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红外辐射在大气中的传输
发布时间：2014-10-23 10:32:05点击数：
大气传输过程
大多数红外系统必须通过地球大气才能观察到目标，从设计者角度看是不利的。因为从目标来的辐射功率在到达红外传感器前，会被大气中某些气体有选择地吸收，大气中悬浮微粒能使光线散射，吸收、散射虽然机理不同，其作用结果均使辐射功率在传输过程中发生了衰减。另外，大气路径本身的红外辐射与目标辐射相叠加，将减弱目标与背景的对比度。由于大气湍流能引起空气温度、湿度和密度的波动，因而也引起折射率的波动，造成光束的传播方向、相位和偏振的抖动以及光束强度闪烁，本章节暂不讨论这方面内容。吸收系数、散射系数，均随波长而变化。
大气吸收
在红外波段，吸收比散射严重得多。大气含有多种气体成份，根据分子物理学理论，吸收是入射辐射和分子系统之间相互作用的结果，而且仅当分子振动（或转动）的结果引起电偶极矩变化的，才能产生红外吸收光谱。由于地球大气层中含量最丰富的氮、氧、氩等气体分子是对称的，它们的振动不引起电偶极矩变化，故不吸收红外。大气中含量较少的水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳等非对称分子，振动引起的电偶极矩变化能产生强烈红外吸收。 红外测温仪下图为海平面上约2公里的水平路径所测得的大气透过曲线，图的下部表示了水蒸汽、二氧化碳和臭氧分子所造成的吸收带。由于低层大气的臭氧浓度很低，在波长超过1微米和高度达12公里的范围内，意义最大的是水汽和二氧化碳分子对辐射的选择性吸收，如二氧化碳在2.7、4.3和15微米有较强的吸收带。
大气散射
大气散射是大气分子和大气中悬浮粒子引起的，大气层及其所含的悬浮粒子统称为气溶胶。霾表示弥散在气体溶胶中的各处的细小微粒，它由很小的盐晶粒、极细的灰尘或燃烧物等组成，半径一直到0.5微米。在湿度较大的地方，湿气凝聚在这些微粒上，可使它们变得很大。当凝聚核增大为半径超过1微米的水滴或冰晶时，就形成了雾。云的形成原因和雾相同，只是雾接触地面而已。 红外测温仪
仅含散射物质（无吸收物质）的大气光谱透过率为：
粒子的散射系数与其半径与入射辐射波长之比有关。当散射粒子的尺寸小于波长时，K值随波长迅速增加，表现为选择性散射。波长愈短，散射愈厉害。当半径等于波长时，K值最大，约为3.8,散射最强烈。水滴进一步增大，K值轻微震荡，最终趋近于2。由于此时K值与波长无关，散射呈现为非选择性散射。
比波长小得多的粒子产生的散射称为瑞利散射，其散射系数与波长的四次方成反比，有很强的光谱选择性。气体分子本身的散射就属瑞利散射，睛空呈现蔚蓝色是由于大气中的气体分子把较短波长的蓝光更多地散射到地面上来的缘故，而落日呈现红色则是因为平射的太阳光经过很长的大气路程后，红光波长较长，其散射损失也较小。
与波长差不多大的粒子的散射称为弥氏散射，弥氏散射无明显选择性。颗粒较大的烟雾，由于对各种色光都有较高的散射效率，呈白色，是典型的弥氏散射。
大气气体分子或悬浮微粒的强散射主要表现在可见区，而雾的散射对可见光、红外的大气透过率都有影响。大气散射对可见光观察的影响程度可用能见度表示。在能见度较差的雾天，有时我们会发现红外图像比可见光图像更清晰一些，从而误认微“红外透过大气的性能比可见光好”，其实不能一概而论。 红外测温仪
测量雾中的水滴表明，其半径在0.5到80微米范围,尺寸分布峰值一般在5～15微米之间。因此，雾粒的大小和红外波长差不多，γ/入近似为1，散射面积比接近最大值。
