基于神经网络的红外辐射大气透过率建模及计算

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1、基于神经网络的红外辐射大气透过率建模及计算第1章绪论1.1红外特性测试中大气透过率的研究意义任何温度高于热力学温度0K或-273oC的物体，都会不断向周围进行电磁辐射。常温下主要表现为波长在0.75m~1000m之间的红外辐射，对应的频率范围大致在41014Hz~31011Hz。随着目标表面温度的不同，辐射的能量也不同，这是红外测温技术的基础[2]。地球的大气成分比较复杂，对红外辐射传输的影响很大，主要表现为大气中气体分子的吸收、悬浮粒子(气溶胶)的散射以及不同气象条件的衰减等[3]。所有这些因素都可能导致红外辐射到达接收系统时的能量减弱，即利用红外探测器进行远场测

2、量时，接收到的目标红外辐射能量并不能代表真正的目标辐射特性，给红外测试系统发现、识别和辨别目标的工作带来一定的困难。所以，为了使红外辐射测量系统的输出反映真实的目标辐射特征，必须修正测量值，适当补偿被大气衰减的那部分能量。目前表征红外辐射在大气中衰减程度的重要参数就是大气透过率[4]。红外辐射大气透过率的计算在红外技术的许多应用中都是非常重要的。例如，在红外测温领域，对红外辐射大气透过率问题的研究对目标测温精度的提高有很大帮助；在红外成像和红外探测领域，对红外辐射大气透过率问题的研究有助于更精确的获取目标特征，更准确的对目标进行识别；在遥感应用领域，当利用遥感影像来

3、反演地面参数时，即使天气很好，也一样会受到大气因素的影响，大气校正是不可忽视的环节；此外，在红外探测器性能评估、红外场景生成等研究中，也需要精确估计大气透过率。然而，复杂环境条件下红外辐射大气透过率的计算问题难度很大，这方面的研究目前还不够成熟和完善，需要深入探讨。..1.2大气透过率计算的发展历史、现状和研究趋势在对红外测量系统总体指标进行仿真设计时，需要根据目标的位置和观测方位角实时计算出目标与观测系统之间大气对红外辐射的透过率。计算需要考虑多种因素，包括大气分子吸收和散射、气溶胶、太阳辐射、大气折射等等，很多国家耗费大量人力、物力对此进行研究，甚至包括发射高空

4、火箭、卫星等进行专项测量。早期多采用查表法。比如水蒸气、二氧化碳等主要吸收气体，可在表中查得它们在海平面水平路径上的光谱透过率，计算得到该路径上的大气透过率。但是大气中所含的各种气体成分，在不同地区的含量不同，尤其是因为气象条件的变化及其过多的工业活动，导致某些局部地区的气溶胶含量和标准大气条件下的气溶胶含量有较大差别，所以查表得到的大气透过率往往与实际值的偏差比较大，对目标红外辐射特性的测量结果造成很大误差[5]。近年来主要使用的大气透过率估算方法有：在标准或近似标准的大气模型下利用LOODTRAN等专业计算软件进行估算[6-17]；利用经验公式进行估算[18-2

5、0]。..第2章大气透过率计算及常用软件2.1标准大气模型目前我国还没有发展自己的标准大气模式，很多科研工采用国外的大气模式来进行近似计算。例如假设空气服从理想气体定律和流体静力学方程，用来描述中纬度的大气年平均状态。当前，1976年美国的标准大气模型是最权威的大气模型。本章对大气透过率的影响因素进行了分析，红外辐射的衰减主要是由于存在于大气中的气体分子的吸收作用和某些悬浮粒子(气溶胶)的散射作用。水蒸气、二氧化碳、臭氧等均是红外辐射的吸收气体，气溶胶和云雨滴是使红外辐射产生散射的主要成分。红外辐射大气透过率与辐射传输的距离成反比，距离越远，大气透过率越小，辐射衰减

6、越明显。另外还介绍了工程上常用的LOODTRAN两种大气传输计算软件，并对它们的参数设置进行了介绍，此类计算软件的精度较高，但是使用复杂，而且我国还没有发展自己的标准大气模式，所以该软件在我国并不一定适用，具有局限性。..2.2大气透过率的主要影响因素2.2.1关键影响因素分析气体分子的吸收是大气衰减主要因素之一，主要表现为由水蒸气、二氧化碳、臭氧等的振动-转动能量状态改变而引起的对红外辐射的选择性吸收作用。因为水蒸气、二氧化碳和臭氧拥有强烈的吸收带，并且在大气中它们都有非常高的浓度。当辐射经过的路径足够长或者经过的空气浓度非常大时，甲烷、一氧化二氮和一氧化碳这一类

7、的分子才会表现出明显的吸收。地面水分蒸发到大气中成为水蒸气，水蒸气在大气中是一种含量非常大的可变组分，可以很大程度地影响红外辐射的传输。水蒸气的强吸收带在1.87μm、2.7μm、6.27μm处，弱吸收带在1.1μm、1.38μm、3.2μm、5.2μm等处。二氧化碳属于大气中的固定成分，含量相对稳定，随海拔高度增加变化并不明显，但是在海拔升高的过程中，却是对红外辐射造成衰减的一种主要吸收气体。二氧化碳分子的强吸收带在2.7μm、4.3μm、1.5μm处；弱吸收带在2.0μm、4.8μm、9