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辐射传输:从唯象到第一性原理

遥感学报 2023年第7期27卷 1628-1641页

作者：吴自华秦其明北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京100871

在回顾经典辐射传输理论的发展历程的基础上,本文对辐射传输理论与经典电磁理论的联系方面的研究工作进行了系统综述:从19世纪80年代提出至今,辐射传输理论已经过了一百多年的发展,并在诸多领域,尤其是定量遥感中得到了广泛的应用。经... 详细信息

在回顾经典辐射传输理论的发展历程的基础上,本文对辐射传输理论与经典电磁理论的联系方面的研究工作进行了系统综述:从19世纪80年代提出至今,辐射传输理论已经过了一百多年的发展,并在诸多领域,尤其是定量遥感中得到了广泛的应用。经典辐射传输理论是一种唯象的近似理论,虽然描述的是电磁辐射的传播过程,但却长期被视为与经典电磁学相独立的一座“孤岛”。为了建立起辐射传输理论和经典电磁学间的联系,从20世纪60年代开始,众多研究者从第一性原理(也即Maxwell方程组)出发,从理论推导、数值模拟和受控实验3个角度展开了一系列研究,据此进一步明确了辐射传输理论的适用范围和条件,并针对相干后向散射和密集介质等情形提出了一些改进的辐射传输方法。展望未来,这一探索仍将继续,并将促进辐射传输理论与电磁理论的进一步结合,从而更好地服务于定量遥感的应用需求。

关键词：遥感辐射传输唯象第一性原理经典电磁学 Maxwell方程组

辐射传输中的一个伪极限问题及其数学物理原理

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物理学报 2009年第2期58卷 1353-1357页

作者：段民征郭霞中国科学院大气物理研究所北京100029

当太阳入射角度和观测角都趋向于水平时,由平面平行大气辐射传输方程计算得到的大气顶的反射辐射值不唯一,其值依赖于太阳和观测角的趋近于水平方向的路径曲线,即从数学角度称为出现极限的不唯一或极限不连续.事实上这违背了辐射场物理... 详细信息

当太阳入射角度和观测角都趋向于水平时,由平面平行大气辐射传输方程计算得到的大气顶的反射辐射值不唯一,其值依赖于太阳和观测角的趋近于水平方向的路径曲线,即从数学角度称为出现极限的不唯一或极限不连续.事实上这违背了辐射场物理原理,这种不连续是由于常规算法中忽略了大气辐射传输中一个隐含的物理原理而导出的.在极限条件下必须引入满足Snell光学定律的界面边界条件,否则会导致错误的结论.

关键词：辐射传输局地热力学平衡大气光学 Snell定律

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辐射传输的格子Boltzmann模拟

工程热物理学报 2011年第11期32卷 1900-1902页

作者：马宇董士奎赫晓东谈和平哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学能源学院黑龙江哈尔滨150001

辐射动力学理论是描述辐射传输是重要手段,基于此,本文建立了辐射能和辐射动量守恒方程,并基于Chapman-Enskog多尺度展开方法实现了从辐射传输Boltzmann方程到宏观方程的推导,进而建立了适于一维辐射传输的2分量格子Boltzmann模型。数... 详细信息

辐射动力学理论是描述辐射传输是重要手段,基于此,本文建立了辐射能和辐射动量守恒方程,并基于Chapman-Enskog多尺度展开方法实现了从辐射传输Boltzmann方程到宏观方程的推导,进而建立了适于一维辐射传输的2分量格子Boltzmann模型。数值结果与精确解吻合较好,表明本文提出的LBM方法具有很好的准确性和稳定性,为LBM方法在辐射传热问题的应用奠定了理论基础。

关键词：格子Boltzmann方法辐射传输辐射动力学

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耦合辐射传输模型的植被含水量遥感改进监测

红外与毫米波学报 2010年第3期29卷 185-189,240页

作者：赵祥王锦地刘素红北京师范大学地理学与遥感科学学院遥感科学国家重点实验室环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京100875

基于耦合的叶片与冠层辐射传输模型,研究并使用了改进的植被指数提取植被含水量,以实现植被水分含量的遥感监测.使用PROSAIL模拟的高光谱数据,首先对NDVI、WI、NDWI、MSI、CSI及NDII等已有的植被指数提取含水量进行可行性分析比较.结果... 详细信息

