一种基于LOWTRAN7的近地红外辐射大气透射率的简化计算方法

本发明属于大气透射率测量，特别是涉及一种基于lowtran7的近地红外辐射大气透射率的简化计算方法。

背景技术：

1、红外技术在军事和民用上的运用越来越广泛，如在侦察、遥感、气象、测温等领域都取得了佳绩。所有物体发出的红外辐射都要经过大气的传输才能到达光学系统，被红外探测系统接收。所以，关于红外辐射在大气中的传输研究越来越受到关注，而大气透射率是研究红外辐射传输的重要参数，也是影响红外探测系统测量精度的重要因素。

2、目前，计算红外大气透射率的方法主要分为两类：其一经验公式法，根据红外辐射在大气传输中的衰减规律、经验公式、查表等，建立大气透射率的求解模型，这种方法计算大气透射率较为简单灵活，但是存在着较大的经验误差，适用范围有限，不适用复杂大气情况；其二专业软件计算法，利用lowtran、modtran、fascode等辐射传输软件计算红外辐射大气透射率，精度较高。使用软件前要确定大量参数，有些参数无法准确实际获取，操作困难，而且直接将大气软件中已有的经典大气模型应用于我国大气情况，会导致极大的误差；应用时需要繁琐地输入大气参数，过程复杂且不易移植、不易与红外系统兼容。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于lowtran7的近地红外辐射大气透射率的简化计算方法。该方法在大气辐射传输软件内自定义简化的近地红外辐射大气透射率计算公式，利用传感器获取所需参数作为输入，在visual studio平台调用嵌入的lowtran7软件基于单层大气模式快速计算不同气象条件下的大气透射率。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于lowtran7的近地红外辐射大气透射率的简化计算方法，具体为：

3、1)分析不同气候条件对近地红外辐射大气透射率的影响，找到影响近地红外辐射大气透射率的关键因素；根据所找到的关键因素将复杂参数简化为单层大气模式，将难以测量的参数转换为方便易测的其他参数，减少参数数量并降低测量难度；简化后的参数和转换后的参数为所需参数；

4、2)利用自动气象站和其他传感器获取所需参数的实测数据，将所述实测数据转换为lowtran7特有格式，创建数据输入文件；

5、3)确定应用场景下的固定参数，比如波长区间等，将lowtran7软件的fortran源码嵌入到vs平台，形成可调用的.exe程序，根据所述数据输入文件执行所述可调用的.exe程序生成包括近地红外辐射大气透射率的数据输出文件，方便与红外系统兼容；根据所需参数计算得到所述近地红外辐射大气透射率；

6、4)根据lowtran7生成的数据输出文件获取当下红外辐射路径下的近地红外辐射大气透射率。

7、上述技术方案中，进一步地，所述的步骤1)具体为：

8、红外辐射在大气中随着传输而衰减，不仅会被大气气体分子吸收散射，还会受到气溶胶散射和气象条件(诸如云雨雾等)的影响。

9、大气对红外辐射的衰减能力用消光系数μ(λ)来表示，由比尔-朗伯定律可以得到大气消光系数μ(λ)与大气透射率τa(λ)的关系:

10、τa(λ)＝e-μ(λ)·r

11、其中，r为海平面水平路程。

12、大气的消光系数可以由各部分的影响因素的衰减系数相加获得，则：

13、μ(λ)＝μ1(λ)+μ2(λ)+μ3(λ)

14、其中，μ1(λ)、μ2(λ)、μ3(λ)分别为大气分子、气溶胶和气象因素所引起的衰减系数。大气分子、气溶胶和气象因素所对应的透射率分别为τ1(λ)、τ2(λ)、τ3(λ)，则总大气红外透射率为

15、τa(λ)＝τ1(λ)·τ2(λ)·τ3(λ)

16、大气中的h2o和co2对红外辐射传输影响较大，而其他大气成分如ch4,n2o,co,o3等对红外辐射吸收较小，可忽略不计。

17、

18、其中，分别为h2o和co2对应的透过率；

19、通过水蒸气含量相等的路程时吸收率相等原则，得到

20、

21、其中，f1为温度t1时饱和空气中的水蒸汽质量，f2为温度t2时饱和空气中的水蒸汽质量,为大气条件1下(温度为t1、相对湿度为r1)水蒸汽的吸收系数，为大气条件2下(温度为t2、相对湿度为r2)水蒸汽。

22、大气近表层中co2密度基本维持稳定，其光谱透射率只与红外辐射经过的距离有关。其在水平路径上的光谱吸收系数可通过查表获得。

23、

24、其中，r是海平面水平路程,为co2吸收引起的光谱衰减系数。如果探测器在海拔高度为h时，r为

25、

26、其中，d是传输距离，θ是倾斜路径的仰角；气体分子为h2o时，β＝0.0654，气体分子为co2时，β＝0.1900；h为探测器的海拔高度(km)。

27、通常气溶胶散射为红外衰减的主要因素。可通过大气能见度vm来表述气溶胶的散射系数。在给定波长λ条件下，可用kim模型近似其衰减系数，则相应的大气透射率τ2(λ)为

