第四章-辐射在大气中传输优秀PPT.ppt

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1、第四章第四章 辐射在大气中的传输辐射在大气中的传输 4/14/20231光电成像原理光电成像原理4 辐射在大气中的传输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为传输媒介的电磁波。而大气本身对辐射有折射、吸取和散射等作用，将造成辐射能量的衰射、吸取和散射等作用，将造成辐射能量的衰减，即大气的传输特性干脆影响图像探测器的减，即大气的传输特性干脆影响图像探测器的探测效果，很多技术指标的制定都与确定的大探测效果，很多技术指标的制定都与确定的大气条件相对应。气条件相对应。4/14/20232光电成像原理光电成像原

2、理一、大气层结构一、大气层结构 依据大气的温度、成分、电离状态和其他物理性依据大气的温度、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：质在垂直方向将大气划分成若干层次：4.1 大气的构成大气的构成 对流层集中了约对流层集中了约80%的大气的大气质量和质量和90%以上的水汽。对流层以上的水汽。对流层温度变更较大。温度变更较大。平流层集中了约平流层集中了约20%的大气的大气质量，水汽特别少，臭氧含量特质量，水汽特别少，臭氧含量特别丰富。别丰富。光电成像系统基本上工作在光电成像系统基本上工作在对流层对流层或或平流层下部平流层下部(20-25)。平流层平流层平流层顶平流层顶中间层中间层

3、中间层顶中间层顶热成层热成层对流层对流层对流层顶对流层顶T/Kz/km20100604/14/20233光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 二、大气的组成二、大气的组成 大气大气是混合物，由多种元素和化合物混合而成，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可分为干洁大气、水蒸气以及其他悬浮的固体和液体粒子。粒子。1.干洁大气干洁大气 干洁大气干洁大气是指不含水蒸汽和气溶胶粒子的大气。是指不含水蒸汽和气溶胶粒子的大气。分为：分为：常定成分：在大气中的含量随时间、地点变更很常定成分：在大气中的含量随时间、地点变更很小。主要有氮、氧、氦、

4、氢、氖、氩、氪和氙等，占小。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。据了绝大部分干洁空气的体积。4/14/20234光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 可变成分：在大气中的含量随时间、地点的变更可变成分：在大气中的含量随时间、地点的变更而变更。主要有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭氧、而变更。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，但是对辐射的吸取和散射贡献大。占体积很小，但是对辐射的吸取和散射贡献大。2.水蒸气水蒸气 由大气层结构可知：大气不干燥，

5、含有水蒸气，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、季节及气层高并且水蒸气的含量随地理位置、温度、季节及气层高度而变更。水蒸气主要集中在度而变更。水蒸气主要集中在4km以下的气层中，在以下的气层中，在14km以上的气层中，其含量变更很小。以上的气层中，其含量变更很小。水蒸气对辐射衰减特别严峻，是光电成像系统设水蒸气对辐射衰减特别严峻，是光电成像系统设计、分析和运用中必需重点考虑的因素。计、分析和运用中必需重点考虑的因素。4/14/20235光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 描述大气中水蒸气含量的方法：描述大气中水蒸气含量的方法：水蒸气分压

6、强水蒸气分压强ev，单位是标准大气压（，单位是标准大气压（atm）或毫）或毫巴（巴（mb，1mb=100Pa）；）；体积比浓度，单位是体积比浓度，单位是%；混合比或质量密度比混合比或质量密度比单位质量空气中所包含的水单位质量空气中所包含的水蒸气质量，单位是蒸气质量，单位是g/kg；确定湿度确定湿度H单位体积空气中所含水蒸气的质量，单位体积空气中所含水蒸气的质量，单位是单位是g/m3；饱和水蒸气含量饱和水蒸气含量确定温度下单位体积空气中所含确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；有的水蒸气质量的最大值，只与温度有关；(露点温露点温度表示湿度度表示湿度-露点与气温的差值表

7、示大气中水汽距离露点与气温的差值表示大气中水汽距离饱和的程度。饱和的程度。)4/14/20236光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 相对湿度相对湿度Hr单位体积空气中所含水蒸气的质量与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同温度下饱和水蒸气质量分数Ha之比，以百分数表之比，以百分数表示。示。确定湿度确定湿度H与水蒸气压强与水蒸气压强ev的关系是：的关系是：假如相对湿度假如相对湿度Hr=100%，对应的水蒸气压强称，对应的水蒸气压强称为饱和水蒸气压强：为饱和水蒸气压强：4/14/20237光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 3.气溶胶粒子气

