传输过程中,水蒸气的吸收衰减,只利用经验公式计算,存在较大的误差;利用MODTRAN等专业软件,使用过程复杂且移植和兼容较困难。因此,文中基于实测的大气参数,利用分子单线吸收法计算得到不同温度下的水蒸气吸收系数,拟合各月温度的高度分布解析式;仿真计算了水蒸气的光谱透过率和平均透过率,仿真结果表明,海拔高度、天顶角和传输距离等对水蒸气透过率具有较大影响,本方法计算的水蒸气透过率具有很高的准确度,在工程应用上具有一定的参考价值。     

利用光谱等分法对红外系统作用距离的计算

红外辐射在大气的传输过程中,受到大气分子对光谱的选择性吸收,以及大气环境、距离等影响,使得大气透过率成为一个复杂的参量。采用光谱间隔等分方法,给出了红外成像系统作用距离新的估算方程和求解方法。利用MODTRAN软件计算出微小光谱区域的大气透过率,利用所编计算程序调用计算值,计算各微小光谱区域的红外辐射,对各微小光谱区域的计算数据求和,取代了采用常数或平均大气透过率的常用计算方法,提高了计算的准确度。综合考虑了大气能见度、海拔高度、天顶角和空间频率等多种因素对热成像系统作用距离的影响,给出了作用距离估算实例及结果。     

利用RTTOV7快速辐射传输模式模拟风云二号红外和水汽成像通道辐射率的研究

为使RTTOV7能模拟FY2B红外、水汽通道辐射率,综合GENLN2计算的6个卫星天顶角的600-3000 cm-1的精确大气透过率,以及这两个通道的光谱响应函数,采用多元线性回归方法计算出适当的透过率系数.利用新的透过率参数,以相同的大气廓线作输入参量,对FY2B和GMS5的模拟分析表明,RTTOV7能得到相似的模拟亮温.利用ECMWF预报廓线以及新的透过率参数模拟FY2B水汽和红外亮温与实际观测的误差对比分析表明该模式能在短时间内以较高的精度模拟该卫星通道的辐射观测.