28、

29、由于人眼对λ0＝0.55μm的光最敏感，因而利用该波长来获得大气能见度。其中，q为经验常数。

30、气象条件对红外衰减的影响通常是由云、雾、雨、雪、霾等气象条件引起的。有关云、雾、霾等因素的影响可归于上述气溶胶的mie散射，所以这里主要考虑雨、雪的无选择性散射。雨和雪的衰减系数的经验公式分别为

31、

32、其中，j1为降雨强度(mm/h)，j2为降雪强度(mm/h)，μ31、μ32分别表示雨、雪相关的散射衰减系数。

33、进一步，由于海平面水平路程和大气能见度测量复杂，需要进行参数转换。测幅100m之内气压变化相比地面大气压数值，该气压变化可忽略，所以可认为是水平路径探测，不需要近地红外传输倾斜路径的仰角θ，用lowtran7单层大气模式计算。则海平面水平路径可转换为r＝d·e-βh，而海拔高度可根据气压—高度公式转换成大气压表达h(p)。

34、h＝44330*(1-(p/p0)^(1/5.255))

35、其中，h为海拔高度(m)，p0为标准大气压值(0℃，101.325kpa)，p当前位置的大气压(kpa)。

36、大气能见度一般用目测的方法，但误差较大，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪测量，但成本昂贵，操作复杂。根据实验数据和相关文献可知，相对湿度、风速对能见度长期变化影响最大，所以大气能见度可转换为相对湿度和风速的测量(lowtran7大气软件中大气能见度可通过输入相对湿度和风速获取)。另外，气象部门把降雨和降雪统称为降水，故降雨强度和降雪强度可转化为降水量j表述。根据各衰减因素所计算出的大气对红外辐射在各波长对应的近地红外辐射大气透射率为

37、

38、式中，分别为在大气温度为5℃、相对湿度为100％时水蒸汽和二氧化碳的光谱吸收系数，f为温度为t时饱和空气中的水蒸汽质量，h为海拔高度，vm为能见度，j是降水量，d是传输距离。即简化后的近地红外辐射大气透射率的计算需要知道传输距离、大气温度、相对湿度、风速、大气压和降水量这些参数数值。即简化后的近地红外辐射大气透射率的计算需要知道传输距离、大气温度、相对湿度、风速、大气压和降水量这些参数数值。

39、进一步地，所述步骤2)中，自动气象站能够全天候现场监测风速、雨量、空气温度、空气湿度、大气压力等气象要素，通过专业配套的数据采集通讯线与计算机进行连接，将数据传输到pc端。另外，距离可以通过激光脉冲测距传感器获得。因该软件特有的数据格式，需要将采集到的参数的数据格式进行转换，再创建lowtran7的数据输入文件tape5，便可根据输入调用lowtran7.exe程序。

40、进一步地，所述步骤3)具体为：确定lowtran7各个卡片的参数，比如红外相机的相应波段8-14μm，软件中的波长区间要做相应修改。另外，红外系统大多编译语言(如c++)与lowtran7的编写语言fortran不兼容，为了方便软件移植，需要在vs平台调用fortran程序。首先安装intel oneapi2022，在visual studio2017搭建fortran环境，集成所需开发环境；其次，为了有效地利用现有的程序，减少不必要的重复性工作，可把lowtran7的fortran源码生成可执行程序，c++利用shellexecute调用生成的.exe程序。

41、进一步，步骤4)具体为：运行lowtran7.exe程序，生成tape6/tape7/tape8数据输出文件，其中tape6有“average transmittance＝xxxx”，根据关键词搜索获取近地红外辐射大气透射率，此数据可以用于其他任务计算。

42、进一步，所述自动气象站为trm-zs2型号。

43、进一步，所述激光脉冲测距传感器为gls-b200h型号。

44、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

45、(1)将近地红外辐射大气透射率的求解简化为单层大气模式计算，减少模型复杂度和参数数量；

46、(2)本发明创建自定义近地红外辐射大气透射率的计算公式，更合适我国大气情况，根据公式简化大气软件的输入参数，降低操作复杂度同时提高大气透射率的计算精度，解决了经验公式法精度不高、专业软件参数过多计算复杂的问题；

47、(3)通过自动气象站和距离传感器获取不同气象条件下的参数，lowtran7可以计算任意气象条件下的大气透射率，扩大了软件适用范围；

48、(4)lowtran7集成到vs平台，方便和红外系统兼容(比如红外相机的c++api)，便于数据处理。