第三章-单次散射理论PPT幻灯片课件.ppt

,电子科技大学,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chapter 3,Approximate model of the single scattering,杨春平,电子科技大学光电信息学院,1,3.1,单次散射近似方法,一、两个假设：,1.,独立散射,散射粒子之间的距离足够大，其散射图象不受其它粒子的影响。（假定）,通常认为，粒子间的距离,三倍,于粒子直径，对独立散射的假设就足够了。对于大气中的气体分子之间的距离以及大气中气溶胶粒子之间的距离来说，都大大超过了三倍粒子直径。因此，对大气光传播问题而言，独立散射假设总是适用的。,3.1.1,单次散射近似的物理基础,2,2.,散射强度非相干叠加相加,尽管我们作了独立散射的假设，但各散射光之间的干涉效应仍然是可能的。只是它们之间没有系统的相位关系。从平均的意义上，可以不计及相位，而将散射强度直接相加。,散射过程 图,1,二、单次散射,二次以上的散射光的影响可以忽略的粒子散射。单散射近似的数学处理较为简单，在工程设计中得到了广泛的应用。,3,观察点,一次散射,二次散射,三次散射,四次散射,the single scattering,the multiple scattering,Schematic of scattering procedure,4,单次散射适用条件：,当反照率,=1,时，,g,z0.1,；,(,无吸收,),当反照率,0.5时，,吸收,增强,散射减弱,适用范围扩大,g,z,可达,2,及以上；,观察者的,视场角,越窄，整个传播过程就越接近于单散射近似。,光学厚度,5,注意,:,(1),反照率,=Cs/C=Qs/Q;,(2),的单位是奈培，它与分贝的关系：,1,奈培,=4.343,分贝,unit:,Km-1,6,三、单次散射的基本公式,7,根据粒子消光截面,于是,：,Flux,Total particle number,与,(1.9),式比较,8,于是，可得到,消光系数,：,scattering extinct coefficient,9,在大气环境的特定情况下，通常所处理的粒子如,雾滴、气体分子,等，都可以看作为,球形粒子,而不会有什么误差。这些粒子的半径显然会呈现一定的自小到大的分布状态，分布状态还会随着,Z,坐标的变化而不同。我们,把粒子数值密度随半径的分布记作,n(a),。显然,Number density,particle spectrum,10,再用消光效率因子,Q,代替消光截面,C,，我们就可以把消光系数写作,：,(,z,)=,a,2,Q(,a,)n(,a,z,),da,这就是单次散射近似的基本公式,.,Single scattering,(,z,)=,C,n(,a,z,),da,=,a,2,Q(,a,)n(,a,z,),da,11,Transmission,The optical depth,12,3.2,能见度和能见距离,visible distance,在能见距离内，,白天，分辨水平天空背景下的,显著黑色,目标；,夜间，看见中等强度的未聚焦的,光源,。,传统意义上的定义：,“能见距离”是人眼所能,感知,的一种最大距离。,13,在视距内的一个小体积元,dv,上，由于阳光、漫射天空光和地面反射光等自然光源的照射，总会产生指向观察者方向的光强度,.,其值,正比于该体积元的体积,，也正比于散射图象在该方向的值，因此也就,正比于总的散射截面,Cs,而消光系数,s,=C,s,.,N,。因此,散射光强,：,体积元：,dV=r,2,drd,w,比例系数,1.,目标对水平通道上的亮度对比度,14,r,dr,R,d,w,Object,外界的光在,dv,上产生散射,15,该光强在观察平面产生的照度，依照单散射近似条件，可以写作,：,根据定义,，可得辐射亮度的表达式：,16,观察点视在亮度的基本微分方程,：,如果在距离观察者,R,处没有目标，对于均匀通道，消光系数和比例系数都可看作不随距离而变,通道亮度：,将上式从,0,积分到,：,The vision intensity,Background intensity,17,在,R,处一个黑色目标的亮度，,将上式从,0,积分到,R,：,定义,亮度对比度,：,18,容易得到,B,的一般表达式：,B,为,正,值，且随,L,h,的减小而迅速地增大，它相当于夜间的情况。