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MODTRAN使用要点精解
MOD37 使用要点1MODTRAN 文件1.1 输出文件 输入 Edit|Edit File 可查看运行 Modtran 产生的 ASCII 数据文件， 在 usr 目录 下有： Modout1、Modout2、Modout3Modout1 包含完整结果，波段平均透过率、辐亮度在最后一段。INTEGRATED ABSORPTION FROM AVERAGE TRANSMITTANCE = 0.7058 INTEGRATED TOTAL RADIANCE = 625 TO 25000 CM-1 )625 TO 25000 CM-1 = CM-12. WATTS CM-2 STER-1 (FROMMINIMUM SPECTRAL RADIANCE = 0. WATTS CM-2 STER-1 / CM-1 AT 25000 CM-1 MAXIMUM SPECTRAL RADIANCE = 1. WATTS CM-2 STER-1 / CM-1 AT 640 CM-1 0.000 1.000 BOUNDARY TEMPERATURE = BOUNDARY EMISSIVITY =1.2 输入文件 1.2.1 数据库文件 文件名.LTN， 包含 Modtran 模型参数的输入文件和输出曲线打印方式的输入 文件。11.2.2 NOVAM 参数文件： 文件名.NPR，6000 米以下海面气溶胶分布，较以前海洋气溶胶模型有明显 改进。 1.2.3 滤波器函数文件： 文件名.FLT 滤波器函数可用于计算有效大气透过率或有效路径辐亮度。滤波器函数包含 辐射源的光谱特性和辐射测量仪器的光谱带通特性。 辐射源的光谱特性用黑体温 度表示，仪器光谱特性取决于探测器光谱响应和光学元件光谱透过或反射特性， Modtran 可设置最多 80 个波数点的相对响应。 1.2.4 扫描函数文件： 文件名.SCN Modtran 内部计算样点的光谱间隔为 1cm-1，为降低输出数据的光谱分辨率， Modtran 提供了扫描功能，可将输出光谱数据与一个狭缝函数进行卷积运算。狭 缝函数可以是三角形、矩形、Sinc.、Sinc.平方等函数。 FWHM 是狭缝函数的半宽度，最小设置值 2cm-1，最大设置值 50cm-1。因此， Modtran 输出数据光谱分辨率的极限为 2cm-1。输入的频率增量（步长）DV 是指输出光谱数据采样间隔，用波数表示，并 非 Modtran 的分辨率。如步长 DV 设置为 100 cm-1， FWHM 设置为 2 cm-1， Modtran 输出数据的波数间隔为 100 cm-1，数据点的光谱分辨率为 2 cm-1，波数位于 100 cm-1 采样间隔区的大气强吸收峰或辐射峰均不予计算。 2 MODTRAN 概述2.1 概述 MODTRAN （中分辨率透过率的英文缩写）是美国空军研究实验室开发的2LOWTRAN 升级产品。实际上，MODTRAN 包含了可供用户选用的 LOWTRAN 完整模型。MODTRAN 可计算特定大气路径的透过率和辐亮度。 它既可作为独立的程序 运行，可可作为子程序或分立的模块运行。MODTRAN 源程序用 FORTRAN77 编写，可向终端用户提供源代码。MODTRAN 计算 1）波数范围 0－50000 cm-1，即最小波长 0.2um。按 1 cm-1 波数间隔分割，即计算步长 为 1 cm-1。 2）大气分层 大气高度 0－100km，根据气压、温度、分子吸收与消光系数对大气层进行 分层，最大可分 33 层。MODTRAN 与 LOWTRAN 的比较： 1）LOWTRAN 计算的光谱范围与 MODTRAN 相同，但计算步长为 5 cm-1， 分辨率为 20 cm-1。 2）LOWTRAN 的近似分子吸收带模型仅有吸收系数、分子密度刻度函数等 参数。要用作工作于下层大气和地表面战术系统大气传输计算的辅助工 具，40 公里以上 LOWTRAN7 计算精度大大降低。 3）MODTRAN 的分子吸收带模型有吸收系数、谱线密度、平均谱线密度等 3 个温度有关参数。 MODTRAN 在对 1cm-1 波数间隔内吸收谱线积分时考 虑了谱线的形状。 