一种海洋大气辐射效应模拟系统和方法

摘要

本发明公开了一种海洋大气辐射效应模拟系统和方法，该系统包括：数据获取模块，用于获取海洋上空的气溶胶粒子分布数据、目标的本征辐射量和路径辐射量；第一大气透过率计算模块，根据所述气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率；以及第一目标辐射计算模块，用于根据所述第一大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量。本发明通过气溶胶粒子分布数据来计算得到衰减系数，进而计算大气透过率，并据此计算得到目标辐射量，整个计算过程通过采用自主计算的方式，计算过程的实时性和灵活性与现有技术相比均有非常大的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋大气辐射效应模拟技术，尤其涉及一种海洋大气辐射效应模拟系统和方法。

背景技术

近年来，随着探测器件性能的不断提高，大多数红外探测系统成为对比度限制的系统，然而，红外探测系统接收目标与背景的红外辐射过程是非常复杂的，接收效果与大气辐射传输透过率计算等密切相关，恶劣的气象条件使红外探测设备作战性能受到很大限制。此外，不同地域、不同区域的气候特征差别很大，采用Modtran辐射传输模型(中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型)标准的计算模式并不适合于我国复杂的地域气候条件，并且Modtran辐射传输模型无法实现实时快速的计算效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋大气辐射效应模拟系统和方法，用以解决实时快速地计算大气透过率和目标辐射量的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种海洋大气辐射效应模拟系统，该系统包括：数据获取模块，用于获取海洋上空的气溶胶粒子分布数据、目标的本征辐射量和路径辐射量；第一大气透过率计算模块，根据所述气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率；以及第一目标辐射计算模块，用于根据所述第一大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量。

优选地，所述数据获取模块还用于根据大气廓线获取海洋上空的气压、水蒸气含量和二氧化碳含量，并基于所述气溶胶粒子分布数据得到海洋上空的气溶胶粒子浓度；所述海洋大气辐射效应模拟系统还包括：第二大气透过率计算模块，用于根据所述气压、所述水蒸气含量、所述二氧化碳含量和所述气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率；以及第二目标辐射计算模块，用于根据所述第二大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反映辐射效应的第二目标辐射量。

优选地，所述数据获取模块还用于获取太阳辐射量和目标的自发辐射量；以及所述本征辐射量根据所述太阳辐射量和所述自发辐射量计算得到。

优选地，该系统还包括：接收模块，用于接收计算模式，该计算模式包括实时计算模式和非实时计算模式；以及第一处理模块，用于在所述计算模式为实时计算模式的情况下，控制采用所述第一大气透过率计算模块计算所述第一大气透过率并采用所述第一目标辐射计算模块来计算所述第一目标辐射量，以及用于在所述计算模式为非实时计算模式的情况下，控制采用所述第二大气透过率计算模块计算所述第二大气透过率并采用所述第二目标辐射计算模块计算所述第二目标辐射量。

优选地，该系统还包括第二处理模块，用于：控制采用所述第一大气透过率计算模块计算所述第一大气透过率，同时控制采用所述第二大气透过率计算模块计算所述第二大气透过率，并用所述第二大气透过率对所述第一大气透过率进行修正，得到第三大气透过率，并根据所述第三大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反应辐射效应的第三目标辐射量；或者控制采用所述第一大气透过率计算模块计算所述第一大气透过率并采用所述第一目标辐射计算模块来计算所述第一目标辐射量，同时控制采用所述第二大气透过率计算模块计算所述第二大气透过率并采用所述第二目标辐射计算模块计算所述第二目标辐射量，并用所述第二目标辐射量对所述第一目标辐射量进行修正，得到第四目标辐射量。

相应地，本发明还提供了一种海洋大气辐射效应模拟方法，该方法包括：获取海洋上空的气溶胶粒子分布数据、目标的本征辐射量和路径辐射量；根据所述气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率；以及根据所述第一大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量。

优选地，该方法还包括：根据大气廓线获取海洋上空的气压、水蒸气含量和二氧化碳含量，并基于所述气溶胶粒子分布数据得到海洋上空的气溶胶粒子浓度；根据所述气压、所述水蒸气含量、所述二氧化碳含量和所述气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率；以及根据所述第二大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反映辐射效应的第二目标辐射量。