,B,为,负,值，其最小值为,-1,，这就是白天的情况,。,B=,0,，,不可能辨别出目标和背景的区别,。,19,B,R,=B,0,exp(-,g,s,.R),B,0,是目标与背景的,固有亮度对比度,，,B,R,是观察者的,视在亮度对比度,。,当目标并不能看作是绝对黑体，因此上式还需作一些修正,：,20,Visible distance,定量的能见距离定义，可从（,3.11),式出发,:,一个,绝对黑体,目标（固有亮度对比度为,-1,），在能见距离上观察，它的,视在亮度对比度为,-0.02,。,于是，能见距离,R,m,：,2.,能间距离的定义,21,工程上，,从能见距离估计不同波长的散射系数,（,近红外和中红外波段,）,g,s,=(3.912/,R,m,)(,l,/0.55),-,q,3.,能间距离的简易公式,22,能见度等级,气象状态,能见距离,（,km,-1,）,0,浓 雾,78.2,1,厚 雾,50m,200m,78.2,19.6,2,中 等 雾,200m,500m,19.6,7.82,3,轻 雾,500m,1km,7.82,3.91,4,薄 雾,1km,2km,3.91,1.96,5,霾,2km,4km,1.96,0.954,6,轻 霾,4km,10km,0.954,0.391,7,晴 朗,10km,20km,0.391,0.196,8,很 晴 朗,20km,50km,0.196,0.078,9,非常晴朗,50km,0.078,-,纯净空气,277km,0.0141,*,23,3.3,大气中的微粒散射,气溶胶,：泛指大气中的悬浮粒子。,例如：烟、霾以及尘埃微粒等。,来源,：大气中各种气体的化学反应，如林火、火山爆发以及人类的燃烧活动、海水表面裂化等。,大小分布,：,1.0e-4,几十,m,一般半径小于,1 m,3.3.1,气溶胶,24,霾,：当对大气能见度造成影响时的气溶胶称谓。,爱根（,Aitken,）核,：,直径小于,0.2,m,的气溶胶质粒。爱根核对光传播的影响是可以忽略的。,对光传播影响最大的是直径从,0.1,到,10,m,的,“,大,”,粒子。,25,气溶胶质粒的浓度分布,直径,(,m,),大陆空气,海洋空气,城市污染空气,爱根核,气溶,胶大粒,气溶,胶巨粒,DN/d(logD)(cm,-3,),图,3.3,气溶胶质粒粒径分布的平均测量结果,Jungle spectrum,distribution,10,-3,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,2,10,-6,10,-5,10,-4,10,-3,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,2,10,3,10,4,10,5,10,6,爱根核,气溶,胶大粒,气溶,胶巨粒,26,c,是一个比例常数。也是一个常数，典型的 ，且随地点、环境而有所不同,。,当粒径大于,0.2,m,时，通常用,幂次方分布,来描述气溶胶质粒粒径的分布典型分布函数,Jungle spectrum,distribution,Drop spectrum,27,相对于地面测量来说，高空大气中气溶胶质粒浓度和尺度的测量工作要少得多，还不足以提出公认的模型。,大多数研究者认为在,5km,高度以下，粒子浓度随高度的降低呈指数规律。,粒径分布尽管也有变化，但变化很小，可以认为是不变的。,Special high,28,Rm,2 3 4 5 6 8 10 13,Hp,0.84 0.9 0.95 0.99 1.03 1.10 1.15 1.23,Special high,29,常见的几种尺度分布函数,30,在辐射传输中常用的气溶胶尺度谱模式为,21,：,和,下标分别代表小粒子和大粒子,，,表示粒子数密度,，,和,分别代表粒子分布的几何标准差和几何平均半径。