8、溶胶粒子气溶胶粒子气溶胶粒子是分散在气体中的固体微粒是分散在气体中的固体微粒(半径小于几半径小于几十微米十微米)或液态粒子或液态粒子(图图4-2不同成分的尺寸不同成分的尺寸)的的悬浮体系悬浮体系。大气气溶胶粒子浓度由于重力缘由随高度按指数大气气溶胶粒子浓度由于重力缘由随高度按指数衰减，在对流层的这种变更趋势为：衰减，在对流层的这种变更趋势为：其中，其中，N是粒子浓度，是粒子浓度，z为高度，为高度，h0是与气候和地区是与气候和地区有关的特征高度，见表有关的特征高度，见表4-2(不同能见度条件下不同能见度条件下)。气溶胶粒子对光波将产生散射，并且不同尺度的气溶胶粒子对光波将产生散射，并且不同尺度的

9、粒子对不同波长的光波散射也不一样。气溶胶粒子尺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确定了光波的散射。度的分布确定了光波的散射。4/14/20238光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 目前，普遍接受广义伽马分布来描述气溶胶粒子目前，普遍接受广义伽马分布来描述气溶胶粒子尺度分布的成因：尺度分布的成因：式中，式中，r是粒子半径，是粒子半径，n(r)是半径是半径r处单位半径间隔内处单位半径间隔内气溶胶粒子浓度，气溶胶粒子浓度，a、b、c、d是拟合参数，选择不同是拟合参数，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的拟合参数分别描述雨、雾、云等粒子的尺度分

10、布和宏观的光学特性。宏观的光学特性。三、大气模式三、大气模式4/14/20239光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 大气的成分随地理位置、季节和温度有很大变更，大气的成分随地理位置、季节和温度有很大变更，这些变更对大气的光学性质有明显影响，局部区域大这些变更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更。气成分只沿高度方向变更。描述大气特征的主要参数：气压、温度、温度递减率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。并且这些参数和密度等的地面值及它们的高度轮廓。并且这些参数困难多变。困难多变。1.标准大气标准大气 标准大气的定

11、义：能够粗略地反映周年、中纬度标准大气的定义：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。度的垂直分布。所定义的标准大气多年作一次修正。运用运用1976年美国标准大气年美国标准大气30km以下作为国家标准。以下作为国家标准。4/14/202310光电成像原理光电成像原理4.1 大气的构成大气的构成 标准大气的典型用途：用作压力高度计校准，飞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机性能计算，飞机和火箭设计，弹道制表和气象制图的基

12、础，假定空气听从使温度、压力和密度与位势发的基础，假定空气听从使温度、压力和密度与位势发生关系的志向气体定律和流体静力学方程。生关系的志向气体定律和流体静力学方程。2.分析模式分析模式 气压、密度和温度等参数随几何高度的分布可依气压、密度和温度等参数随几何高度的分布可依据以下几种分析模式进行拟合：据以下几种分析模式进行拟合：p93等密度模式，式等密度模式，式(4-6)；等温模式，式等温模式，式(4-7)；多元模式，式多元模式，式(4-8)。4/14/202311光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 大气是混合物，由多种元素和化合物混合而成，大气是混合物，由多种元

13、素和化合物混合而成，是困难的光学介质。是困难的光学介质。辐射在其中传输时将产生折射、吸取和散射等现辐射在其中传输时将产生折射、吸取和散射等现象，从而导致辐射能量的衰减，影响光电成像系统对象，从而导致辐射能量的衰减，影响光电成像系统对目标的探测。目标的探测。大气遥感大气遥感4/14/202312光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 一、大气消光一、大气消光 大气消光：大气对辐射能量折射、吸取和散射等大气消光：大气对辐射能量折射、吸取和散射等衰减作用称为消光。衰减作用称为消光。大气消光的基本特点：大气消光的基本特点：在干洁大气中，大气消光确定于空气密度和辐射通在干洁

14、大气中，大气消光确定于空气密度和辐射通过的大气层厚度；过的大气层厚度；大气中有气溶胶粒子时，其消光作用增加；大气中有气溶胶粒子时，其消光作用增加；在地面基本观测不到波长小于在地面基本观测不到波长小于0.3um以下的短波紫以下的短波紫外辐射；外辐射；地面观测到的太阳光谱辐射中有明显的气体吸取带地面观测到的太阳光谱辐射中有明显的气体吸取带结构。结构。4/14/202313光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 大气的消光作用主要由大气中各种气体成分及气大气的消光作用主要由大气中各种气体成分及气溶胶粒子对辐射的吸取和散射造成。溶胶粒子对辐射的吸取和散射造成。辐射在大气中