MODTRAN 适合大气路径高度 30 公里以上的透过率计 算，但不适合大气路径高度 60 公里以上的透过率计算，因为许多分子不 处于局部的热力学平衡状态，不能根据周围的温度确定分子带的辐射。MODTRAN 大气透过计算包括：1）气体分子谱线吸收；32）气体分子连续吸收； 3）气体分子散射； 4）气溶胶吸收和散射；MODTRAN 路径辐亮度计算包括： 1）大气自身辐射； 2）以单次散射方式进入路径的太阳和/或月亮辐亮度； 3）斜路径对天观察时的直接太阳辐照度； 4）以多次散射方式进入路径的太阳和/或月亮辐亮度以及地球辐亮度。 2.2 大气路径类型与参数 MODTRAN 计算时，要求先输入路径类型，再输入路径参数。 2.2.1 水平路径 确定水平路径只需输入 2 个参数，即观察点高度、路径长度。这里的水 平路径系短路径，不是长路径。42.2.2 斜路径可选用的斜路径参数包括： H1： H2： 初始高度（观察点高度） ； 最终高度（辐射源高度） ；HMIN：正切高度，仅用于长程。正切高度是路径至地球的最低高度。r：起点与终点之间的直线距离，由于大气折射，长路径时，实际路 径的长度大于此值。? ： 天顶角，观察点的重垂线与路径的夹角；? ： 最终角，源点的重垂线与路径的夹角；?：地心对观察点、源点的张角。确定一个斜路径只需输入 3 个参数，共有 6 种设置方法： 1）H1， ? ，H2； 2）H1， ? ， r ； 3）H1，H2， r ； 4）H2，H1, ? ； 5）H2，H1, ? ； 6）H2， ? ， r 。52.2.3 斜路径至太空确定一个至太空的斜路径需要输入 2 个参数，共有 3 种设置方法： 1）H1， ? ； 2） H1，HMIN； 3） HMIN， ? ? ； 其中第 2 种方法主要用于临边探测 (Limb Viewing)。 2.3 气溶胶模型 气溶胶是大气中悬浮颗粒的总称，它包括地面灰尘、火山灰、工业燃烧产生 烟灰、海面喷沫、雾等。气溶胶颗粒大小变化很大，仅存在于局部区域。气溶胶分布与海拔高度有关， MODTRAN 按高度将大气分为 4 层， 分别建立 气溶胶模型。 1）边界层 (0-2km)； 2）对流层顶部 (2-10km)； 3）同流层底部 (10-30km)； 4）同流层（中间层） (30-100km)。边界层气溶胶模型与地理环境、天气一个，MODTRAN给出的边界层气溶胶 模型主要有：农村、都市、海洋、对流层、雾等。6农村的气溶胶模型由占比70％的可溶物质（氨、硫酸钙及有机化合物）和占 比30％类灰尘气溶胶混合而成。海洋的气溶胶模型由盐颗粒和背景两部分组成， 盐颗粒是海水飞沫蒸发后再凝聚核水汽形成的较大颗粒，存在于离海面10－20 米高处。海洋的背景气溶胶与陆地农村气溶胶相仿，唯一不同是没有非常大的颗 粒。都市气溶胶模型由占比20％的燃烧生成物或工业源形成的类烟尘气溶胶，其 余80％为农村气溶胶。对流层气溶胶模型代表了一种非常清彻天气条件，能见度 达50公里。对流层顶部 (2-10km)的气溶胶比边界层均匀的多，大颗粒迅速减少。同流层 底部 (10-30km)的气溶胶主要受季节影响，因为对流层顶部的高度是随季节变化 的变化。该层呈全球均匀分布，不受地理环境影响，主要颗粒是光化学反应产生 的硫酸盐颗粒和火山喷发时的火山灰。高层大气的主要气溶胶是流星灰。 2.4 大气模型 MODTRAN定义了6种标准的大气模型，也允许用户输入气象数据，自定义 大气模型。标准的大气模型有：1）1976 年美国“标准”大气：1976 年，由美国制定，用中纬度平均值表示。 2）赤道：北纬 15° 。 3）中纬度夏天：北纬 45° ，7 月。 4）中纬度冬天：北纬 45° ，1 月； 5）亚北极夏天：北纬 60° ，7 月； 6）亚北极冬天：北纬 60° ，1 月MODTRAN的模型大气将大气非等高度地划分为34层，能给出这6种模型大 气的气压、温度以及H2O、CO2、O3等11种气体含量随高度的分布。例如：中纬 度夏天模型大气的气压、温度及水分子含量的高度分布如下表所示。73MODTRAN 屏幕输入 MODTRAN 的屏幕输入参数有模型大气（ Model Atmosphere ） 、气溶胶(Aerosol)、几何参数和光谱带 (Geometry and Spectral Band)等 3 大类，参数输入 屏幕上分别用（1） 、 （2） 、 （3）标注。 