辐射传输范文（精选3篇）
辐射传输 第1篇
沙地表面的面散射,目前已有比较成熟的近似计算方法,诸如微扰法( SPM)［6］,基尔霍夫近似方法( KA)［7］和小斜率近似方法( SSA)［8］。沙粒层的体散射是粒子的形状,尺寸,体积分数,有效介电常数等的复合函数。沙粒层的体散射可以一定程度上弥补沙地表面的电磁散射,尤其是当粒子的尺寸和波长差别较小时。人们总是利用辐射传输理论研究( RT) 沙地的体散射,A. Y. Nashashibi利用辐射传输理论研究了毫米波波段下沙粒层的体散射,这种方法是基于能量传输方程的,已经被广泛应用于沙粒层、路面及植被等介质体的电磁散射研究中。辐射输运理论是研究体散射的一个有效和广泛使用的方法,RT的零阶及一阶迭代解,形式简单,实现较容易,RT方法是从能量的角度出发,采用辐射强度的叠加。目前这一技术已经广泛用于植被及海面的电磁散射之中。
在本文中,首先利用SSA研究了沙地表面的电磁散射,随后基于辐射传输理论分析了沙地电磁散射的理论模型。并将得到的计算结果分别与文献中的计算结果进行比较,证明了本文所述方法在研究沙地电磁散射时候的有效性。
1沙地表面的后向散射
沙坡表面一般是有涟漪的一维周期表面,它可以看作是一个二维随机微粗糙面叠加在一个一维周期粗糙面上面。假设这两部分是统计独立的,则沙坡表面的总电磁散射为上述两种表面电磁响应的非相关叠加。
二维随机粗糙面的电磁散射的散射振幅为
其中,q0和q分别为入射波矢和散射波矢的垂直分量; ki和ks分别为入射波矢和散射波矢的水平分量; Q = q + q0,h( r) 为粗糙面起伏表面; B( ki,ks) 为一阶系数的矩阵元素［8］。
一维周期粗糙面的电磁散射可以取为z( x,y) = - hcos( 2πy / L) ,其中L为周期,h为起伏高度,则总的后向散射系数为
其中,下标p,q=v,h,分别表示垂直及水平极化;σssp'q'是小尺度粗糙面的后向散射系数;β(y)是粗糙面的斜率值。
2辐射传输理论
由于沙粒层中散射体的体积分数超过了0. 01,因而在处理问题的时候可以把沙粒层作为黏稠随机介质,利用黏稠介质辐射传输理论( DMRT)［9］计算其散射。
根据常规辐射传输方程
其中,I(z;θ,)是包含4个斯托克斯(Stokes)参量的列向量;为相位矩阵;κe为消光率;θ,Ф分别表示天顶角及相位角。
根据傅里叶级数展开式
其中,对于瑞利散射体M=2。
可以将I( z; θ,Ф) 分为缩减强度Iri及扩散强度Id两部分并分别进行求解
其中α =e,o分别代表奇数和偶数。Imα( θ,z) 和Imα( π -θ,z) 分别代表向上传播和向下传播的强度参量［9］。
至此,就解得了DMRT方程,并可以利用下式得到雷达散射系数
其中,p,q=v or h分别表示垂直和水平极化;θs,Фs;θi,Фi则分别表示散射的天顶角及方位角及相应入射的天顶角及方位角。
3数值结果及其分析
3. 1沙地面散射结果分析
取计算频率为35.0 GHz,沙地表面的相对介电常数为(2.71,0.023),二维随机微粗糙面的相关长度为lsx=lsy=7.63 mm,均方根高度δs=0.68 mm。一维周期粗糙面的尺寸为z(x,y)=-0.006 cos(2πy/0.18)。则雷达散射系数随着天顶角θ变化的关系图如图1和图2所示,在图1中Ф=30°,在图2中Ф=60°,+线和*线分别代表利用前面所讲述的小斜率近似方法(SSA)计算得到的HH和VV两种极化,而△—线则代表文献[10]中利用物理光学模型计算得到的VV极化的计算结果。
由图1和图2可知,利用上述方法计算得到的结果和文献中实测数据结果吻合较好,而且可以看出,方位角为30°的结果< 60°的结果,这是由于将沙地表面看做是沿着y轴方向有较大起伏的粗糙面,但总体上方位角对结果的影响明显弱于天顶角对其的影响。在本文中,研究的是后向散射的情况,因而随着入射角的增大,散射结果呈现快速下降趋势。
3. 2沙粒层体散射结果分析
下面给出利用上述的辐射传输理论计算沙地体散射的雷达散射系数的计算结果,并将其与文献中的计算结果进行比较,从而验证所讲方法的有效性。