基于耦合的叶片与冠层辐射传输模型,研究并使用了改进的植被指数提取植被含水量,以实现植被水分含量的遥感监测.使用PROSAIL模拟的高光谱数据,首先对NDVI、WI、NDWI、MSI、CSI及NDII等已有的植被指数提取含水量进行可行性分析比较.结果显示NDVI不能估算出植被含水量,CSI估算能力也不理想,其余四个指数WI,NDWI,NDII,MSI估算植被含水量时相关系数平方在0.76左右;之后对NDWI提取植被含水量进行了敏感因子分析,结果表明NDWI与MCARI具有较好的线性关系,从而得出改进的植被含水量估算方法.该方法可以较好地去除LAI的干扰,估算的相关系数平方提高为0.97,增加了27%,估算残差由初始的0.0156降低为0.00535,减少了65%.

关键词：辐射传输植被含水量高光谱

基于辐射传输数值模型PCOART的大气漫射透过率精确计算

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红外与毫米波学报 2008年第4期27卷 303-307页

作者：何贤强潘德炉白雁朱乾坤龚芳国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室

分析了中国第一颗海洋水色卫星(HY-1A)大气漫射透过率模型的计算精度,结果表明,当气溶胶光学厚度或天顶角较大时,该模型计算相对误差可>5%,最大可达50%以上,不适用于高纬度海区(纬度>60°).在此基础上,利用海洋-大气耦合矢量辐射传输数... 详细信息

分析了中国第一颗海洋水色卫星(HY-1A)大气漫射透过率模型的计算精度,结果表明,当气溶胶光学厚度或天顶角较大时,该模型计算相对误差可>5%,最大可达50%以上,不适用于高纬度海区(纬度>60°).在此基础上,利用海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型PCOART,进行了大气漫射透过率的精确计算.通过与SeaWiFS精确大气漫射透过率查找表计算结果的比较,表明利用PCOART计算大气漫射透过率的相对误差<1.5%,且当观测天顶角<60°时,相对误差<0.5%,可以用来生成我国海洋水色卫星遥感器的精确大气漫射透过率查找表.

关键词：大气漫射透过率辐射传输查找表

电离层O^+83.4 nm日辉辐射传输特性研究

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光谱学与光谱分析 2020年第5期40卷 1334-1339页

作者：王大鑫付利平江芳贾楠窦双团中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190

电离层极紫外波段(10~100 nm)日辉辐射主要是由太阳光电离激发以及光电子碰撞电离激发过程产生的,利用天基遥感探测手段对极紫外日辉辐射进行观测,可以获得白天电离层F层的电子密度、离子密度及空间分布等信息。极紫外波段日辉的天基遥... 详细信息

电离层极紫外波段(10~100 nm)日辉辐射主要是由太阳光电离激发以及光电子碰撞电离激发过程产生的,利用天基遥感探测手段对极紫外日辉辐射进行观测,可以获得白天电离层F层的电子密度、离子密度及空间分布等信息。极紫外波段日辉的天基遥感探测技术在国外起步较早,尤其是欧美、日本等国家,目前已经处于相对成熟的阶段。而我国对极紫外波段气辉辐射的研究几乎为空白,对电离层的探测也主要集中在夜间,如2017年我国发射的风云三号气象卫星D星上装载的电离层光度计可以获得夜间电离层峰值电子密度。对极紫外气辉进行遥感观测,特别是对电离层中O^+83.4 nm日气辉辐射的辐射特性进行探测,是获得白天电离层辐射特性的重要手段,也是国际上电离层光学遥感探测技术的研究热点。首先介绍了极紫外日辉的辐射传输理论,对日辉辐射的激发过程、碰撞过程以及共振散射过程进行了介绍,在此基础上重点分析了O^+83.4 nm日气辉辐射的产生机制及辐射特性。该辐射是太阳光电离激发低热层中的O原子而产生,为电离层极紫外气辉中辐射强度较强的信号之一,83.4 nm气辉的高度分布情况可以提供电离层O^+密度扩线以及电子密度扩线,为白天电离层探测提供了一种有效手段。其次分析了O^+83.4 nm日辉辐射的谱带特性,以MSIS-00大气模型为基础,利用由美国计算物理公司与空军实验室联合开发的AURIC v1.2模型计算83.4 nm气辉辐射的初始体发射率、共振散射作用下的体发射率和临边柱辐射强度的分布情况,探究O^+83.4 nm日辉谱线与高度、纬度、太阳活动和地磁活动等电离层物理参量的相关性。基于极紫外日辉辐射算法,同时根据氧离子83.4 nm辐射传输特性,考虑该辐射的多次散射效应,提出了氧离子83.4 nm日辉辐射的计算方法。假设电离层呈现电中性,获得氧离子83.4 nm日辉强度可以反演白天电离层O^+密度,进而获得白天电离层F层电子密度的分布情况,为探究白天电离层特性提供了重要依据。