,双峰对数正态分布,31,表,3-2 5km,能见度下乡村气溶胶参数的数密度,5km,能见度下城镇气溶胶参数的数密度,32,气溶胶类型分类情况表,高度（,km,）,气溶胶模型,参数,0,2,海洋气溶胶,季节，,地面温度，,任意能见度，,任意相对湿度,乡村气溶胶,小城市气溶胶,大城市气溶胶,沙漠气溶胶,风速,典型大陆气溶胶,2,10,典型大陆气溶胶,10,30,典型同温层气溶胶,火山爆发早期（,0,1,年）,火山爆发中期（,1,5,年）,火山爆发后期（,5,30,年）,30,100,宇宙尘埃,33,气溶胶大气模型,:,晴朗和阴云条件下的垂直尺度分布,高 度,(km),微粒密度,N,（微粒,/,厘米）,23,公里能见度,(,晴,),5,公里能见度,(,阴,),0,2.828,13.780,2,537.1,1.844,4,119.2,245.3,5,89.87,89.87,6,63.37,63.37,7,58.90,58.90,12,55.85,55.85,17,44.58,44.58,21,19.33,19.33,23,11.13,11.13,35,0.5890,0.5890,45,4.082e-2,4.082e-2,70,5.55e-5,5.55e-5,100,0.0,0.0,34,乡村气溶胶的消光系数,(,在,0.55,m,处归一化到,1.0),35,乡村气溶胶的吸收系数,36,乡村气溶胶的非对称因子,37,气溶胶的象函数,38,气溶胶的消光,Scattering coefficient,39,3.2.2,水汽凝集物,水汽凝集物,:,指大气中以固态或液态形式存在的水粒子，包含：雾、云、雨、雪、雹、海水溅沫等,大小,：一般，,半径为,1,m,或更大,。,形成：,当大气中水汽含量达到,过饱和状态,时，水汽就有可能在气溶胶质粒上,凝聚成水滴或冰晶,，这种凝聚过程有时在水汽接近饱和时就开始发生,。,40,水汽凝集物（,1)-,雾、霭,均指,:,大气中水汽在气溶胶质粒凝聚的,水滴或冰晶,。,能见距离小于,1km,称,雾,；,能见距离在,1km-10km,时，称霭或,轻雾,。,41,雾的基本描述参数,雾滴的粒子谱密度是雾生成时间的函数,最初的十几分钟内，可看成是幂分布,图,4,稳定状态，最流行的看法，雾滴谱呈现为,修正,G,函数,：,n(,a,)=A(,a,/,a,m,),a,exp-B(,a,/,a,m,),b,a,m,是滴谱的众数半径，而：,Modified Gamma distribution,The control radius,42,雾滴随时间变化的理论分析结果（,液滴谱,）,分布浓度,n(a)(cm-3m-1),43,N,0,是单位体积内的粒子数，,a,，,b,是两个可调整的参数。,44,相对液滴半径,图,3.5,修正,函数描述的雾滴谱分布,45,雾的基本描述参数（续）,液态水含量,l,w,能见距离与液态水含量的关系：（效率因子,Q,取作,2,）,R,m,=2.62,a,e,/,l,w,R,m,是能见距离,单位为,m,，,a,e,是液滴,有效平均半径,，单位为,m,m,，,l,w,是液态水含量，单位为,g m,-3,。,The effect mean radius,46,消光系数与液态水含量的关系,从图,3.8(P,42,),中可以看出，消光系数与液态水含量之间的关系受,雾滴众数半径,的影响很大,。,47,3.3,气体分子对传播的影响,“,干洁,”,大气的概念，是指将水汽和气溶胶从大气中清除出去后的大气；具体成分见表,3.4,（,p43,）。,“,干洁,”,大气的组分从地面到,90km,高度基本不变；,“干洁”大气,的光学厚度,:,在紫外和近紫外波段，整层大气的光学厚度可达到,1,的量级；在可见光的其它波段和红外波段，,“,干洁,”,大气的消光一般可以忽略；,48,光学厚度,紫外,可见,红外,图,3.9,干洁大气的瑞利光学厚度,49,g,0,和,r,0,分别是海平面的消光系数和气体密度,量,称为均质大气高度，记作,H,其值约为,7991,米,。,假设气体的成分是不变的,即消光系数,是气体密度,的线性函数,。,垂直上行光的计算公式是：,50,Earth surface,Observation point,0,51,当上行光与垂直方向成,角时，需加修正：,麦克拉切（,McClatchey,）等人推得此时的,M,为,52,式中，,n,(,h,）是作为高度函数的大气折射率；,R,是地球半径。,53,3.3.2 Molecular Absorption and Atmospheric windows,0.4-0.75,m,m spectral region,the 1th Window,3-5,m,m spectral region,the 2th Window,8-12,m,m spectral region,the 3th Window,54,55,the 1th Window,the 2th Window,the 2th Window,56,57,58,1.06,m,0.88,m,59,1.06,m,60,1.06,m,61,1.54,m,62,1.54,m,63,1.54,m,64,1.54,m,65,1.54,m,66,1.54,m,67,谱线加宽机制：,近地面时是,压力加宽,（,Lorentzian line,），主要由于低层大气，压力较大，分子碰撞几率高引起。