取计算频率为35. 0 GHz,沙粒的相对介电常数为( 4. 071 2,0. 044 5) ,粒子的体积分数为0. 65,粒子半径为0. 25 mm,一维周期粗糙面的尺寸为z( x,y) = - 0. 01cos( 2πy /0. 1) ( 单位: m) ,二维随机微粗糙面的相关长度为7. 63 mm,均方根高度0. 68 mm。则雷达散射系数随着方位角 变化的关系图如图3和图4所示。
如图3及图4所示,在天顶角为45°及70°时,利用RT计算得到的结果和文献中测量的数据吻合良好,且在45°时结果随着方位角的增大的变化弱于70° 时相应的结果变化,这是将沙粒层看作是由一个个球形沙粒组成的,而天顶角较大或者较接近掠入射时,电磁波进入沙粒层以后会产生更多的散射,在方位角较大时尤为明显,因而在天顶角较大时,散射结果随着方位角的变化呈现出快速下降的趋势。
4结束语
在本文中,首先利用小斜率近似方法( SSA) 分析了沙地表面的电磁散射,通过计算结果的对比可以看出,该方法能够较好地模拟沙地表面的电磁散射问题。 随后,利用辐射传输理论( RT) 分析了沙粒层的电磁散射问题,通过计算结果可以看出,该方法同样具有较好的近似性。
摘要：针对沙粒层的面散射以及体散射,利用小斜率近似(SSA)方法研究了其面散射,将其计算结果和文献中相应测量数据进行比较分析。随后基于辐射传输理论(RT)研究了其体散射特性,将其计算结果与文献中相应的测量数据进行比较分析,通过这两部分结果的比较验证了文中所述方法的有效性。
辐射传输 第2篇
基于矩阵算法开发了适用于精确计算海洋-大气耦合矢量辐射传输方程的数值计算模型-PCOART.PCOART首先将矢量辐射传输方程进行傅里叶展开,得到与方位角独立的矢量辐射传输方程.进一步离散天顶角,得到矢量辐射传输矩阵方程,并利用加倍法进行数值求解.根据辐射在海洋-大气界面的反射和折射性质,将海洋和大气矢量辐射传输过程进行耦合,得到海洋-大气耦合介质系统的`矢量辐射传输数值计算模型.通过与MODIS精确瑞利散射查找表的比较,说明PCOART计算瑞利散射辐射的Stokes矢量是精确的,其对多次散射和偏振的处理是正确的.同时,通过Mobley水体辐射传输标准问题的验证,说明PCOART适合于计算水体辐射传输问题.PCOART是精确计算海洋-大气耦合介质系统矢量辐射传输的得力工具,它为进一步深入研究海洋-大气耦合介质系统辐射传输的偏振特性及遥感信息反演打下基础.
作 者：何贤强 潘德炉 白雁 朱乾坤 龚芳 作者单位：何贤强,潘德炉,朱乾坤,龚芳(卫星海洋环境动力学重点实验室,杭州,310012)
白雁(中国科学院上海技术物理研究所,上海,83)
辐射传输 第3篇
关键词：SCIATRAN模型,Limb模式,辐射亮度模拟,影响因素
随着科学技术的进步,人类活动对环境的影响越来越大,尤其工业革命以来煤、石油、天然气等大量的使用,大气成分发生了较大的变化,这种变化带来了全球性的影响,如全球气温升高,北极臭氧空洞等,利用遥感观测技术对大气进行全天候大范围的监测成为迫切的要求。大气模拟对于卫星以及其他搭载平台的传感器的发展、优化、校正、检测、应用和相应遥感数据的解译有重要作用[1]。遥感数据模拟技术可以对新传感器的性能进行模拟研究,优化遥感传感器系统参数和数据获取方案,为遥感数据的质量和应用潜力评估提供模拟仿真资料。
当前,应用较广泛的大气辐射传输模型有低光谱分辨率的LOWTRAN、中等光谱分辨率的MODTRAN等;较成熟专门模拟limb模式辐射亮度的模拟模型有LIMBTRAN、CDI、SASKTRAN、CDIPI、SCIATRAN等。其中大气辐射传输模型SCIATRAN,是德国不莱梅大学在GOMETRAN++基础上开发的高光谱分辨率大气辐射传输模型[2,3]。它针对星载被动遥感分光计传感器SCIAMACHY和GOME设计的,能够进行快速而准确的模拟,另外它还可用于地基以及大气中任意高度观测光谱的模拟[4]。2005年A. Rozanov等人发表论文介绍了SCIATRAN2.0,模型在不断的完善,后来又出现了SCIATRAN2.X,2008年研发了SCIATRAN3.0,在计算速度上有很大的提高。