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《中国科学技术大学》 2017年
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H_2O、CO_2高温气体吸收带红外辐射与传输研究

蔡熠  
【摘要】:基于反向蒙特卡罗法建立了飞行器尾焰的红外辐射模型,计算获得燃烧产物H2O和CO2高温气体的红外辐射光谱,并模拟目标辐射在大气中传输到达大气顶的过程,分析了不同大气条件参数对尾焰辐射传输的影响。本文的主要工作如下:1.建立尾焰物理模型,模拟模型内部各区域的场参数,根据HITRAN数据库使用每个子区域的参数计算其内部辐射参数,使用反向蒙特卡罗法模拟计算尾焰在中红外波段的辐射光谱;计算不同种类内核温度的尾焰辐射光谱并加以比较。2.使用通用大气辐射传输(CART)软件计算天空背景辐射和大气斜程透过率,在此基础上计算了尾焰辐射特性和目标背景对比度。分析了高度、大气模式和观测天顶角三种因素对尾焰目标与背景对比度的影响,并由此确立大气顶卫星的最佳观测波段。3.选择最优插值法对MODIS卫星反演数据与地面探空站点二十年的月均数据进行数据同化,分别对有站点和没有站点两种情况进行分析和验证。在有站点分布的北京地区,对2016年1月每天的MODIS廓线数据进行校正,并与当天的站点实时探测结果做对比分析。在MODIS偏离真值的时候,月均数据对其的校正能够较大的减小误差和均方根误差;在误差波动不大时,校正结果与MODIS结果基本持平,有所减小。在没有站点的合肥地区,使用周围几个站点的月均数据加权平均得到合肥地区的估计月均数据,然后进行校正。选择了天气晴朗的某一天在合肥释放探空气球测量数据,进行验证。校正结果效果提升明显。4.模拟计算了大气吸收波段(2.5-2.9μm)在卷云条件下的大气反射率,分析了卷云光学厚度、粒子尺度和云高对大气反射率和大气顶背景辐射的影响。模拟分析了尾焰目标在卷云大气中传输至大气顶的辐射并计算了大气顶目标背景对比度,考虑了目标高度和卷云参数对对比度的影响。5.考虑了三维大气辐射传输模式,计算了大气顶背景辐射分布受到云参数变化的影响;将目标辐射与三维大气辐射传输模式进行耦合,计算了目标辐射到达大气顶的辐射分布。对飞行器尾焰进行红外辐射建模,计算大气对尾焰红外辐射传输的影响,能够为飞行器目标的侦查、识别和跟踪等领域打下理论基础。
【关键词】:尾焰 辐射传输 数据同化 卷云 反向蒙特卡罗法
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V219;O43
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-12
  • 第1章 绪论12-17
  • 1.1 研究意义12
  • 1.2 国内外研究进展12-15
  • 1.3 研究内容和研究方法15-17
  • 第2章 大气辐射传输理论基础17-50
  • 2.1 大气辐射传输概念17-27
  • 2.1.1 热辐射能量的表示方法18-20
  • 2.1.2 辐射特性与辐射基本定律20-27
  • 2.2 辐射传输方程27-43
  • 2.2.1 介质辐射特性及布格尔定律27-31
  • 2.2.2 介质能量的发射31-32
  • 2.2.3 热辐射传输方程的微分积分形式32-35
  • 2.2.4 辐射能量方程35-43
  • 2.3 表面热辐射传输计算43-48
  • 2.3.1 漫射、均匀表面间的辐射换热43-47
  • 2.3.2 漫射、非均匀表面间的辐射传热47-48
  • 2.4 气体辐射原理48-50
  • 第3章 尾焰红外辐射建模50-65
  • 3.1 蒙特卡罗法51-57
  • 3.1.1 光子发射点位置的模拟52-53
  • 3.1.2 光子运动方向的模拟53
  • 3.1.3 光子在介质内路径长度的模拟53-54
  • 3.1.4 边界处的反射和透射模拟54-55
  • 3.1.5 光子在边界处被反射的方向模拟55-57
  • 3.2 反向蒙特卡罗法57-59
  • 3.3 目标辐射模型计算59-64
  • 3.4 小结64-65
  • 第4章 大气吸收波段尾焰辐射传输65-92
  • 4.1 吸收波段目标背景对比度分析65-73
  • 4.1.1 目标高度对目标背景对比度的影响66-68
  • 4.1.2 大气模式对目标背景对比度的影响68-70
  • 4.1.3 观测天顶角对目标背景对比度的影响70-73
  • 4.2 卷云大气条件下尾焰辐射传输73-85
  • 4.2.1 卷云对大气顶辐射的影响73-75
  • 4.2.2 大气反射率随卷云参数的变化75-79
  • 4.2.3 目标高度和卷云参数对大气顶探测目标的影响79-85
  • 4.3 不同大气模式对尾焰目标辐射传输的影响85-90
  • 4.4 小结90-92
  • 第5章 大气参数廓线校正92-115
  • 5.1 MODIS数据产品92-100
  • 5.2 逐步订正与最优插值法100-103
  • 5.2.1 逐步订正100
  • 5.2.2 最优插值100-103
  • 5.3 校正结果103-113
  • 5.3.1 有探空站点数据处理105-109
  • 5.3.2 没有探空站点数据处理109-110
  • 5.3.3 湿度廓线校正110-113
  • 5.4 小结113-115
  • 第6章 三维大气辐射传输模式115-122
  • 6.1 三维大气辐射传输蒙特卡罗法115-116
  • 6.2 有云条件下三维大气辐射传输模式计算116-118
  • 6.3 目标在三维大气辐射传输模式中传输118-121
  • 6.4 小结121-122
  • 第7章 总结与展望122-124
  • 7.1 总结122-123
  • 7.2 下一步工作展望123-124
  • 参考文献124-129
  • 致谢129-130
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果130

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