3.1 “模型大气”输入参数 屏幕标题：Model Atmosphere(1)83.1.1 计算选择可选MODTRAN带模型或MODTRAN所含的LOWTRAN模型。 3.1.2 大气模型大气模型包括标准大气模型和用户自定义。标准模型大气与 LOWTRAN相 同，共6种，其中1976年美国标准大气是一种标准的大气模型，其余5种模型反映 了季节、纬度对大气性质的影响。用户自定义大气模型有两种，要求用户输入气 象数据。 3.1.3 路径类型大气路径有水平路径、斜路径、斜路径至太空 3种。需输入的路径参数如前 所述，在“几何参数和光谱带”屏幕上输入。 3.1.4 运行方式MODTRAN 有透过率（Transmittance）、热辐射亮度（Thermal Radiance） 、 有散射辐亮度 （Radiance with Scattering） 、 太阳直射照度 （Direct Solar Irradiance） 等四种运行模式 3.1.4.1 透过率 透过率运行模式（MODE=0）可计算路径的总透过率以及气体分子带吸收、连 续吸收、气溶胶吸收等分量的路径透过率。路径的总透过率为各个分量的路径透 过率之积。透过率运行模式下，可输出以下结果： 1）总路径透过率； 2）H2O，CO2,O3 等吸收气体的透过率； 3）分子散射的透过率；94）气溶胶透过率。3.1.4.2 热辐射亮度热辐射亮度模式（MODE=1）可计算路径大气辐射的辐亮度（即大气辐亮度） 和路径的总透过率，大气辐射主要在热红外波段，故称大气热辐射。热辐射亮度运行模式下可输出以下结果： 1）总路径透过率（Trans. Total） －与路径类型、路径大气吸收、散射的衰减系数有关。 2）路径热辐射（Path Thermal） －路径大气热辐射的光谱辐亮度。 3）热散射（Thermal Scat） －路径外大气热辐射经散射进入路径的光谱辐亮度，通常可忽略。 4）表面辐射（Surface Emission） －特定温度、比辐射率边界层表面热辐射产生的光谱辐亮度。 5）地面反射的总辐亮度（Total Ground Reflected） －大气热辐射经地面反射产生的光谱辐亮度，通常可忽略。106）总辐亮度（Total Radiance） － 观察点在视线方向接收到辐射的总辐亮度。总辐亮度是 2） 、3） 、4） 、5） 四项辐亮度之和，由于热散射 3）和地面反射辐亮度 5）可忽略，总辐亮度 是路径热辐射 2）和边界层热辐射 4）辐亮度之和。 7）光学深度（Optical Depth） －单位：Km-1，应是衰减系数，光学深度（大气质量）是衰减系数对路径 的积分。边界层可以是地球、云、飞机等，MODTRAN假设边界层均为灰体，用户 须输入边界层温度和表面反射率（Surface Albedo） ，以确定表面发射的辐亮度。 边界层温度的缺省值为0，此时边界层温度根据大气模型确定。如不用缺省值， 用户可输入边界层的绝对温度和表面反射率。比辐射率等于（1－表面反射率） ， 表面反射率的缺省值为0，比辐射率等于1，即认为是黑体。用户可直接输入反射率的数值， MODTRAN也提供了几种典型的边界层， 包 括：雪、森林、植被、草地、海洋、沙漠等，这几种典型边界层在红外波段的光 谱反射率和光谱比辐射率都是确定的。例如：雪 Snow cover (fresh) Spectral coverage is 1.4 to 50. micrometers (200 to 7143 wavenumbers) Wavelength RHO EPS 反射率1.40 1.46 1.55 1.85 1.93 2.08 2.25 2.35 2.45 3.00 .48 .52 .05 .95 .05 .95 .24 .76 .02 .98 .02 .98 .17 .83 .06 .94 .02 .98 .02 .9811比辐射率3.20 5. 20. 50..07 .93 .02 .98 .02 .98 .02 .98森林沙漠云12海洋 Ocean (not grazing angles) Spectral coverage is 1.0 to 14. micrometers (714 to 10000 wavenumbers)Wavelength RHO EPS 1.0 1.5 2.0 2.6 2.9 3.4 4.0 6.0 8.0 10. 12. 