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大气红外辐射传输模型的研究大气红外辐射传输模型是气象学中一项重要的研究内容，通过对大气中红外波长下能量的传输与辐射状况进行研究，有助于更加精准地预测天气变化及相关气候现象，这也是大气科学的一个重要分支。
下面本文将围绕“大气红外辐射传输模型的研究”这一主题，分别从理论模型、数值模拟和实测观测等角度进行论述，并讨论其意义和应用。
一、大气红外辐射传输模型的理论模型大气红外辐射传输模型的理论模型是基于辐射传输理论及大气物理学对大气热平衡状态的理解而建立的。
这个模型从光谱学、大气物理学和气象学等多个角度出发，综合考虑大气分子和云雾等因素对热辐射的吸收、散射和散热作用，建立起大气红外辐射传输的一系列微分方程式，进而得到大气中辐射通量密度的垂直分布以及各层中辐射场的温度分布。
这个理论模型的主要特点是能够比较精确地预测大气热平衡状态的变化，如预测地表温度、云雾浓度、大气湿度等参数的变化情况，从而推出大气的热传输情况和红外辐射状况，为气象预报提供了重要参考依据。
此外，这个理论模型还有利于研究地球大气的能量平衡过程、对气候变化的影响等问题，具有重要的理论和应用价值。
二、大气红外辐射传输模型的数值模拟数值模拟是大气科学研究中一种常用的方法，可以借助计算机模拟的手段，快速准确地计算大气的红外辐射能量传输过程。
通过建立数值模型，计算出大气中的热辐射通量密度变化情况，可以更精细地掌握大气的热状态和辐射场的变化，进而对空气质量及气象预报作出更准确的预测。
构建数值模拟需要合理设置模拟网格、参考坐标系、边界条件等基本模型参数，如通过在大气模型中设置辐射源、辐射散热、计算大气层温度分布等，可以反演出大气热平衡状态的变化情况与辐射通量密度的变化规律。
此外，数值模拟方法还可以与实际监测数据进行比较、模型优化和预测改进，提高数值模拟的准确度和可靠性，使其在气象预测、气候变化研究等领域得到了广泛应用。
三、大气红外辐射传输模型的实测观测大气红外辐射传输模型的实测观测是检验和优化大气红外辐射传输模型的一种方法，它通过利用现代气象仪器和技术，对大气中红外波长下的辐射能量传输和吸收情况进行准确测量和分析。
红外导引头视景仿真中天空红外图像的生成王彦;谢晓方;刘家祺;赵卫华;庞威【摘要】针对红外导引头3D视景仿真中实时生成天空图像的应用需求，提出了一种天空红外图像的实时生成方法，具有一定的工程应用价值。
首先使用MODTRAN分析并提出了红外仿真中影响天空红外辐射计算的关键因素。
基于这些关键因素计算不同天顶角的天空辐亮度。
采用辐亮度插值和图像列向量扩展的方法生成天空红外图像纹理。
通过构建天空辐射轮廓线数据库在仿真系统中实现了红外天空图像的动态更新。
实验表明，文中方法实时性强，仿真结果可信。
%For meeting the demand of generating IR sky image in real-time in 3D scene simulation of IR seeker , a method of generating IR sky image was proposed in this paper .Firstly, the key factors that affect sky radiation in IR simulation was analyzed by MODTRAN and IR radiation with different zeniths was calculated according to these factors .The IR sky image was created by method of interpolation to radi-ance of different zenith and expanding the column vector of IR image .The database of sky radiation profile was constructed to dynamically update sky image in simulation system .According to experiments , instantaneity of the method in this paper is good , and the result of simu-lation is credible .【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2016(036)002【总页数】4页(P157-160)【关键词】天空辐亮度;关键因素;插值计算;辐射轮廓线;数据库【作者】王彦;谢晓方;刘家祺;赵卫华;庞威【作者单位】海军航空工程学院，山东烟台 264001;海军航空工程学院，山东烟台 264001;海军航空工程学院，山东烟台 264001;91960部队，广东汕头515000;海军航空工程学院，山东烟台 264001【正文语种】中文【中图分类】TP79;P407天空背景仿真是红外导引头视景仿真中的重要组成部分。