假定每立方厘米大气中含200个水滴的雾，水滴半径为5微米。可算得在4微米处，100米路程的透过率仅百分之几。因此，无论是可见或红外波段，雾的透过率都很低。一般来讲，红外系统只要工作在大气层内，就不可能象雷达一样成为全天候的系统。当然，如果是薄雾天气，雾的颗粒较小，工作波段选用长波红外，红外波段的透过率还是要比可见光波段高一些。
野外实验表明，有雨时大多数红外系统的性能将要下降，但跟有云和雾时不一样。由于雨滴比波长大许多倍，在红外波段，雨的散射与波长无关。对散射系数而言，小雨滴起着非常大的作用。此外，雨的散射系数仅取决于每秒钟降落在单位水平面积内的雨滴数。
大气层
根据大气温度的垂直分布，大气可划分为对流层、同温层、中间层、热电离层。我们主要关心的是同温层以下的低层大气，因为它包含了很多不利于辐射传输的成分，如吸收分子、灰尘、雾、雨、雪和云。大气的组分的相对比例直到50哩高度几乎不变。
表中所列各种气体成分的混合比直到80公里高度都是不变的，可把它称为均匀混合气体。因此，根据理想气体状态方程可以得到均匀混合气体密度随高度的分布。
由于混合比不变，根据不同高度处大气密度，可求出CO2、O3、CH4、N2O等吸收气体的含量，用于大气传输的计算。
水蒸汽是大气中的可变成分，它的含量随温度、高度和位置而变。在海平面极潮湿的大气中，水蒸汽含量可高达2％，海平面的大气吸收大部分由水蒸汽产生。大气水蒸汽含量随高度增高而迅速减少，在12公里以上可忽略不计。
对一定海拔高度的水平路程，由于大气压强低，吸收带变窄，同样路程透过率增加，须引入高度修正因子，等效折算到海平面路程。倾斜路程则要将路程等分为若干段，分段折算等效路程，计算各段的透过率，再求整个路程的透过率。
查表法对大气传输模型做了大量简化，也未考虑散射,计算繁复，精度较差,已很少使用。目前，工程广泛利用现成的大气传输计算软件，常用的大气传输计算软件有：
1) 低频谱分辨率传输（LOWTRAN）
LOWTRAN是美国地球物理管理局开发的大气效应计算软件，用于计算低频谱分辨率（20cm-1）系统给定大气路径的平均透过率和路程辐射亮度。LOWTRAN7是最新型码，于1988年初完成，1989年由政府公布。它把LOWTRAN6的频谱扩充到近紫外到毫米波的范围。根据修正的模型和其他方面的改进，LOWTRAN7比1983年公布的LOWTRAN6更为完善。
LOWTRAN7的主要优点是计算迅速，结构灵活多变，选择内容包括：大气中气体的或分子的分布及大型的粒子。后者还包括大气气溶胶（灰尘、霾和烟雾）以及水汽（雾、云、雨）。由于LOWTRAN中所用的近似分子谱带模型的限制，对40公里以上的大气区域，精度严重下降。LOWTRAN主要作为工作于下层大气和地表面战术系统的辅助工具。
2）快速大气信息码（FASCODE）
它利用美国地球物理管理局开发的算法，为单个种类的大气吸收线形状的计算建立模型，进行逐线计算。所有谱线数据存于HITRAN数据库。FASCODE是一套实用的精确编码，比LOWTRAN有更高的精度。但是，用于需要复杂的逐线计算，其计算速度远低于LOWTRAN。FASCODE可用于要求预测高分辨率的所有系统。
3）中频谱分辨率传输（MODTRAN）
MODTRAN包括的谱带范围与LOWTRAN一致，且有LOWTRAN的全部功能。与LOWTRAN7相同，它包括一系列分子的谱带模型，但精度可达2cm-1。与FASCODE不同的是它拥有自己的光谱数据库。由于它既包括了直接的太阳辐射亮度，也包括了散射的太阳辐射亮度，所以适合于低大气路径（从表面到30km）和中等大气路径，路径大于60km时，运用MODTRAN要谨慎。 红外测温仪
4）高频谱分辨率传输（HITRAN）