在过去几年中,在许多运用方面,国内外已发表的多篇论文证实了SCIATRAN模型有很大的应用价值。高光谱大气成分观测仪SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric Chartography)利用天底(Nadir)、临边(Limb)、和掩星(Occulation)等多种观测方式对痕量气体进行观测,其数据经证明是稳定和可靠的。SCIAMACHY光谱范围为240 nm—2 380 nm,该波段覆盖了多种痕量气体的吸收,可获得O3、O4、O2、H2CO、SO2、BrO、OClO、ClO、NO、NO2、NO3、H2O、CO、CO2、CH4、N2O、云以及气溶胶的信息[4]。另外,其采用光栅分光设计使得光谱分辨率在整条观测光谱范围内都处于较高的水平。
我国关于SCIATRAN模拟反演研究较少,并且大多针对敏感性因素进行分析,没有和SCIAMACHY实测数据结合。虽然SCIATRAN针对SCIAMACHY传感器进行设计,然而,国外的模型和观测资料在中国缺乏验证和修正,对于我国地区的模拟和反演结果还有待商榷[5,6]。通过SCIAMACHY观测参数输入SCIATRAN模型,模拟出大气在此观测状态下的大气辐射亮度值,然后将所得的模拟值与SCIAMACHY实测值进行分析比较,分析其影响因素。为大气成分反演做准备,也为我国发展Limb模式观测辐射亮度信息技术提供参考。
1 SCIATRAN模型参数结构
SCIATRAN模型波谱范为175.44 nm—2 400 nm,光谱分辨率为0.24 nm—0.5 nm;大气模式有球形大气、伪球形大气和平行平面;模拟输入控制参数主要有观测几何参数、云参数、气溶胶参数、痕量气体参数和地表特性参数等。SCIATRAN模型与其它模型相比,提供了更细致的云参数和微量气体参数设置,并在地表反照度中引入了双向反射分布函数BRDF,可以计算辐射亮度值、微量气体分量、压力分量等。参数结构如图1所示。
2 辐射量度值的模拟
针对搭载在欧洲空间局的ENVISAT—1卫星的SCIAMACHY传感器Limb模式下的辐射亮度值进行模拟。在用SCIATRAN对该传感器辐射亮度模拟时,要将 SCIAMACHY传感器的观测参数输入模型,这些参数保存在SCIAMACHY的L1b等数据产品中,该数据可以在欧洲空间局的网站上通过申请后在欧空局下载得到。SCIAMACHY L1b数据是按轨道存储的,每个轨道的数据约四百兆字节,数据量较大。德国航空宇航中心和不莱梅大学共同支持的网站SOST有每个轨道Nadir、Limb和Occulation 观测方式的时间、地理位置和校准等信息,方便用户找到符合自己要求数据。SCIAMACHY L1b数据的格式是其自行开发的数据格式,主要有如下几个部分:头文件,对卫星和每个时次具体文件情况的总汇介绍;观测数据集,包括天底、临边和掩星观测数据集;辅助数据集,与该文件同步获取的定标信息;全球辅助数据集,适用于全轨的定标数据。欧空局提供了读取该产品数据的软件EnviView/VISAN和BEAT,还提供了SciaL1C数据处理软件用来根据用户的需求进行时间、经纬度、观测方式、波段组等进行设定,提取最感兴趣的数据。需注意的是该产品的L1b数据不同于其他卫星的L1b数据,其它并不是完全校准的数据,需要对数据进行校准和提取[7]。通过SciaL1C完全校准获得L1c数据,其数据是按照簇(cluster)为最小存储单元[7]。现用到的实测数据是经过完全校准的数据。
在用SCIATRAN模拟辐射亮度时,需要对模型中的主控文件control.inp的辐射传输模型、计算结果类型、辐射传输方程算法、计算结果是否为绝对量度、太阳光谱文件路径、模拟波段信息、狭缝函数半波长、痕量气体选择、线性气体的拟合方法、模拟地区的经纬度和时间、是否由SCIATRAN模型自动按照经纬度和时间指定地表反照率、地表高度和MPI数据等进行设置。本次模拟设置如表1。同时还要对几何控制文件control_geom.inp进行设置,将SCIAMACHY的参数,如卫星的高度、观测时的太阳天顶角、太阳方位角、视线方位角及切点高度等数据在SCIATRAN中的几何参数控制文件中进行设定。传感器观测方式为Limb模式,观测切点高度从-3 km到90 km共计三十一个切线高度。