15、传输时与气体成分和气溶胶粒子相辐射在大气中传输时与气体成分和气溶胶粒子相互作用，原子或分子发生极化并依从入射光频率做强互作用，原子或分子发生极化并依从入射光频率做强迫振动，从而发生能量交换：迫振动，从而发生能量交换：（1）辐射能转换为原子或分子的次波辐射能。匀整介质）辐射能转换为原子或分子的次波辐射能。匀整介质中次波叠加的结果沿折射方向传播，无消光现象；不匀中次波叠加的结果沿折射方向传播，无消光现象；不匀整介质中的不匀整质点破坏次波的相干性，各方向出现整介质中的不匀整质点破坏次波的相干性，各方向出现散射光，原方向辐射能削减但无能量交换。散射光，原方向辐射能削减但无能量交换。（2）辐射能转换为原

16、子或分子碰撞的平动能）辐射能转换为原子或分子碰撞的平动能热能。入热能。入射辐射频率等于共振子固有频率时发生共振，入射辐射射辐射频率等于共振子固有频率时发生共振，入射辐射被吸取为热能，原方向辐射能削减并有能量交换。被吸取为热能，原方向辐射能削减并有能量交换。4/14/202314光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 二、波盖耳定律二、波盖耳定律波盖耳定律：波盖耳定律：辐射通过介质的消光作用与入射辐射能辐射通过介质的消光作用与入射辐射能量、衰减介质密度和所经过的路径成正比：量、衰减介质密度和所经过的路径成正比：上式的解即为上式的解即为辐射衰减规律辐射衰减规律：假如介

17、质是匀整的光学介质，即假如介质是匀整的光学介质，即(s)=，k(,s)=k()，则由上式得到简化的波盖耳定律：，则由上式得到简化的波盖耳定律：4/14/202315光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 引入引入大气光谱透射比大气光谱透射比描述辐射通过大气时的透射性质，描述辐射通过大气时的透射性质，定义为：定义为：假如是某一波段内的大气透射性质，定义平均透射比假如是某一波段内的大气透射性质，定义平均透射比:大气不同成分与不同物理过程造成的消光效应具有线大气不同成分与不同物理过程造成的消光效应具有线性叠加性，总消光特征量是各重量之和：性叠加性，总消光特征量是各重量之

18、和：4/14/202316光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 此时，总透射比是各单项透射比之积：此时，总透射比是各单项透射比之积：并且各单项透射比可进一步分解为各大气成分的透射并且各单项透射比可进一步分解为各大气成分的透射比。比。波盖耳定律运用的留意事项：波盖耳定律运用的留意事项：假定消光系数与辐射强度、吸取介质浓度无关；不假定消光系数与辐射强度、吸取介质浓度无关；不考虑的功率密度阈值：考虑的功率密度阈值：107W/cm2。4/14/202317光电成像原理光电成像原理4.2 大气消光和大气窗口大气消光和大气窗口 三、大气窗口三、大气窗口光电成像系统常用的大气

19、窗口有：光电成像系统常用的大气窗口有：可见光；可见光；近红外，近红外，0.761.1um；短波红外，短波红外，12um；中红外，中红外，35um；远红外，远红外，814um。假定粒子之间彼此独立地散射电磁波，不考虑多次假定粒子之间彼此独立地散射电磁波，不考虑多次散射的影响。散射的影响。4/14/202318光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 一、大气的吸取一、大气的吸取大气吸取的精确计算方法：大气吸取的精确计算方法：线形法和吸取带法。线形法和吸取带法。1.线形法线形法 在某一波长范围内，用吸取比描述吸取线，不同在某一波长范围内，用吸取比描述吸取线，不同波特长有

20、不同大小的吸取，从而形成吸取线。波特长有不同大小的吸取，从而形成吸取线。单条吸取线的形态分为：单条吸取线的形态分为：洛伦兹线形、多普勒线形、混合线形，式洛伦兹线形、多普勒线形、混合线形，式4-16。2.吸取带模式吸取带模式4/14/202319光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 常用的吸取带模式有：常用的吸取带模式有：Elsasser周期模式、周期模式、Goody统计模式和随机统计模式和随机Elsasser模式。其中，模式。其中，Elsasser周周期模式、期模式、Goody统计模式的透射比满足式统计模式的透射比满足式4-17。3.大气吸取的工程计算方法大气吸