HITRAN是国际公认的大陆大气吸收和辐射特性的计算标准和参考，其数据库包含了有30种分子系列的谱参数及其各向同性变量，包括从毫米波到可见的电磁波谱。除作为独立的数据库外，HITRAN还可用作FASCODE的直接输入以及谱带模型码如LOWTRAM和MODTRAN的间接输入。在解决输入的情况，分子谱带是以逐线模式计算，递降到谱带模型特定的分辨率，然后再进行相应的参量化。
由于混合比不变，根据不同高度处大气密度，可求出CO2、O3、CH4、N2O等吸收气体的含量，用于大气传输的计算。
水蒸汽是大气中的可变成分，它的含量随温度、高度和位置而变。在海平面极潮湿的大气中，水蒸汽含量可高达2％，海平面的大气吸收大部分由水蒸汽产生。大气水蒸汽含量随高度增高而迅速减少，在12公里以上可忽略不计。
辐射大气传输的计算
大气传输的计算早期都用查表的方法。如水平观察路径的大气透过率可通过查海平面水平路程上主要吸收气体水蒸汽、二氧化碳的光谱透过率表。由于二氧化碳成分变化不大，它的透过率可直接查表。水蒸汽是大气的可变成分，它的吸收与气温、相对湿度有关，即与反映每公里可凝水量的绝对湿度有关。 红外测温仪对一定海拔高度的水平路程，由于大气压强低，吸收带变窄，同样路程透过率增加，须引入高度修正因子，等效折算到海平面路程。倾斜路程则要将路程等分为若干段，分段折算等效路程，计算各段的透过率，再求整个路程的透过率。
查表法对大气传输模型做了大量简化，也未考虑散射,计算繁复，精度较差,已很少使用。目前，工程广泛利用现成的大气传输计算软件，常用的大气传输计算软件有：
1) 低频谱分辨率传输（LOWTRAN）
LOWTRAN是美国地球物理管理局开发的大气效应计算软件，用于计算低频谱分辨率（20cm-1）系统给定大气路径的平均透过率和路程辐射亮度。LOWTRAN7是最新型码，于1988年初完成，1989年由政府公布。它把LOWTRAN6的频谱扩充到近紫外到毫米波的范围。根据修正的模型和其他方面的改进，LOWTRAN7比1983年公布的LOWTRAN6更为完善。
LOWTRAN7的主要优点是计算迅速，结构灵活多变，选择内容包括：大气中气体的或分子的分布及大型的粒子。后者还包括大气气溶胶（灰尘、霾和烟雾）以及水汽（雾、云、雨）。由于LOWTRAN中所用的近似分子谱带模型的限制，对40公里以上的大气区域，精度严重下降。LOWTRAN主要作为工作于下层大气和地表面战术系统的辅助工具。
2）快速大气信息码（FASCODE）
它利用美国地球物理管理局开发的算法，为单个种类的大气吸收线形状的计算建立模型，进行逐线计算。所有谱线数据存于HITRAN数据库。FASCODE是一套实用的精确编码，比LOWTRAN有更高的精度。但是，用于需要复杂的逐线计算，其计算速度远低于LOWTRAN。FASCODE可用于要求预测高分辨率的所有系统。
3）中频谱分辨率传输（MODTRAN）
MODTRAN包括的谱带范围与LOWTRAN一致，且有LOWTRAN的全部功能。与LOWTRAN7相同，它包括一系列分子的谱带模型，但精度可达2cm-1。与FASCODE不同的是它拥有自己的光谱数据库。由于它既包括了直接的太阳辐射亮度，也包括了散射的太阳辐射亮度，所以适合于低大气路径（从表面到30km）和中等大气路径，路径大于60km时，运用MODTRAN要谨慎。 红外测温仪
4）高频谱分辨率传输（HITRAN）
HITRAN是国际公认的大陆大气吸收和辐射特性的计算标准和参考，其数据库包含了有30种分子系列的谱参数及其各向同性变量，包括从毫米波到可见的电磁波谱。除作为独立的数据库外，HITRAN还可用作FASCODE的直接输入以及谱带模型码如LOWTRAM和MODTRAN的间接输入。在解决输入的情况，分子谱带是以逐线模式计算，递降到谱带模型特定的分辨率，然后再进行相应的参量化。