14. .03 .97 .03 .97 .02 .98 .01 .99 .05 .95 .02 .98 .02 .98 .02 .98 .01 .99 .02 .98 .04 .96 .06 .94可用热辐射亮度模式计算HY1海洋卫星以45° 倾角观察海面的路径辐亮度 和透过率。输入文件：PcModWin37\Usrer\HY1热辐射辐亮度（全波段）.ltn输入参数：中纬度、夏天，23公里能见度，海水温度300K，反射率0.03。13输出曲线如图，大气热散射、地面反射的热辐射均可忽略，观察点的总辐亮 度是路径热辐射和边界层热辐射的辐亮度之和。 卫星红外地平仪接收到的15微米 辐射几乎全部来自CO2吸收带的大气辐射，来自地球表面的辐射可以忽略。 3.1.4.3 有散射辐亮度热辐射亮度运行模式的路径辐亮度只考虑路径大气和地面的热辐射，有散射 辐亮度运行模式（MODE=2）的路径辐亮度不仅考虑路径大气和地面的热辐射， 还增加了路径外辐射源（太阳、月亮、地球等）产生的大气散射辐亮度和地面反 射辐亮度。路径大气的散射有分子散射、气溶胶散射，分子散射主要影响可见光波段的14路径辐亮度，气溶胶散射对近红外、中波红外影响较大。路径外辐射源的辐射经 大气散射进入路径将增加路径的辐亮度。MODTRAN 的单次散射仅计算太阳或 月亮光散射后进入路径，不考虑进入路径散射光再次散射，离开路径。散射辐亮度和观察方向与太阳/月亮照射的相对位置遥感， 计算时须输入太阳 /月亮几何位置（Solar /Lunar Geometry）相关参数。有散射辐亮度运行模式下，可输出以下结果： 1）总路径透过率（Trans. Total） －与路径类型、路径大气吸收、散射的衰减系数有关。 2）路径热辐射（Path Thermal） －路径大气热辐射的辐亮度。 3）热散射（Thermal Scat） －大气热辐射经散射进入路径的辐亮度，通常可忽略。 4）表面辐射（Surface Emission） －特定温度、比辐射率界面热辐射产生的辐亮度。 5）太阳散射辐亮度（Solar Scatter Radiance） 。 －太阳辐射经散射进入路径并到达观察点的辐亮度。 6）单次散射辐亮度（Single Scatter Radiance） －太阳辐射经单次散射进入路径的辐亮度。 单次散射是指不考虑进入路径的 散射辐射再次离开路径，如设置为单次散射模式，太阳散射辐亮度即单次散 射辐亮度。 7）总地面反射（Total Ground Reflected） －太阳光地面反射产生的辐亮度，包括太阳直射光地面反射和散射光地面 反射，能量主要集中在 VIS，NIR 波段，少量在,SW 波段，MW，LW 波段 可忽略。 8）直接地面反射（Direct Ground Reflected） －太阳直射的地面反射的辐亮度（用户手册 p380） 。 9）总辐亮度（Total Radiance） －观察点在视线方向接收到的辐亮度，是路径大气热辐射、地面热辐射、15地面反射产生的辐亮度之和。在 MW，LW 波段，地面反射辐亮度可忽略， 总辐亮是路径大气热辐射、地面热辐射辐亮度之和。在 VIS、NIR、SW 波 段，路径大气热辐射可忽略，总辐亮度是路径大气太阳散射和地面反射辐 亮度之和。 10) 太阳反射辐亮度（Reflected Solar） －大气层外太阳光 100％漫反射产生的辐亮度，可作为外层空间太阳辐射 基准。 11) 观察点太阳反射辐亮度（Solar at Observer） －观察点处太阳光 100％漫反射产生的辐亮度，可作为观察点处太阳辐射 的基准。 12）光学深度(Optical Depth) －单位：Km-1，应是衰减系数，光学深度（大气质量）是衰减系数对路径 的积分。可用有散射辐射亮度模式计算HY1海洋卫星以45° 倾角观察海面的路径辐亮度 和透过率。输入文件：HY1太阳散射辐亮度（全波段）.ltn。输入参数：太阳天 顶角为0° 。中纬度、夏天，23公里能见度，海水温度300K，反射率0.03。输出的全波段路径辐亮度曲线如图。中波、长波波段的路径辐亮度是海面和路 径大气的热辐射辐亮度之和，大气散射、海面反射均可忽略。16在可见光至短波红外波段，路径辐亮度是太阳散射和海面辐射辐亮度之和，太 阳散射远强于海面反射。3.1.4.4 太阳直射照度太阳直射照度（“Direct Solar Irradiance”）运行模式（MODE=3）可计算： 1）大气层外的太阳正入射的光谱辐照度； 2）太阳透过大气到达观察点的光谱辐照度； 3）路径透过率。 