21、取的工程计算方法 吸取起主要作用的大气成分是水蒸气、二氧化碳吸取起主要作用的大气成分是水蒸气、二氧化碳和臭氧。臭氧在高层空间含量较高，二氧化碳含量较和臭氧。臭氧在高层空间含量较高，二氧化碳含量较稳定，水蒸气含量随气象条件变更较大。稳定，水蒸气含量随气象条件变更较大。(1)集合法集合法 水蒸气水蒸气4/14/202320光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 水蒸气的吸取用截面积为水蒸气的吸取用截面积为1cm2，长度等于，长度等于1km海平海平面水平辐射路程的空气柱中所含水蒸气凝合成液态水面水平辐射路程的空气柱中所含水蒸气凝合成液态水后的水柱长度后的水柱长度可降水分

22、可降水分w0表示：表示：对于给定的温度和相对湿度，对于给定的温度和相对湿度，首先首先由上式确定可由上式确定可降水分，并由传输路径长度降水分，并由传输路径长度L确定路径可将水分确定路径可将水分w0L；然后然后由附表由附表4-3海平面水平路径水蒸气含量得到对应的海平面水平路径水蒸气含量得到对应的光透射比。光透射比。二氧化碳二氧化碳4/14/202321光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 二氧化碳的吸取带主要位于二氧化碳的吸取带主要位于2.7um、4.3um、10um和和14.7um处。二氧化碳在大气中的比例比较稳定，处。二氧化碳在大气中的比例比较稳定，可以认为二氧

23、化碳的吸取和气象条件没有关系。可以认为二氧化碳的吸取和气象条件没有关系。高度修正和斜程处理高度修正和斜程处理 由于分子密度、气压和温度等参数对大气的吸取由于分子密度、气压和温度等参数对大气的吸取均随着海拔高度的变更而变更，当路径为确定海拔或均随着海拔高度的变更而变更，当路径为确定海拔或某一斜程时必需进行修正。某一斜程时必需进行修正。高度修正高度修正:等效路径长度等效路径长度:4/14/202322光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 斜程修正斜程修正:水蒸气等效海平面可降水重量水蒸气等效海平面可降水重量:二氧化碳等效路径长度二氧化碳等效路径长度:(2)LOWTR

24、AN法法4/14/202323光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 LOWTRAN模式是美国空军地球物理试验室提模式是美国空军地球物理试验室提出来的一种地辨别力大气模式，算法较简洁，精度约出来的一种地辨别力大气模式，算法较简洁，精度约为为10%15%。大多数光电成像系统分析都接受。大多数光电成像系统分析都接受LOWTRAN分析大气传输特性。分析大气传输特性。LOWTRAN模式是一种单参量模式，给出了不模式是一种单参量模式，给出了不同吸取气体在各波段的广义吸取系数同吸取气体在各波段的广义吸取系数Lv。Lv和修正和修正的光学质量的光学质量w与透射比与透射比具有以下函

25、数关系：具有以下函数关系：式中，式中，n是修正系数，水蒸气、二氧化碳和臭氧分别是修正系数，水蒸气、二氧化碳和臭氧分别是是0.9、0.75和和0.4。4/14/202324光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 二、大气的散射二、大气的散射散射系数散射系数()：描述某点向全空间的散射总数。描述某点向全空间的散射总数。()与路程与路程L的散射透射比满足波盖尔定律：的散射透射比满足波盖尔定律：角散射系数角散射系数(,)：描述向单位立体角内的散射数称描述向单位立体角内的散射数称为角散射系数。为角散射系数。是散射角是散射角-散射辐射与入射辐射方散射辐射与入射辐射方向的夹角。

26、向的夹角。散射系数散射系数()与角散射系数与角散射系数(,)的关系满足：的关系满足：4/14/202325光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 散射截面：散射截面：单个粒子的散射系数单个粒子的散射系数()称为散射截面，称为散射截面，单位是单位是cm2/粒子数。粒子数。散射系数与散射粒子浓度散射系数与散射粒子浓度N成正比：成正比：假如大气中含有假如大气中含有m种不同类型的粒子群时，散射种不同类型的粒子群时，散射系数有：系数有：散射相函数散射相函数F()：描述描述方向方向上上单位立体角内单位立体角内散射辐散射辐射的相对大小。射的相对大小。4/14/202326光电成