三维红外天空的建模与仿真的开题报告一、研究背景随着科技的不断进步，红外技术得到了广泛的应用，尤其是在军事、安防、空间探测等领域占有重要地位。
红外探测技术有几个特点，如敏感度高、非接触等，其重要应用产生了大量的研究和探索。
在红外探测的研究中，红外天空的建模与仿真是一个重要的研究领域，对于红外探测技术的发展有着至关重要的作用。
目前，三维红外天空的建模与仿真已成为红外技术研究的一个重要方向。
三维红外天空建模与仿真的研究内容主要包括：红外辐射特性研究、红外信号传输模拟、红外探测器性能测试与评价、红外辐射影响分析等。
三维红外天空的建模与仿真能够为红外技术的研究提供可靠的数据和仿真结果，为红外探测技术的应用和发展提供有力的支撑。
二、研究目的本研究旨在探究三维红外天空的建模与仿真，研究内容主要包括：1. 根据红外辐射特性，建立三维红外天空辐射模型；2. 研究红外信号在三维红外天空中的传输规律，并建立相应的传输模型；3. 设计并开发三维红外探测器性能测试与评价系统；4. 对红外辐射的影响进行分析与研究，提出相应的解决方案。
本研究旨在通过建立三维红外天空的仿真系统，获取可靠的数据，提供可靠的仿真结果，为红外技术的应用和发展提供有力的支撑。
三、研究方法本研究采用理论研究和实验研究相结合的方法，主要研究内容包括：1. 理论分析通过分析红外辐射特性、传输特性等，建立三维红外天空的辐射模型和传输模型，从理论层面研究红外辐射的影响因素和传输规律，并提出相应的解决方案。
2. 实验研究在理论分析的基础上，开发三维红外天空的仿真系统，并通过实验研究来验证理论分析的结果。
通过实验研究，对三维红外探测器性能进行测试与评价，对红外辐射影响进行分析与研究。
四、研究意义本研究旨在建立三维红外天空的仿真系统，研究内容全面，具有一定的创新性，研究意义如下：1. 对红外技术发展具有重要意义，能够为红外探测技术的应用和发展提供可靠的数据和仿真结果。
地面背景红外辐射特性建模与仿真研究
吕震华;潘晓丽;龚光红;周荣坤
【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》
【年(卷),期】2017(12)4
【摘要】地面背景的红外特性直接影响红外制导武器对于目标的发现、跟踪和识别.综合传热学、红外物理、计算机图形学等多学科知识,提出了一种将基于物理的红外特性建模和基于约束边界的地形几何建模相结合的全新地面背景红外特性建模仿真方法,依据不同材质的传热换热物理机理建立地面背景的红外辐射模型,并在地面网格几何模型上求解地面背景的零视距红外辐射分布.文中方法可以实时模拟动态变化环境条件下的地面背景的红外辐射特性,并将地形仿真中的可见光仿真和红外仿真统一起来.为实时精确地面红外热像的获取提供了有效的手段.
【总页数】8页(P420-427)
【作者】吕震华;潘晓丽;龚光红;周荣坤
【作者单位】中国电子科学研究院,北京 100041;93868部队信息支援站,银川750025;北京航空航天大学,北京 100191;中国电子科学研究院,北京 100041
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.空间飞网发射动力学建模仿真研究与地面试验 [J], 陈钦;杨乐平;张青斌
2.航空地面电源车备件供应能力建模仿真研究 [J], 许浩杰;李康;黄之杰
3.六轮足地面无人车辆动力学建模及仿真研究 [J], 董震;邢俊文
4.航空地面空调车保障能力建模仿真研究 [J], 李康;黄之杰;朱倩
5.复杂地面场景的红外特性建模及仿真效果研究 [J], 夏雄风;李向春;明德烈
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开题报告——基于VEGA的地面目标辐射红外图像仿真结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：对红外图像的仿真工作。
最早在上世纪70年代在美国展开。
美国、英国、法国等发达国家都在红外仿真系统的研制上下了很大功夫。
建立了完整的实验室。