,高空时为,Doppler,加宽,，主要由分子的热运动决定。,68,Lorentz,加宽,（压力加宽）的吸收截面：,其中，,S,的值可以从辐射量子理论获得，在热平衡条件下为：,69,c,：光速；,n,lu,：跃迁波数 自,l,（低能态）到,u,（高能态）,r,l,：较低能态中的分子密度；,P,：气体压强；,A,ul,：爱因斯坦自发辐射系数,g,u,g,l,：高态、低态统计权重,h,：普朗克常数；,k,：波耳兹曼常数,T,：绝对温标,70,a,为谱线半宽度,71,Doppler,加宽,的吸收截面：,Doppler,半宽度,a,d,的表示式是：,m,：分子质量，,M,：分子量。,72,具有,混合,多普勒,-,洛伦兹线型的单线吸收,称为,Vigit lineshape,。,73,对于激光传播而言，通常可以不考虑谱带吸收。但对于一般光源，必须考虑谱带吸收效应。,3.3.4 BAND ABSORPTION MODEL,*,Elssaser,模型,（规则模型）,假定每根谱线的积分强度相等，均为,Lorentzian line shape,，彼此间的波数间隔以及半宽度也相等；,适用,:,CO,2,、,N,2,O,、,NO,等吸收谱线比较规则的分子。,74,Statistical,model,（,Goody model,）,吸收线型一致，但强度和位置都是随机分布的。假设谱线的位置和强度可以用一种几率函数来表示。,适用,：水蒸气的吸收带，因为它吸收光谱线是无规则的。,75,Random model,假设谱带中有几种,Elssaser,模型的谱带，而这几种谱带有不同的强度、不同的宽度、不同的光谱间隔，并且这几种谱带是无规则的叠加在一起的。这样，比较接近真实的光谱结构。,适用,：,2.7,m,的谱带。,原因,：在,2.7,m,处既有比较规则的,C2O,吸收带，又有无规则的,(H,2,O),吸收带,。,76,Quasi Random model,是,最精确,的，因而也是最复杂的带模型。实际谱线既不像,Elssaser,模型那样规则，也不象统计模型（,Goody,模型）那样任意,。,特点：,这种模型可以产生,与实际较为接近,的吸收，但是计算工作量大。,处理方法：如下,77,处理方法,A,首先针对光谱间隔,v,分为若干个宽度为,的小间隔，再取一个包括几个小间隔的区段,；,B,计算各,小间隔内的,吸收率；,C,求,区段,内的平均吸收率；,D,将此,区段,的位置移动,/2,，重复上面的计算，一直进行到将,v,都包含在内,E,把全部区段的吸收率平均，即得到最终的吸收率。,适用范围,：波长范围宽、压强变化较大,78,79,谱 带 吸 收 模 型的局限性,(1),每种带模型只是实际谱线强度及其分布的一种模拟，而不同吸收气体又有不同的谱线结构。因此，一种带模型可用于一种气体而不适用于另一种气体。,(2),都是采用较简单的洛伦兹线型函数。,（高度小于,50km,是可以使用的）,(3),大多数带模型法计算的结果都不可能得到很高的光谱分辨率。,（,适用于低分辨率的实际应用中,）,80,(4),带模型,只能用来计算均匀路程,的吸收，对于大气中的斜程必须折合为等效海平等效路程。,(Gurtis-Gpdson,近似：几百次实验检验）,(5),各种模型中使用的,a,、,S,和,d,等数据要由实验测定，故应用带模型受实验测量精度的限制。,(6),谱线参数,a,和,S,与温度,T,及压强,P,有关，因此，各种带模型的结果均受气象条件的影响。,81,大气分子吸收数据库：,HITRAN 83,HITRAN 92,HITRAN 96,HITRAN 2K,82,83,84,85,用于计算大气衰减的软件,Lowtran,低分辨率计算程序,Modtran,中分辨率计算程序,Hitran PC3.0,高分辨率计算程序,Fascode,逐线、快速的计算程序,86,Hitran PC3.0,高分辨率计算程序,大气吸收概貌请自行阅读。,87,