27、像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 确定散射系数的方法：确定散射系数的方法：1.瑞利散射瑞利散射 当粒子半径远远小于辐射波长时，散射听从瑞利当粒子半径远远小于辐射波长时，散射听从瑞利散射规则：散射规则：体积后向散射系数：体积后向散射系数：当温度、气压和高度变更时散射系数与角散射系当温度、气压和高度变更时散射系数与角散射系数均须要修正，修正因子相同：数均须要修正，修正因子相同：4/14/202327光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 瑞利散射粒子瑞利散射粒子主要是气体分子，分子散射与波长主要是气体分子，分子散射与波长的四次方成反比。的

28、四次方成反比。2.迈迈(Mie)散射散射迈迈(Mie)散射：散射：描述球形气溶胶粒子散射的理论。描述球形气溶胶粒子散射的理论。迈迈(Mie)散射用相函数描述时，主要考虑前向散射。散射用相函数描述时，主要考虑前向散射。迈散射的计算方法：确定散射效率因子迈散射的计算方法：确定散射效率因子Qs(a,m)、吸、吸取效率因子取效率因子Qa(a,m)和衰减效率因子和衰减效率因子Qe(a,m)。迈迈(Mie)散射截面与效率因子的关系：散射截面与效率因子的关系：4/14/202328光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 3.无选择性散射无选择性散射 当散射粒子半径远远大于辐射波

29、长时，粒子对入当散射粒子半径远远大于辐射波长时，粒子对入射辐射的反射和折射占主要地位，在宏观上形成散射，射辐射的反射和折射占主要地位，在宏观上形成散射，与波长无关，所以称为与波长无关，所以称为无选择性散射。无选择性散射。散射系数等于单位体积内所含半径散射系数等于单位体积内所含半径ri的的N个粒子个粒子的截面积之总和：的截面积之总和：雾滴的半径约为雾滴的半径约为160um，比可见光波长大，比可见光波长大12个数量级，对可见光的散射与波长没有关系。个数量级，对可见光的散射与波长没有关系。4/14/202329光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 雨在红外波段的散射系

30、数为：雨在红外波段的散射系数为：4.单次散射和多次散射单次散射和多次散射探讨散射对成像过程的影响：探讨散射对成像过程的影响：探讨自然光时侧重于角散射；探讨自然光时侧重于角散射；探讨太阳辐射的衰减时侧重于总散射；探讨太阳辐射的衰减时侧重于总散射；角散射角散射和和总散射总散射都考虑。都考虑。4/14/202330光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 对于一个成像系统，大气消光对成像的影响是吸对于一个成像系统，大气消光对成像的影响是吸取和散射造成的。吸取使辐射能量衰减，但不会造成取和散射造成的。吸取使辐射能量衰减，但不会造成图像细微环节的模糊；散射既使辐射能量衰减，又

31、由图像细微环节的模糊；散射既使辐射能量衰减，又由于部分散射光进入成像系统的接收器，从而造成图像于部分散射光进入成像系统的接收器，从而造成图像细微环节的损失。细微环节的损失。多次散射多次散射-附加气柱附加气柱三、利用气象学距离处理消光的方法三、利用气象学距离处理消光的方法4/14/202331光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 大气透亮度：气象学上，把白光通过大气透亮度：气象学上，把白光通过1km水平路程的水平路程的大气透射比称为大气透亮度。大气透射比称为大气透亮度。1.气象学的透亮度和能见距离气象学的透亮度和能见距离能见度能见度/能见距离：气象学上，在确定大气

32、透亮度下能见距离：气象学上，在确定大气透亮度下人眼能发觉（能清晰的识别轮廓）以地平线旁边的天人眼能发觉（能清晰的识别轮廓）以地平线旁边的天空为背景视角大于空为背景视角大于30的黑色目标物的最大距离的黑色目标物的最大距离Rv称称为能见度为能见度/能见距离。能见距离。能见度能见度/能见距离是反映大气透亮度的一个指标。能见距离是反映大气透亮度的一个指标。4/14/202332光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 光电成像器件或视察者对距离光电成像器件或视察者对距离R处的目标物与景处的目标物与景物成像，其表观对比度物成像，其表观对比度CR：式中，式中，Lt(R)和和Lb

