V01.35
红外与激光工程
Infhrcd锄dL鹊盯Engi鹏e—ng
2006年lo月
Oct.2006
Suppl啪∞t
两种大气辐射传输软件在红外探测系统性能仿真计算中的应用及其比较
姚梅1,雷萍2,张乐2
(1.中国人民解放军63892部队,河南洛阳47l003;2.中国人民解放军63891部队,河南洛阳47l003)
’
●
●
摘要:本文介绍了大气辐射传输软件FAscODE和...LowTRAN,通过对两种软件在红外探测系统性能仿真计算中的应用,比较了仿真计算结果的差异,分析了造成误差的原因.最后得出结论:光谱辐射特性研究
宜选用FASCODE,而光谱带的辐射特性计算宜选用LoWTRAN。
关键词:红外探测系统;中图分类号:TN219
FASCoDE;
LOWTRAN;大气传输;仿真
文献标识码:A
文章编号:1007.2276(2006)增A-0389.05
okindsofatInosphencradiatiVetransf|erAppHcationandcoInpaI‘isonoftw
solb,areinpe川DrmancesilIlulationofinfrareddetectingsystem
eYAOMeil,LEIPiIl92,ZHANGL
2
(1.63892A咖yUnit,PLA,L∞y船9471003l,china二2.63891A咖y硼it,PLA,LI加,锄947l003,Clli肌)
Abst阳ct:Twokindsofannosphericradiative仃孤sfersofhvarethat
iIl仃odllcediIlthispaper.Throughulationresultofdif诧rencesofsim
n锄ed
FASCODE狮dLOWTRANare
an
the印plicationMo
kinds
ofperfonllancesiIllulationof
arc
inf}areddetectingsystem,me
error
are
ofsoRware
compared,觚d
tllere船onsofthe
analyzed.
SCODEissuitableforthestudyofspec仃alFinally,aconclusionisdrawnthatFA
radiative
ch锄cteristic锄d
SiIIlulation
LOWTRANissuitableforthestudyofspec仃albandradiativecharacteristic.
Key
words:Infh鹏d
detectingsystem;FASCODE;
LOWTRAN;
ission;AtlIlosphericn锄sm
0引言
在红外跟踪、红外侦察告警等光电应用领域,光传播路径上因大气传输导致的大气效应是影响系统性能和使用的重要因素,不可忽略。大气效应包括大气衰减和大气湍流等,大气衰减使能量降低,大气湍流可导致光束漂移、光强闪烁、到达角起伏。在红外探测系统作用距离等效折算过程中,大气透过率、路径辐射亮度是大气传输中所涉及的重要参数,其中,FAScODE(F嬲tA仃nosph嘶cSignatI鹏Code)和LOWn∽N两种软件对以上参数的计算有所不同。
收藕日期:2006-04-lO
作者简介:姚梅(1979.),女,江苏徐州人,工程师,主要从事光电对抗技术及仿真的研究.
390
红外与激光工程:光电系统总体技术第35卷
l
大气辐射传输模型软件及其在红外探测系统性能仿真中的应用
Ii’ASCoDE
1.1
高分辨率大气辐射传输模型FAsc0DE由美国H卸scom空军基地飞利浦实验室地球物理管理局开发研制,覆盖了非常宽的电磁波谱范围(O~50
000
cm。即O.2“m~o。),涉及复杂天气条件下的多种辐射传输量。在这个
计算模型中包括了选自1966和1976美国标准大气作为高度函数的温度、压力:密度以及水汽、臭氧、甲烷、
一氧化碳和一氧化二氮等28种气体混合比的六种参考模型大气,这些大气模型适合气候学选择的范围。同时
还可以根据理论计算或实测资料,由用户自行定义模型大气。
。
FASCODE传输模型的实用程序中包含了具有代表性的大气、气溶胶、云和雨的模型,在复杂的天气环境下也能应用。此外,模型中还考虑了水平、垂直、倾斜向上和向下等各种复杂的几何关系,在计算大气倾斜路径衰减量及沿着传输路径衰减量时,考虑了大气折射和地球的曲率。’
通常,大气层一般考虑为均匀介质层,并处于局地热力学平衡状态。而实际大气可能偏离局地热力学平衡状态,FAScODE考虑了非局地热力学平衡的选择。FASCODE中粒子模型是LOWTRAN6模型中所用的气溶胶、雾、雨模型和FAsCODE早期版本已经建立的适合于毫米波谱区中的雨、雾、云模型的组合和扩展。