优选地，该方法还包括：获取太阳辐射量和目标的自发辐射量；以及所述本征辐射量根据所述太阳辐射量和所述自发辐射量计算得到。

优选地，该方法还包括：接收计算模式，该计算模式包括实时计算模式和非实时计算模式；以及在所述计算模式为实时计算模式的情况下，控制采用所述第一大气透过率计算模块计算所述第一大气透过率并采用所述第一目标辐射计算模块来计算所述第一目标辐射量，以及在所述计算模式为非实时计算模式的情况下，控制采用所述第二大气透过率计算模块计算所述第二大气透过率并采用所述第二目标辐射计算模块计算所述第二目标辐射量。

优选地，该方法还包括：控制采用所述第一大气透过率计算模块计算所述第一大气透过率，同时控制采用所述第二大气透过率计算模块计算所述第二大气透过率，并用所述第二大气透过率对所述第一大气透过率进行修正，得到第三大气透过率，并根据所述第三大气透过率、所述本征辐射量和所述路径辐射量来计算反应辐射效应的第三目标辐射量；或者控制采用所述第一大气透过率计算模块计算所述第一大气透过率并采用所述第一目标辐射计算模块来计算所述第一目标辐射量，同时控制采用所述第二大气透过率计算模块计算所述第二大气透过率并采用所述第二目标辐射计算模块计算所述第二目标辐射量，并用所述第二目标辐射量对所述第一目标辐射量进行修正，得到第四目标辐射量。

本发明通过气溶胶粒子分布数据来计算得到衰减系数，进而计算大气透过率，并据此计算得到目标辐射量，整个计算过程通过采用自主计算的方式，计算过程的实时性和灵活性与现有技术相比均有非常大的提高。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的海洋大气辐射效应模拟系统的框图；

图2是本发明提供的另一海洋大气辐射效应模拟系统的框图；以及

图3是本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

图1是本发明提供的海洋大气辐射效应模拟系统的框图，如图1所示，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟系统包括数据获取模块1、第一大气透过率计算模块2和第一目标辐射计算模块3。

数据获取模块1用于获取海洋上空的气溶胶粒子分布数据、目标的本征辐射量和路径辐射量。

气溶胶是悬浮于大气中的固体和液体粒子的统称，形成于大气边界层区域，对于海洋环境来说，红外探测效能会受到海洋气溶胶散射衰减的影响，海洋上空的气溶胶对红外辐射传输的影响作用是进行海洋大气辐射传输分析的重要因素。气溶胶粒子分布数据指的是气溶胶粒子在空中的分布情况，可以通过官方的公开数据获取到。

目标的本征辐射量是来自于目标的总辐射量，可以根据以往的经验直接得到或者根据现有技术的一些方法直接获取到，也可以根据太阳辐射量和自发辐射量计算得到。本发明中的目标例如可以海面或船体等。

数据获取模块1还可以获取太阳辐射量和目标的自发辐射量；本征辐射量根据太阳辐射量和自发辐射量计算得到，具体来说，通过对太阳辐射量和自发辐射量求和计算得到本征辐射量，计算公式如下：

L

在公式(1)中，L

目标的路径辐射量指的是目标到观察点之间经过的路径的辐射量，受到传输路径的影响会发生衰减，路径辐射量的获取可以通过现有技术的方式得到，于此不予赘述，一般来说，观察点就是用于探测目标的探测器的位置。

第一大气透过率计算模块2根据气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率。

第一大气透过率计算模块2根据气溶胶粒子分布数据计算衰减系数的公式如下：

在公式(2)中，σ

在根据公式(2)计算得到衰减系数σ

τ

在公式(3)中，R表示探测点与目标之间的距离；τ

第一目标辐射计算模块3用于根据第一大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量。在通过以上技术过程获取到第一大气透过率、本征辐射量和路径辐射量的情况下，可以根据以下公式来计算第一目标辐射量：

L

在公式(4)中，L

需要说明的是，可以根据距离海平面高度对大气进行分层，可以针对每一层进行相应的处理，如果海洋上空(即，目标区域，也可以是地面)每一层大气的气溶胶粒子分布不同，那么对应于每一层大气的第一大气透过率和第一目标辐射量也就不同。