33、(R)分别为光电成像器件或视察者分别为光电成像器件或视察者实际接收到的目标和背景的表观亮度。实际接收到的目标和背景的表观亮度。由波盖耳定律，有传输由波盖耳定律，有传输s路径长度后的传输方程路径长度后的传输方程:4/14/202333光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 因此，距离因此，距离R处的表观对比度处的表观对比度CR可以改写成：可以改写成：其中，其中，C0是目标和背景的固有对比度，是目标和背景的固有对比度，是大气透射是大气透射比，比，L是路径的气柱亮度，是路径的气柱亮度，TC是大气对比度传递函数。是大气对比度传递函数。4/14/202334光电成像原理光电

34、成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 对于水平路径，大气消光系数对于水平路径，大气消光系数k，角散射系数及，角散射系数及气柱所受到的自然照明强度不随路程气柱所受到的自然照明强度不随路程s的变更而变更，的变更而变更，此时有此时有 人眼的能见距离：人眼的能见距离：(人眼发觉目标的阈值对比度人眼发觉目标的阈值对比度为为0.02，固有对比度为，固有对比度为1)因此，在给定的大气能见距离因此，在给定的大气能见距离Rv下，大气透射比下，大气透射比和大气透亮度分别为：和大气透亮度分别为：4/14/202335光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 2.气溶胶粒子

35、衰减的阅历模式气溶胶粒子衰减的阅历模式(1)霾衰减的阅历公式霾衰减的阅历公式 霾的衰减系数：霾的衰减系数：其中，其中，0取取0.55um或或0.61um。(2)雾衰减的阅历公式雾衰减的阅历公式4/14/202336光电成像原理光电成像原理4.3 大气吸取和散射计算大气吸取和散射计算 雾的衰减系数：雾的衰减系数：用雾中的含水量用雾中的含水量w表示衰减系数有表示衰减系数有其中，其中，w的单位是的单位是g/m3。四、大气传输特性的计算机模拟四、大气传输特性的计算机模拟 模拟仿真软件：模拟仿真软件：LOWTRAN、FASCODE，利，利用软件快速得到光谱透射比和平均透射比等结果。用软件快速得到光谱透射

36、比和平均透射比等结果。4/14/202337光电成像原理光电成像原理4.4 大气消光对光电成像系统性能的影响大气消光对光电成像系统性能的影响一、大气消光对基于对比度探测光电成像系统的影响一、大气消光对基于对比度探测光电成像系统的影响 对于这类光电成像系统，通常用大气对比度传递对于这类光电成像系统，通常用大气对比度传递函数表示光电成像系统受到的影响：函数表示光电成像系统受到的影响：因此，因此，TC是是K和和的函数，与目标亮度无关，仅仅和的函数，与目标亮度无关，仅仅和目标与探测器之间的大气状态有关。目标与探测器之间的大气状态有关。K的阅历取值：阴暗天空是约为的阅历取值：阴暗天空是约为1/；特别晴朗

37、；特别晴朗的天空时约为的天空时约为0.2/。对比度传递函数随。对比度传递函数随K的关系变更的关系变更曲线：图曲线：图4-8。大气消光对各类光电成像系统的影响是不一样的，大气消光对各类光电成像系统的影响是不一样的，通常传递函数描述。通常传递函数描述。4/14/202338光电成像原理光电成像原理4.4 大气消光对光电成像系统性能的影响大气消光对光电成像系统性能的影响二、大气消光对信噪比限制下光电成像系统的影响二、大气消光对信噪比限制下光电成像系统的影响 随机涨落的光子噪声对随机涨落的光子噪声对微光成像系统微光成像系统产生影响的产生影响的主要因素。主要因素。微光成像系统在距离目标微光成像系统在距离

38、目标R处的表观信噪比：处的表观信噪比：大气信噪比传递函数：大气信噪比传递函数：Tph与与Nb、Nq以及目标光子数以及目标光子数Nt有关。有关。4/14/202339光电成像原理光电成像原理4.4 大气消光对光电成像系统性能的影响大气消光对光电成像系统性能的影响三、大气消光对红外热成像系统的影响三、大气消光对红外热成像系统的影响 红外热成像系统的信号由目标和背景的辐射之差红外热成像系统的信号由目标和背景的辐射之差确定，噪声由探测器和电子处理等确定，其性能也受确定，噪声由探测器和电子处理等确定，其性能也受信噪比的影响，在距离目标信噪比的影响，在距离目标R处的表观信噪比：处的表观信噪比：4/14/202340光电成像原理光电成像原理