这里的大气层外太阳照度或观察点太阳照度约定为正入射照度。太阳的入射照度和地面照度（天顶角0° ，VIS-LWIR）17太阳的入射照度和地面照度（天顶角0° ，VIS-NIR）至海面大气透过率（天顶角0° ，VIS-NIR） 3.2 “气溶胶”输入参数 屏幕标题：Aerosole (2) 3.2.1 气溶胶模型No Aerosol Attenuation = 0 = no aerosol effects included in the calculation Rural - VIS=23km = 1 = RURAL extinction, default VIS = 23 km Rural - VIS=5km = 2 = RURAL extinction, default VIS = 5 km Navy Maritime Urban - VIS=5km = 3 = NAVY MARITIME extinction, sets its own VIS = 5 = URBAN extinction, default VIS = 5 km18Maritime - VIS=23km = 4 = MARITIME extinction, default VIS = 23 kmTropospheric - VIS=50km = 6 = TROPOSPHERIC extinction, default VIS = 50 km User Defined - VIS=23km = 7 = USER DEFINED extinction, default VIS = 23 km Fog advection - VIS=.5km = 8 = FOG1 (advection fog) extinction, default VIS = 0.2 km Fog radiation - VIS=.2km = 9 = FOG2 (radiation fog) extinction, default VIS = 0.5 km Desert extinction = 10 = DESERT extinction, sets its own VIS from WSS3.2.2 气溶胶模型季节修正主要对季节变化引起对流层高度的变化进行修正。 3.3 “几何位置和光谱带”输入参数 屏幕提示：Geometry and Spectral Band (3) 3.3.1 路径参数须先在屏幕（1）的“Type of Atmosphere Path” 的框中选择大气路径类型（如 水平路径、斜路径等） ，再在屏幕（3）“Path Type”的框中选择路径参数设置方法 （如高度、天顶角、路径长度等） ，方可输入具体路径参数。每个路径参数均可 设置初值、终值、步长，即可得到多组路径参数的计算结果。 3.3.2 光谱带参数须输入的参数包括：初始、终值、增量或狭缝函数的半宽度(FWHM)的波数 (cm-1)或波长(um 或 nm)。 3.3.3 太阳/月亮几何位置选择“有散射辐亮度”运行方式时，先要明确散射源是太阳或月亮。然后输 入太阳/月亮的几何位置参数，输入方法有 3 种： 1）输入观察点和太阳的地平经度、地平纬度； 输入内容包括： 太阳日： 1－365，仅用于修正日地距离；观察点经纬度：地经（0° －360° ） 、地纬（－90° －90° ）19太阳经纬度： 地心与太阳连线与地球交点的地经、地纬； 路径方位角： 0-360°（正北为 0°，正东为 90°） 。2）输入观察点经纬度、太阳日（1-365）和观察时刻的格林威治时间； 输入内容包括： 太阳日： 1－365，用于修正日地距离和太阳的视位置；观察点经纬度：地经（0° －360° ） 、地纬（-90° －90° ） 时间： 观察时刻的 Greenwich 时间 ；路径方位角： 0-360°（正北为 0°，正东为 90°） 。3）输入观察视线方位角（视线与日地连线地面投影的夹角）和观察点的太 阳天顶角 输入内容包括： 太阳日： 视线方位角： 1－365，仅用于修正日地距离； -180° －180° ，所谓视线方位角实际上是视线转至日地连 线在方位方向转过的角度，由北往东为正，反之为负。 太阳天顶角： 0° －90° ；? sun ? pathWN? los? pathES太阳光散射与散射角（太阳光线与视线之间的夹角）有关。