例如美国红石兵工厂陆军高级仿真中心的红外仿真系统，美国陆军白沙靶场红外仿真实验室，英国宇航公司基于5轴转台方案的红外仿真系统以及美国波音公司的红外制导仿真系统等。
最早的红外图像仿真方法主要是通过研究目标北京的表面温度分布模型，以获得到目标背景的温度二维平面分布，然后计算得到辐亮度等辐射特性，归一化得到红外图像。
该时期的研究主要包括对地面植被热模型的研究，对自然地表在一天中红外辐射变化的统计规律的研究，以及不同天气影响下的地面背景表面温度的计算模型；除对模型的研究外，还有人根据多年积累的材料辐射特性及热特性，用一种统计的方法得到各类目标与背景的表面温度，结合气象参数后能预测目标背景在一天不同时刻和一年不同季节的温度变化。
从目标背景的温度模型出发，Jacobs开展了对公路，砖墙灯光具有简单几何外形的物体在晴、阴天气下红外成像模拟；Gerhart等人提出了一个模块化的计算程序通过逐像素地映射目标背景场景的辐射量图来模拟生成红外图像；Sheffer等人采用第一原理模型方法来产生红外场景图像。
早期红外仿真技术主要集中于模型的计算，但由于缺乏实验数据、计算模型本身不够精细，计算机生成环境效果时过于注重细节，导致生成的红外视景图像真实感不强。
随着人们对红外图像理解的加强，逐渐认识到红外图像实际上是为了便于观察，所以将红外波段辐射能量分布变换到可见光波段。
而人眼视觉对图像的理解是具有连续性和区域性的，因此在仿真红外图像时，并不总是需要逐点的计算模型并映射到逐像素，而是可以针对不同材质区域进行仿真，对不同材质区域通过赋予相应的辐射纹理而得到真实感很强的仿真红外图像。
MODTRAN介绍使用MODTRAN（Moderate Resolution Atmospheric Transmission）是一种常用的大气传输模型，它用于计算大气对电磁辐射的传输和吸收。
MODTRAN模型提供了一个完整的大气光谱模拟平台，可用于研究各种应用领域，如气象学、环境监测、红外/可见光传输和遥感应用等。
在本文中，我们将详细介绍MODTRAN的使用方法和其在不同领域中的应用。
首先，我们将介绍MODTRAN的基本原理。
MODTRAN是由美国空军强大的光谱计算模型，它模拟了地球大气对辐射的传输和吸收过程。
该模型基于辐射传输方程，将大气分为多个垂直层，考虑大气中的气体吸收、散射、云层、地面和大气透过率等因素。
它可以准确地计算不同波长和角度的电磁辐射的透过率、散射率和吸收率。
为了使用MODTRAN模型，首先需要提供准确的大气和地表输入参数。
这些参数包括大气柱密度、大气温度和湿度剖面、大气组分（如O3、CO2、CH4）的垂直分布、地表反射率和大气底部温度等。
MODTRAN提供了一个用户友好的界面，可以通过输入参数文件来设置这些参数。
此外，用户还可以选择辐射源的类型和光谱范围，并设定所需的输出参数。
一旦输入参数设置完毕，用户可以运行MODTRAN程序来计算大气传输模拟。
MODTRAN将计算地球表面和大气中不同波长的辐射的透过率、散射率和吸收率。
它还可以计算辐射在不同视场角度和观测高度下的光谱。
MODTRAN模型广泛应用于不同领域。
在气象学中，MODTRAN可以评估大气对太阳辐射的散射和吸收，从而帮助预测地面的能量平衡和气候变化。
在环境监测中，MODTRAN可以估计大气中的污染物的传输和扩散，从而帮助监测和控制大气污染。
在红外/可见光传输中，MODTRAN可以模拟和优化激光通信系统、红外导引系统和遥感系统的性能。
此外，MODTRAN还可以用于军事应用、地球观测、无人机导航等领域。
总结起来，MODTRAN是一个强大的大气传输模型，可用于计算大气对电磁辐射的传输和吸收。
第23卷第1期光电工程Vol.23, No.1 1996年2月Opto-Electro nic Engineering Feb,1996 地球大气系统红外辐射的仿真X骆清铭 曾绍群 刘贤德(华中理工大学光电子工程系,武汉,430074)摘要 对地球大气系统作为背景红外辐射源的辐射特性及其理论模型进行了全面研究,并考虑了地域纬度、季节、气候、红外临边昏暗效应、极光和大气辉光等因素的影响。
在此基础上,建立和编制了相应的数字仿真模型与软件。
主题词 地球大气系统,红外辐射,红外探测,计算机模拟,背景。