关键词： O^+83.4 nm 日气辉辐射传输电离层

三维云层遥感辐射传输中的水平方向邻域多次散射近似模型

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光学学报 2020年第24期40卷 16-25页

作者：张寅颜灏马俊闫钧华智喜洋巩晋南南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室江苏南京210016 哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心黑龙江哈尔滨150001

针对遥感应用中的三维云层辐射传输计算问题,提出一种水平方向邻域多次散射近似模型。通过分析水平方向相邻云体单元间的辐射通量密度变化机制,建立相邻云体水平辐射交换方程。引入太阳方向补偿函数,修正太阳入射角对辐射传输的影响。利... 详细信息

针对遥感应用中的三维云层辐射传输计算问题,提出一种水平方向邻域多次散射近似模型。通过分析水平方向相邻云体单元间的辐射通量密度变化机制,建立相邻云体水平辐射交换方程。引入太阳方向补偿函数,修正太阳入射角对辐射传输的影响。利用I3RC PhaseⅡ淡积云场(Cu)数据、基于实测修正的多尺度叠加分形算法得到的层积云场(Sc)数据和高积云场(Ac)数据进行实验。实验结果表明,与独立像元近似(IPA)模型和严格单次散射结合爱丁顿多次散射(SSEddMS)模型相比,在0~60°太阳天顶角范围内,所提模型的上行方向辐射源函数(USF)平均相对误差优于13%;在低太阳天顶角条件下,计算精度提升超过15%;在不同观测条件下,像元级辐射计算精度优于5%。所提模型能够适用于具有不同光学厚度与水平非均匀性的三维云层,在稳定性、适用性及计算精度方面均具有显著优势。

关键词：大气光学遥感三维云层辐射传输水平方向邻域多次散射

基于有限邻域辐射传输的三维云层多次散射近似模型

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光子学报 2020年第12期49卷 180-190页

作者：张寅马俊闫钧华颜灏智喜洋巩晋南南京航空航天大学空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室南京211106 南京航空航天大学航天学院南京211106 哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心哈尔滨150001

针对高分辨率探测应用中三维云层辐射传输计算成本较高的问题,提出了一种基于有限邻域的多次散射近似模型.根据不同空间位置邻近云体间的辐射耦合规律,将有限邻域分解为水平邻域和垂直邻域.通过水平辐射通量密度变化方程,计算水平方向... 详细信息

针对高分辨率探测应用中三维云层辐射传输计算成本较高的问题,提出了一种基于有限邻域的多次散射近似模型.根据不同空间位置邻近云体间的辐射耦合规律,将有限邻域分解为水平邻域和垂直邻域.通过水平辐射通量密度变化方程,计算水平方向辐射交换,表征水平邻域产生的辐射效应.针对辐射通量沿垂直方向误差,利用辐射通量密度补偿函数加以修正,更准确地表征垂直邻域产生的辐射效应.选择三维积云场为实验场景,以独立像元近似模型和结合了严格单次散射的爱丁顿多次散射模型作为比较对象.实验结果表明:当太阳天顶角小于60°时,本文模型对上行和下行辐射源函数的精度提升优于8%和10%,最高可达47.39%和33.93%;在不同光照和观测条件下,辐射亮度计算精度优于40%;在计算效率方面,本文模型优势显著,有助于研究大规模场景下的辐射传输快速求解.

关键词：辐射传输多次散射辐射效应云层大气光学

离散坐标法和LOWTRAN7辐射传输计算的比较

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红外与毫米波学报 1995年第2期14卷 105-111页

作者：汪宏七赵高祥中国科学院大气物理研究所

在不同波段和不同大气条件下，利用离散坐标法和ＬＯＷＴＲＡＮ７计算了大气顶向上和地面向下辐射率，并进行了比较．在一般情况下，两者的差别小于２０％，说明用ＬＯＷＴＲＡＮ７计算有较好的精度．

关键词：离散坐标法 LOWTRAN 辐射传输辐射率