方法 1 用太 阳的地经、地纬确定太阳光的入射方向，视线方向由路径的天顶角、方位角20而定。方法 2 的太阳光入射方向是根据太阳日、时间而定，视线方向仍由路 径的天顶角、方位角而定。如何确定观察点太阳的天顶角、方位角可参见附 录 2。由于路径天顶角已设定，方法 3 要求输入太阳天顶角和观察视线与日地 连线之间的方位角，已能完全确定太阳光与视线的相对位置，不必再要求输 入太阳和视线的方位角。4附录 1：MODTRAN 计算海洋卫星波段辐亮度4.1 HY-1 技术参数 表 2.3 卫星平台相关参数 卫星轨道 圆形太阳同步轨道，高度 798km，降交 点地方时 10:30?30min 卫星姿轨控 姿态测量精度 姿态指向精度 姿态稳定度 三轴稳定，对地定向 偏航? 0.3?，滚动、俯仰? 0.2? 偏航? 0.5?，滚动、俯仰? 0.4? 三轴? 0.01?/sHY－1 对可见光通道的灵敏度要求为：表 2.26 编号 B1 B2 B3 B4 B5 B6 谱段(μm) 0.402～0.422 0.433～0.453 0.480～0.500 0.510～0.530 0.555～0.575 0.660～0.680 测量条件 （mW?cm-2?Sr-1??m-1） 9.10 8.41 6.56 5.46 4.57 2.46 S/N; （NE?T） 349 472 467 448 417 309 NE?L （mW?cm-2?Sr-1??m-1） 0.026 0.018 0.014 0.012 0.011 0.00821B7 B80.740～0.760 0.845～0.8851.61 1.09202 3270.008 0.0034.2 计算大气层外和海面太阳辐照度 用模式 3，输入参数： 大气模型：中纬度、夏天； 路径类型：斜路径至太空； 运行模式：直接太阳照度； 气溶胶模型：洋面 （Maritime VIS=23km）; 路径参数： 观察点高度 0 公里，太阳天顶角 0° 。光谱带： 0.4-0.9um大气层外太阳照度的光谱曲线与 5900K 黑体的光谱曲线并不完全一致。因 此，用普朗克定律计算和用 MODTRAN 计算结果有少量差异。用普朗克定律可计算大气层外，太阳的波段辐照度如下：H ?? ? S ? k其中： S 为太阳常数，取 0.1367W/cm2;k 为 5900K 黑体波段出射度与全波段出射度之比。22大气层外太阳的光谱辐照度为：H? ? H ?? ??用 Plank 定律计算 大气层外太阳光谱辐照度 k 0.402～ 0.422 0.555～ 0.575 0.845～ 0.885 MODTRAN 方式 3 计算 大气层外太阳光谱辐照度谱段 (μm)H ??Wcm-2 3.38 E-3 3.50 E-3 3.90 E-3H?Wcm-2um-1 0.169H?Wcm-2um-1 0.174?aB12.47E-2B52.56E-20.1750.180B82.85E-20.09750.0914.3 计算 HY-1 处的光谱辐亮度 用模式 2，输入参数： 大气模型：中纬度、夏天； 路径类型：斜路径至太空； 运行模式：有散射辐亮度； 气溶胶模型：洋面 （Maritime VIS=23km） ； 海水： 温度 300K，反射率 0.03路径参数：观察点高度 100 公里（实际 798 公里） ； 45° 对地倾斜观察；HY1 对海倾斜观察的路径总透过率：23HY1 对海倾斜观察的路径辐亮度（VIS,NIR）到达 HY1 的光谱辐亮度是海面反射与太阳散射光谱辐亮度之和。MODTRAN 计算中假设地面为灰体，海面反射光的辐亮度为：N? ?其中：H? ????? a?H ? 为海面太阳照度，可用模式 3 算得；? 为海水反射率，取 0.03;? a? 为海面至 HY-1 卫星的光谱透过率。24用 MODTRAN 计算 HY1 3 个可见光波段的路径透过率、海面反射、太阳散 射、总辐亮度如表：海面反射 编号 谱段 (μm)太阳散射总路径HY1 要求? a?光谱辐亮度 光谱辐亮度 光谱辐亮度 光谱辐亮度 （W?cm-2?sr （W?cm-2?sr （W?cm-2?sr （W?cm-2?sr－1??m-1）－1??m-1）－1??m-1）－1??m-1）B10.402～ 0.422 0.555～ 0.575 0.845～ 0.8850.503.7E-47.4E-37.8E-39.1E-3B50.646.2E-45.5E-36.1E-34.57E-3B80.775.9E-42.2E-32.8E-31.09E-3用 MODTRAN 计算的海面反射光辐亮度与 HY1 要求的辐亮度还是接近的。