Simulation of Infrared Radiation ofEarth-Atmosphere SystemLuo Qingming,Zeng Shaoqun,Liu Xiande(H uaz hong University o f S cience&T echnology,W uhan,430074)Abstract As infrared backg round sources,radiation properties of the ear th-atmospher e sy stem and the co rresponding theor etical models are studied.T he influ-ences o f region latitude,season,clim ate,auro ra,airglo w and the limb-darkening ef-fects have all been co nsidered.Based on these facto rs,dig ital sim ulation model andall the softw are are m ade.Subject terms Earth-atm ospher e system,Infrared radiation,Infrared detection,Computer simulatio n,Backgr ound.引 言计算机仿真技术已经成为分析、研究和设计红外探测系统及其探测能力的重要手段。
背景辐射对红外系统的探测能力有重要影响,对目标所处背景红外辐射特性的仿真是红外探测系统仿真的重要内容之一。
在对天基轨道红外目标的探测中,地球大气系统和深空是两类主要的X国家863高技术研究计划资助研究项目。
骆清铭:男,1966年1月生,1986年毕业于西北电讯工程学院红外技术专业,1989年毕业于华中理工大学光学专业(理硕士),1993年毕业于华中理工大学电子物理与器件专业(工学博士)。
副教授,物理电子学与光电子学专业硕士学位指导教师,中国电子学会高级会员,从事激光与红外技术教学及科研。
已发表30余篇学术论文。
收稿日期:1995-04-20背景红外辐射源。
本文主要研究地球大气系统的红外辐射特性及其仿真。
1 模型描述作为背景辐射源,地球大气系统的辐射特性是非常复杂的。
地球大气背景是非均匀的,随地域、气候、季节等因素的不同而变化,而且变化范围大。
例如地球的热带区域作为背景时,其辐射能量密度比地球两极带作为背景时要大,即随地域纬度变化;在考虑对太阳辐射的反射辐射时,地球大气系统的辐射通量密度还随昼夜变化;此外,在目标视场内,云的存在与否也会对地球大气系统的辐射能量密度产生影响。
在地球大气系统红外辐射模型中,除考虑上述影响背景辐射的因素外,还应考虑地球大气系统的红外临边昏暗效应、极光、大气辉光以及大气闪烁等对红外辐射的影响。
1.1 地球大气系统的红外辐射特性[1]地球大气系统的红外辐射由地被和大气的固有红外辐射以及地被和大气对天体(太阳、月亮和其它星体)红外辐射的反射两部份组成。
地球大气系统的固有红外辐射与地球表面的温度和辐射特性、大气成份、大气中吸收物质的分布、云层的有无等因素有关。
固有红外辐射在探测系统入瞳上建立的光谱辐射能量密度可由下式给出:H K=(1-n c)〔N K(T E)S0K+∫1S0K N K(T)d S K〕+n c〔N K(T c)S c K+∫1S c K N K(T)d S K〕(1)式中N K(T)表示温度为T的黑体光谱辐射通量密度;S K是大气顶部和相应环境温度为T的高度之间垂直路径上的光谱透过率;S0K表示系统和地表之间的大气光谱透过率;T E表示地表的温度;n c为云层所占据的视场因子;T c是云顶部的温度;S c K是由云往上的大气光谱透过率。
上式中的第一项为地球表面辐射的贡献,第二项表示大气成份辐射及再吸收的静效应,第三项为云的上界面的贡献,第四项为云顶部与接收系统之间大气成份的贡献。
对特殊光程上的光谱透过率,S K可由经验函数估值。
下面讨论地面和云层反射后被系统接收到的太阳辐射的计算。
如果系统的视场一部分向着云层,另一部分朝向无云的地球表面时,在系统入瞳上起作用的能量照度为:E=E sP[Q cõn c+Q e(1-n c)]X(2)式中 E s为由太阳建立的能量照度,X为探测系统的视场立体角,n c为云层占据的视场因子, Q e为地球大气系统对太阳辐射的反射系数,Q c为云层对太阳辐射的反射系数。
(2)式没有考虑反射辐射的光谱特性,实际仿真计算中,E s应为工作波段K1～K2内,太阳在地球大气系统上所建立的光谱辐射照度的积分值,Q e和Q c也应为相应的光谱反射系数在工作波段内的积分值。
如果被反射的辐射源不是太阳,而是月亮或其它星体,(2)式仍然成立,只是E s的含义要作相应变化。
综上所述,在以地球大气系统为背景时,探测系统所接收到的总的背景辐射应为式(1)与光电工程 第23卷第1期式(2)的和。
在实际的仿真运算中还需要考虑地被的辐射特性(黑度系数)、各种地被之间的温度差、大气吸收的光谱分布等。