3 模拟结果及其与实测值的对比
3.1 模拟结果
模拟选择的波段范围为245 nm—281 nm,光谱分辨率为0.24 nm。在波段245 nm—281 nm,以波长为横坐标,辐射亮度值为纵坐标, 31个切线高度得到31条的辐射亮度曲线分布如图2所示。总体上,模拟辐射亮度曲线随着切线高度的增加先缓慢上升,然后又随着高度的增加而降低,最后辐射亮度值逐渐接近于0。
3.2 模拟值与实测值的对比
模拟值与实测值分别得到的31条辐射亮度曲线,辐射亮度曲线在总体上包括走向、变化和分布上有较好的符合,并且随着切线高度的变化,辐射亮度有相同的变化,都是随着切线高度的增加先缓慢升高然后逐渐降低。不同的是实测的31条辐射亮度曲线之间存在交叉现象,模拟值则不存此现象,这是由于SCIATRAN模型大气模拟是对理想状态模拟,而实测值是以切点为中心960 km的扫描,在如此大的范围内大气是不均匀的,另外实测值虽然进行了校准,仍存在系统误差也是造成实测值出现不同切线高度辐射亮度曲线交叉的原因。切线高度为40 km的模拟和实测的辐射亮度曲线单独对比,如图3所示。实测值总体比模拟值要小,幅度变化也要小,但两者波峰和波谷出现的位置相近。
4 SCIATRAN模型模拟值影响因素分析
在用SCIATRAN模型进行模拟时,模型用到了其自带的臭氧廓线数据,气溶胶以及地表反照率。这些参数实际上是不断变化的,而模型用到的是按照一般统计规律进行总结出的一般规律,与实际观测是有差距的。通过改变这些参数,可以得到这些因素对模型模拟值的影响,从而找到实测值和模拟值存在差别的原因。
以切线高度设为40 km为例,在保持其它参数不变,并将模型中的臭氧柱状总量调整为252 DU和380 DU进行模拟,其辐射亮度曲线如图4所示。由图可以看出,臭氧柱状总量为252 DU的辐射量度值比380 DU的辐射值明显要大。这与模拟波段240 nm—280 nm是O3的强吸收区波段相符。同样,切线高度设为40 km,在保持其它参数不变,调整地表反照率0.3和0.5进行模拟,其辐射亮度曲线如图5所示。在所选的波段内,不同地表反照率对辐射亮度基本没有影响[8]。同样改变气溶胶参数,其他参数不变,在所选的波段内,与改变地表反照率的情况相同,对辐射亮度几乎没有影响。
5 结论
通过结合传感器SCIAMACHY观测Limb模式的相关参数,用SCIATRAN模型模拟出其辐射亮度值,模拟的辐射亮度值接近于实测值,得到的辐射亮度曲线和实测的辐射亮度曲线在总体走向、变化和分布上有较好的吻合,说明模拟的精度较高。本次模拟波段为臭氧的强吸收波段,模拟时没有输入真实的臭氧廓线数据,造成了实测值和模拟值的偏差,说明臭氧对此模拟的影响较大,而模拟波段的气溶胶、地表特性对辐射亮度影响较小。为了进一步提高模拟精度需要加入真实的臭氧廓线数据、气溶胶、地表反照率和云等参数;在对模型进行了大量的验证后,将实测参数输入模型,又反过来可以对SCIAMACHY传感器进行检测,这是本次模拟工作需要进一步研究的内容。通过SCIATRAN模型对SCIAMACHY传感器的实际模拟,具有为我国发展Limb模式大气探测传感器设计具有借鉴意义。
参考文献
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[6]齐谨.利用SCIAMACHY/ENVISAT资料开展中国区域NO2反演研究.北京:中国气象科学研究院,2007
[7] Spurr R J D.ENVISAT-1 SCIAMACHY Level 1c to 2 Off-lineProcessing Algorithm Theoretical Basis Document,Tech.ReportDLR IMF-AP,ENV-ATB-SAO-SCI-2200-0003(Issue 2),2000