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红外辐射在大气中的传输

日期:2020-06-05 02:23
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摘要: 红外辐射在大气中的传输 红外辐射在到达红外传感器前,会被大气中的某些气体有选择地吸收,大气中的悬浮粒子能使光线散射。虽然吸收、散射的机理不同,但二者的作用结果都主要是使红外辐射发生衰减。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。 红外辐射通过实际大气的传输过程是非常复杂的。它依赖于引起...
红外辐射在大气中的传输
红外辐射在到达红外传感器前,会被大气中的某些气体有选择地吸收,大气中的悬浮粒子能使光线散射。虽然吸收、散射的机理不同,但二者的作用结果都主要是使红外辐射发生衰减。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。
红外辐射通过实际大气的传输过程是非常复杂的。它依赖于引起吸收的分子类型及其浓度,大气中悬浮粒子的尺寸、特性和密度以及沿传输路径上个点的温度和压强等气象条件,还与距离、波长有关。
大气散射是由大气分子和大气中的悬浮颗粒引起的。当粒子半径时,此种散射称为瑞利散射。瑞利散射粒子主要为气体分子,故称为分子散射。分子散射与成反比,即短波散射比长波散射强。对可见光,因为其波长短,瑞利散射就很严重,故中午天空呈现蓝色而傍晚呈现红色。对中远红外区域红外辐射,瑞利散射基本上可以忽略。当r与差不多大时,散射成为米氏(Mie)散射,大气中的云、雾等水滴的大小与0.76~14的红外辐射的波长差不多,所以米氏(Mie)散射严重。
(1) 大气红外吸收谱与大气窗口
在红外波段,吸收比散射严重得多。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。辐射通过整个大气层时,产生极大的选择性吸收。其中对红外线的吸收*强烈的是H2O,其次是CO2和O3,而CO、O2、N2O、CH4这类分子,仅在一定条件下吸收才比较显著。在下图的大气透过光谱分析中,各种气体吸收较弱的窗口主要有三个:2.1~2.5、3~5、8~14,在这三个窗口,大气对红外线是相对透明的。
 
 
 (2) 大气透射
红外辐射经过大气的衰减与传输距离、大气相对湿度、物体温度等有关。下图是在相同湿度下经过不同传输距离后红外辐射光谱的透射分布。
 
 
(3) 大气透射率的计算
即便辐射在三个大气窗口中传输也会有一定的能量衰减,辐射穿过大气未被吸收衰减的能量与总辐射能量之比,称为“大气透射率”。大气透射可看作符合指数规律,如下式所示:
式中,为衰减系数,一般是波长和距离x的函数。零距离下 。由此可得大气透射率
该式既可以描述单色辐射下的吸收,也可以描述某吸收波段的吸收(若吸收与波长无关)。设有一束波长为和功率的单色辐射束,在大气中传播距离R(m)时,其辐射功率变为
式中——大气对波长辐射的衰减系数,
——大气对波长辐射的吸收系数,
——大气对波长辐射的散射系数,
严格来讲,准确计算大气透过率必须考虑大气中每种吸收分子和散射粒子的贡献。吸收系数正比于单位路程上遇到的分子数(分子浓度),而散射系统除了正比于散射浓度,还需知道各种气体分子在不同吸收带的吸收光谱强度、谱线半宽度和谱线间隔,以及它们随大气压强及温度的变化参数。
 

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