光电成像原理与技术第四章辐射在大气中的传输.pptx

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§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。
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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:
§ 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)。
平流层
平流层顶
中间层
中间层顶
热成层
对流层
对流层顶
T/K
z/km
20
100
60
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§ 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。
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§ 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、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。
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§ 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/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。)
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§ 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:
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§ 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。
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§ 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、云等粒子的尺度分布和宏观的光学特性。
三、大气模式
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§ 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。
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§ 大气的构成
标准大气的典型用途: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