FASCODE不仅可以进行逐根光谱线的计算,而且提供了多种扫描函数(长方形、三角型、高斯形和正弦波型)和可供用户直接输入所需要的滤波函数;以及便于建立倾斜路径观测和Limb观测的各种几何关系的权函数Il】。特别需要指出,FAscODE计算程序中具有灵活方便显示其计算结果的作图软件包,因此,无需另外设置命令,可以在计算后就立即将结果以图线形式显示出来。
1.2
LoWTRAN
LOw弧认N是由美国地球物理实验室开发的单参数带模式的低分辨率的大气传输模型,经过不断的发展,
从最初只能计算O.25~28.5岫波长范围、低分辨率、晴空大气透过率,发展到了适用于从紫外、可见、红外
到微波乃至更宽的电磁波谱范围,包括云、雾、雨等多种大气状况的大气透过率及背景辐射121。它以20cm-1的光谱分辨率的单参数带模式计算O~50
ooOcmo的大气透过率、大气背景辐射、单次散射的阳光、大阳直射辐
照度。而FAsCODE中没有涉及阳光的单次散射和月光辐射亮度。程序考虑了连续吸收、分子、汽溶胶、云、雨的散射和吸收、地球曲率及折射对路径及总物质含量计算的影响。
1.3大气辐射传输模型软件在红外探测系统性能仿真中的应用
红外辐射在大气中的传输主要受某些气体选择性吸收和大气中悬浮微粒散射等因素的影响。在红外波段范围内,以吸收为主。探测器视线所决定的路径上存在着大气的红外辐射,几何类型为向空中垂直或倾斜路径上的天空背景辐射。白天,天空的红外辐射包括散射的太阳光和大气热辐射;夜间,天空的红外辐射为大气的热辐射。大气的红外光谱辐射亮度与大气压力、温度、湿度和视线的仰角有关131。红外辐射的大气透过率取决于气象条件和所处的背景,并随海拔高度而变化。
大气的辐射特性和辐射在大气中的传输特性直接影响红外探测系统的性能,利用LOWTRAN和FASCODE模型中反映大气状态的主要气象要素(温度、压强和湿度)仿真特定条件下的大气辐射特性。
2
FASCoDE和LoWTRAN仿真计算及其分析
2.1斜程透过率仿真计算及其分析
条件:选择波长为8.5~9.5岬,大气模式1976标准大气,大气气溶胶在对流层为地面能见度23
km的
增刊姚梅等:两种大气辐射传输软件在红外探测系统性能仿真计算中的应用及其比较
39l
农村气溶胶模式、平流层为背景平流层气溶胶,垂直高,天项角为104.4780。度为5km,斜程为20km
图l是FASCODE和LOWn认N绘制斜程透过率
曲线。
通过计算得出LOWrn认N平均透过率为O.54l
3,
FASCODE为O.659O。导致结果相差较大的原因是:FASCODE模型假定大气为球面或层分布,分为46层,以下而LOWlrI认N分为33层,二者在海拔高度25km分层相同,25km以上不同,.分层方法如表1’所示。
图l斜程透过率曲线
Fi露l
Sl锄t
patIl打越鸭minaIl∞
表l
T.ab.1
25
km以上大气分层
layer
oVer
Atm∞pheric
25km
层数FAsCODE
2627
25,0027.5
LOwrRAN
25,00
备注层数FAsCODE
37
5560
LOwnlAN备注
30.∞
35.00
38
28303965
2932.540.004070
303545.00
第二、三列表示海拔高度,
4175
第二、三列表
3l37.550.0042
∞
85
示海拔高度,
单位是km
324070JD0
单位是km
43
33
34
42.5100.oo4490
454595
3536
47.550
46
l∞
FASCODE对每一大气层的各种光谱线采取最佳采样;计算模型中涉及了大气中的主要分子成分氮分子带(2020~800cm。)和氧分子带(1395~1
20000
760
cm。1)的连续吸收效应;也涉及了水汽自加宽和外部加宽的远翼(0~
600
cm。1)贡献及两个臭氧扩散带Chappuis(13000~23cmd)和Hanley—Huggins(27370~40
500
cmd)的连
续吸收效应。计算程序对所包含的模型大气作出最佳分层以达到辐射度和透过率计算中的特定精度。
LOWⅡ认N谱线间隔为20cm一,而且要求光谱带的起始和终止波数是5波数的整数倍,计算过程中忽略
某些谱线对大气成分的吸收或连续吸收,谱线分辨率造成很大的误差。2.2水平透过率仿真计算及其分析2.2.1特定条件下的比较
特定条件为:1976标准大气,乡村气溶胶,能见度10km,传输距离1km,地面高度0km。表2是对波长1.06“m和lO.6斗m大气透过率进行计算的结果。因为是水平传输,选取的大气层只有一层,结果在误差允许范围内。
392
红外与激光工程:光电系统总体技术第35卷
2.2.2用户自定义的大气模式下的比较
表3是根据实际监测的气象参数,对水平传输10km大气透过率计算结果。从表中可以看出,两种软件对用户自定义的大气模式计算的结果相差较小,同样,对于斜程传输大气透过率的计算差别也比较小。但是,与实测透过率差别较大。