255附录 2：如何确定观察点太阳的天顶角、方位角 图中：在地平坐标系中，如 P 点为地面观察点，D 点为日地连线与地球球面的交点。P 点的地平经度（地经） 、地平纬度（地纬）即观察点地理位置的经纬 度，D 点的地经、地纬即 MODTRAN 要求输入的太阳经纬度。NZθ0P W O φhSδD E方法 1 输入了观察点和源的经纬度，即 P 点、D 点的经纬度，用球面三角可 以计算 P 点的太阳的天顶角、方位角。由球面三角几何可求太阳天顶角：cos ?0 ? sin ? sin ? ? cos ? cos ? cosh其中： ? 为观测点纬度(如上海市经度 121.48E，纬度 31.22N)。? 为太阳的地平纬度；h 为为观测点与太阳经度差。在 P 点观测点，建立以 PN 弧为极坐标原点的方位坐标系，则方位角 α 就是 角 NPD,由三角几何可求太阳方位角：t an ?? co? s sinh co? s co sc ho ? s ?s i n ?co? s26方法 2 利用太阳日计算太阳的赤经、赤纬，太阳赤纬即地纬。D 点的地方时 （太阳时）为正午 12 时，根据 P 点纬度和观察时刻的 Greenwich 时间可计算 P 点的地方时，从而将太阳赤经转换为地经，同样可确定太阳的天顶角、方位角。27
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3秒自动关闭窗口基于MODTRAN的复杂大气条件下红外系统作用距离计算
近年来，由于红外成像系统能够在夜间和恶劣气象条件下工作，作用距离较远，且为被动工作方式，不易被发现和干扰，受到了世界各国的重视，被广泛应用于航空航天侦查、遥感、夜视、成像制导跟踪、天文学、医疗成像、工业故障诊断等军事和民用领域。因此，红外成像系统的性能评价对理论研究和实际应用有非常重要的意义。作用距离是红外成像系统的重要参数之一，对红外成像系统的作用距离进行评估对提高系统设计水平、降低成本、缩短研制周期有着重要的意义。红外成像系统的作用距离与许多因素有关，主要有：目标的红外辐射特性、红外辐射在大气中的传输特性以及红外成像系统自身的性能等。本文推导和分析了红外成像系统的作用距离公式，从目标和背景的红外辐射特性、大气对红外辐射的吸收、散射和衰减及系统自身性能三个方面介绍了影响红外成像系统作用距离的因素。大气环境对红外辐射传输的影响很大，是影响红外成像系统作用距离的重要因素,且难以用准确的数学公式表达，是计算红外成像系统作用距离的难点&
(本文共59页)
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1引言建立尽量简单的大气红外传输模型,方便快速和比较准确的得到大气的红外透过率在红外目标的跟踪和探测中具有重要的实际意义。比较通用的大气辐射传输模型有LOWTRAN,MODTRAN和FASCODE三种[2],它们是由美国空军地球物理实验室(AFGL)根据不同的应用目的而开发和研制的应用软件,用来计算大气辐射传输。其中LOW-TRAN计算的透过率与布给定律偏离的绝对误差将超过7%,MODTRAN小于3%,FASODE小于1%[3]。但这些程序都非常复杂,不经专门训练很难正确使用[4]。国内吴晗平在查阅有关的基本数据表的基础上,给出了计算红外大气传输的方法[7];彭德权等人在仿真计算中,考虑了海空背景的饱和水汽压、二氧化碳和臭氧的影响,给出了大气透过率的表达式[6]。本文以大气传输理论为基础,在仅需提供当时大气和红外目标的几个基本参数的情况下,通过编写的计算程序,能得到较为精确的红外辐射的大气透过率。由于大气辐射常用的窗口是3.0~...&
(本文共4页)