从深宇宙观察地球时,其个别部分的亮度差变小,地球表面曲率以及地球边缘大气层的厚度呈现强的平均效应,地球的能量照度随探测系统高度的增加而减小,在大约1000km 的高度时可以忽略不计。
大多数地被的反射率在红外区都比较低,如草地覆盖层反射大约15%的入射辐射,只有在0.7～1.0L m 光谱区,这种覆盖层的反射率才高于70～80%。
地面反射率在可见光谱区平均为0.36～0.39,在红外区约为0.3。
如果研究总的辐射,在K ≤4L m 范围内,可以为被反射的太阳辐射占主导地位,而波长K ≥4L m 时,地球大气系统的固有红外辐射占优势。
1.2 地球大气系统的红外临边昏暗效应[2]大气顶部出射的红外辐射是地球大气系统红外辐射的主要部分。
大多数星载仪器测量的是大气顶部某一特定方向的逸出辐射,由于大气的临边昏暗效应使逸出辐射各向异性,使得对逸出辐射的估算更加困难。
为了将测量的辐射率转换成大气项部各个方向的辐射输出或能量密度,有必要知道详细的大气各向异性函数及大气参数的影响。
在晴朗大气顶部,相对于天底角度为H 的方向,向上的光谱面辐射率为:L v (H )=E s B v (T s )S T s (H )+∫1S v h B v (T z )d S vz (H )(3)式中右边第一项表示来自地表的辐射,B v (T s )表示地表温度为T s 的辐射率,E s 为地表的发射系数,S v s (H )为沿H 方向的光谱透过率;(3)式右边第二项表示来自大气的辐射,T z 表示高度为z 的云层上表面温度,其它符号意义同前。
如将云顶部作最低表面处理,并只考虑由云往上的部分大气时,可由(3)式得出阴云天气的大气辐射。
对只有部分云的情况,辐射率可由阴云天气和晴朗大气的相对云因子进行权重后求出,可参见(1)式。
光谱辐射出射度M v 可由L v (H )对天底角H (0～P 2)积分获得:M T =2P ∫P /20L T (H )sin H cos H d H(4)式中已假设红外辐射是水平对称的。
频率观测区域$T 内的积分辐射出射度M 为M =∫$v M T d T (5) 定义各向异性函数R (H )=P õL (H )/M(6)R (H )的值随H 的增加而减小,减小的速度随大气模型的不同而不同。
例如热带大气中,临边昏暗效应比次极圈冬季大气要明显得多。
由于R (H )～H 曲线是单调的,可定义参数G =R (H min )-R (H max )(7)即R (H )的最大值和最小值之差,用来描述临边昏暗效应的强度。
表1给出了中纬度平均大气的情况下,对应各种气象参数,各向异性函数的变化。
从表中可看出,G 值对云层部分的变化是很灵敏的,其值由晴朗大气时的0.244变化为多云情况时的0.128。
G 值对云高的灵敏可从两个方面来理解,即¹由于云顶部的温度较低,减小了下底面(云顶部)和大气层顶层的温差;º由云顶部往上的水蒸汽比正常情况要少得多。
即于篇幅,这31996年2月 骆清铭等:地球大气系统红外辐射的仿真里对其它气象参数的影响不作详细说明。
在仿真程序中,对于地球大气系统的红外临边昏暗效应,需考虑每一种气象条件的影响。
表1 中纬度平均大气下各向异性函数对应于各种气象参数的变化[3]T ab el 1 Anis otropic functions correspondin g to various meteorologicalparameters var iations und er the mediu altitude even atmosphere meteorologicalG m eteorological G meteorological G parametersparameters parameters surface relativesurface cloud heig ht humiditytemperature (cloudy day)0%0.091283.150.2272km 0.20525%0.232288.150.2446km 0.128100%0.249293.150.26010km 0.014scaling heig htsurface cloud covered of w ater vapourem iss ivity s urface(z=6k m)20.258 1.00.244su nny 0.24430.2440.90.223part cloud(50%)0.19540.2330.80.201d ark clouds 0.1281.3 极光、大气辉光和大气闪烁[4]由于太阳辐射的作用,在地面上空700～1000km 的高度会出现极光,这种现象在地球的极区最常见。