误差原因:气象参数的监测,如能见度在短时间变化很大;传输路径穿越了农村和城市,气溶胶特性不完全相同。两种软件都没有考虑大气湍流的作用,而大气湍流效应导致接收点光强闪烁,能量起伏。
波长/岬
06
表2标准大气模式下的计算结果
1hb.2
Calculatingresultunderstandard
atmosphe代mode
LO、酮rRAN
O8482
FAsCODE
相对误差/%
O.50
O.8525
10.6O擂945.O.93193.92
表3实测气象参数计算结果
Tab.3
etricalatmCaIculatingresultbymosphericparameter
相对误差
温度/oC
大气压强/Pa
相对湿度y%
能见度,I【ln
FASCoDE
LOwTRAN实测透过率(两种软件的
比较)
25.225.1
989
“.1
65.2
4.1934.262
O.0136O.0133O.0143
O.01532.2l
989.1
O.0147O.014l
0.0188O.0149
2.72
25989.365.84.22
4.101
O.01372.“
2.42
2524.8
989.366.1O.01240.012lO.0145
9眇.4
989.4
67.767.7
4.195O.01380.0134O.0146
O.01660.0126
2.90
24.S
4.2引
4.199
O.0150O.0138
2.67
24.9939.567.2O.0134O.0148
2.902.80
24.9989.567.34.2320.01430.01390.0153
24.824.8
989.5989.5
67.767.9
4.234.23
0.0143O.0138O.02693.50
0014300126
0.01380.0123
002043.50
24.89鲫.567.94.114
O.01772.39
2.3水平路径辐射亮度仿真计算及其分析
图2是10.53~10.64岬范围内的水平路径辐射亮度曲线,LowⅡ认N计算结果是0,100
FASCODE计算结果是0.005
579
8
w.m-2sr.1,
Wm一srll。
结果相差大的原因:LOWTRAN的分辨率是20锄~,结果只有三点,曲线根据三点绘制。
2.4天空辐射亮度仿真计算及其分析
选择波长为9~10.3岬1,大气模式为1976标准大气,大气气溶胶在对流层为地面能见度10km的农村气
溶胶模式、平流层为背景平流层气溶胶,垂直高度为5km,天顶角为75.50,天空辐射亮度的曲线如图3所示,
表4是两种软件的计算过程中对大气进行分层的详细结果。导致两种软件对模型大气分层结果不同的原因是FASCODE考虑了非局地热力平衡,而LOwTRAN没有考虑。
增刊姚梅等:两种大气辐射传输软件在红外探测系统性能仿真计算中的应用及其比较
393
图2水平路径辐射亮度曲线图3天空辐射亮度曲线F碴3
S时radi鲫t
cun,e
魄.2
Horiz叩妞l
paIll耐ant
cun,c
表4大气分层
Tab.4
Atmospheric
层数
1516
Iayer
层数FAsCODE
23456789lOll121314
55.16.37.58.79.914.418.823.529.534.437.94l44,4
LOWTRAN
5678
备注
队SCODE
54.858.46265.769.574.179.485
4
LOⅣrR^N
19202l222324
备注
17
181920
9
lo
第二、三列表
1112131415161718
第二、三列表
25303540455070100
示海拔高度.单位是km
2l22232425262728
示海拔高度,单位是km
100
3结束语
通过上述分析可知,光谱分辨率是造成误差的主要因素;单一谱线的计算误差较小;光谱带的误差较大;对于用户自定义的大气模式,两种软件计算结果相差较小。这说明,FAscODE适合研究光谱特征、光谱结构、大气背景光谱辐射度;对于光谱带的大气辐射传输特征计算宜选取LOwTRAN。
为了使仿真计算结果精度更高,测试中对传输路径的气象参数(温度、湿度、空气中混合气体的含量等)应实时监测,可以取长期监测结果的平均值或选取气象代表性更好的气象参数。参考文献:
【l】
PcLnwinM柚ualVc档ion3.Ont盯Corporation【z】.uSA:Nortll
Andover,1999:60-65.
【2】吴北缨,李卫,陈洪滨,等.大气辐射传输实用算法【M】.北京:气象出版社,1998:22_40.【3】徐根兴.目标和环境的光学特性p川.北京:宇航出版社,1995,76.77.
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