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红外热成像系统的性能表征方法和理论建模是当今红外成像系统评估技术研究的热点和难点。作用距离作为红外成像系统的主要的战术指标之一，是评价系统性能的主要参量，它的估算对红外热成像系统的设计、研发和生产有着重要的意义。本文分析和推导了红外热成像系统的作用距离公式，在推导过程中从目标和背景的红外辐射特性、地球大气的吸收、散射和衰减及系统自身性能三个方面介绍了系统作用距离的影响因素。在分析了目标背景辐射特性的基础上，结合国际公认的MODTRAN软件设置了大气参数，着重考虑了大气浓度、水平和倾斜方向分别对红外辐射传输造成的影响，同时考虑了不同大气层中水蒸气、二氧化碳、臭氧及其它微量气体、气溶胶和不同气象条件对红外辐射传输的衰减作用，计算出以上大气参数时不同光谱带的大气透过率。然后利用光谱间隔等分法再次对MODTRAN计算数据进行处理，并建立了相同条件下的数据库，在保持了光谱吸收原有变化趋势的情况下简化了大气透过率的计算，利用逐次逼近法，对不...&
(本文共55页)
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量环境和条件的限制,现有的被动红外遥测实验大1引言多在室内或者是专用的试验场地并在可控条件下开展.一些研究人员认为[8],由于仪器灵敏度不高,傅里叶变换红外(Fourier transform infrared,生物气溶胶相对于背景辐射的微弱反射或吸收,使FTIR)光谱技术由于具有高信噪比、高分辨率和测得对生物气溶胶的遥测可行性还需要进一步探讨.量速度快等优点,在大气环境监测领域得到了广泛但一些研究人员采用FTIR光谱技术对生物气溶胶应用[1,2].在大气监测中,FTIR光谱遥测技术可以的被动红外遥测实验[9,10],成功探测到释放到空气分为两种:主动式和被动式.根据测量地点和要的生物气溶胶,评估了探测的误警率和概率.求的不同,主动式还可以分为开放光路FTIR光谱测量[3]和密封样品池国内对生物气溶胶探测的研究相对开展较晚FTIR光谱测量[4]两种基本,测量模式;而被动遥测技术主要有地基太阳光谱但也进行了这方面的研究工作[11]...&
(本文共7页)
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0引言20世纪80年代初期成像光谱(高光谱)技术的出现,使光学遥感进入了崭新的阶段。高光谱遥感能在电磁波谱的可见光和红外区域,获取许多非常窄的光谱图像数据,为每个像元提供数十至数百个窄波段(一般小于10 nm)的光谱信息,产生一条完整而连续的光谱曲线,以便于识别出地物特征,具有波段多、光谱分辨率高、图谱合一等特点。大气校正是遥感信息定量化过程中不可缺少的环节。在高光谱图像的拍摄过程中,由于大气的存在,进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射[1],其中对传感器接受影响较大的是吸收和散射。由于大气的吸收和散射,使得进入到传感器中的信号减弱[2]。同时,大气的散射光也有一部分直接或经过背景地物反射进入到传感器时却又使得原型号增强了。为了消除这些因素的影响,必须对高光谱数据进行大气辐射校正。目前大气校正的方法主要有基于图像特征的经验线性法、相对校正方法和基于物理的辐射传输模型法[3]。经验线性法需要做大量的地物反射率测量工作,通...&
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1引言随着红外技术的发展,红外辐射在大气中的传输研究越来越受到关注。而红外辐射的重要参数是大气透过率。但在复杂环境条件下红外辐射大气透过率的计算问题比较复杂,没有所对应的曲线及数据库作为参照,所以需要进行深入探讨。为了准确计算和模拟大气红外辐射特征,我们需要建立准确的大气辐射传输模型。本课题研究的基于MODTRAN的红外大气透过率计算方法的研究,分析不同气候条件下对热红外大气透过率的影响,找到影响大气透过率的关键因素,解决大气透过率精确计算的问题,对红外系统的设计及性能评估具有参考价值。2方案设计理论分析大气对红外辐射传输的影响,计算不同参数下的红外大气透过率,构建不同参数所对应的红外大气透过率曲线。2.1红外大气透过率计算的理论基础大气对红外辐射的减弱过程称为衰减。辐射衰减是大气对红外系统最主要的影响。红外辐射衰减主要与以下三种因素有关:(1)大气中水、二氧化碳分子的吸收;(2)大气中的不同大分子结构、气溶胶颗粒以及其他微粒的...&
(本文共2页)
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