图2是本发明提供的另一海洋大气辐射效应模拟系统的框图。

在图2提供的技术方案中，数据获取模块1还用于根据大气廓线获取海洋上空的气压、水蒸气含量和二氧化碳含量，并基于气溶胶粒子分布数据得到海洋上空的气溶胶粒子浓度。

大气廓线反应了在不同高度上大气的指标数据，大气廓线所表征的参数随区域、高度的不同而不同，大气廓线可以通过官方数据获取到，通过大气廓线所表征的参数，可以得到目标区域(如，海洋上空)的气压、水蒸气含量和二氧化碳含量。此外，也可以根据气溶胶粒子分布数据所表征的参数得到目标区域(如，海洋上空)的气溶胶粒子浓度。这些获取相应数据的方式均为本领域常用的技术，于此不予赘述。

如图2所示，海洋大气辐射效应模拟系统还包括第二大气透过率计算模块4和第二目标辐射计算模块5。

第二大气透过率计算模块4用于根据气压、水蒸气含量、二氧化碳含量和气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率。Modtran辐射传输模型是本领域技术人员在计算大气透过率的时候常用的一种计算模型，在根据海洋上空(即，目标区域，也可以是地面)每一层大气进行分层的情况下，Modtran辐射传输模型可以根据每一层大气进行精细建模，由于Modtran辐射传输模型是一种公知技术，于此不对其原理进行阐述。

第二目标辐射计算模块5用于根据第二大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第二目标辐射量。第二目标辐射计算模块5的计算过程与第一目标辐射计算模块3类似，计算公式也相同，

L

在公式(5)中，L

此外，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟系统还可以包括接收模块和第一处理模块(图中未示出)。

接收模块用于接收计算模式，该计算模式包括实时计算模式和非实时计算模式。容易理解，实时计算模式对计算过程要求快速，非实时计算模式得到的计算结果可能会有所滞后。

第一处理模块用于在计算模式为实时计算模式的情况下，控制采用第一大气透过率计算模块2计算第一大气透过率并采用第一目标辐射计算模块3来计算第一目标辐射量，以及用于在计算模式为非实时计算模式的情况下，控制采用第二大气透过率计算模块4计算第二大气透过率并采用第二目标辐射计算模块5计算第二目标辐射量。

具体来说，在计算模式为实时计算模式的情况下，采用第一大气透过率计算模块2根据气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率，并采用第一目标辐射计算模块3根据第一大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量。在计算模式为非实时计算模式的情况下，采用第二大气透过率计算模块4根据气压、水蒸气含量、二氧化碳含量和气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率，并采用第二目标辐射计算模块5根据第二大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第二目标辐射量。由于Modtran辐射传输模型通过外部模块来实现，所以可以在实时性要求较低的情况下采用。

根据本发明提供的另一实施方式，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟系统还可以包括第二处理模块(图中未示出)。

第二处理模块用于控制采用第一大气透过率计算模块2计算第一大气透过率，同时控制采用第二大气透过率计算模块4计算第二大气透过率，并用第二大气透过率对第一大气透过率进行修正，得到第三大气透过率，并根据第三大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反应辐射效应的第三目标辐射量；或者控制采用第一大气透过率计算模块2计算第一大气透过率并采用第一目标辐射计算模块3来计算第一目标辐射量，同时控制采用第二大气透过率计算模块4计算第二大气透过率并采用第二目标辐射计算模块5计算第二目标辐射量，并用第二目标辐射量对第一目标辐射量进行修正，得到第四目标辐射量。

具体来说，为了保证整个系统的实时性，可以实时采用第一大气透过率计算模块2根据气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率，与此同时，采用第二大气透过率计算模块4根据气压、所述水蒸气含量、二氧化碳含量和气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率。第一大气透过率的计算是实时的，第二大气透过率的计算可能有所滞后，但为了保证计算结果的准确性，可以用第二大气透过率对第一大气透过率进行修正，本领域技术人员可以根据自己的经验来制定修正方式，例如，直接用第二大气透过率来替换第一大气透过率，或者分别为第一大气透过率和第二大气透过率赋予权值并进行加权求和的方式来对第一大气透过率进行修正，以得到第三大气透过率。

在得到第三大气透过率之后，第二处理模块可以根据第三大气透过率、本征辐射量和路径辐射来计算反应辐射效应的第三目标辐射量，计算公式如下：

L

在公式(6)中，L

本领域技术人员应当理解，无论采用哪种修正方式，都应当是对相同时间的值的修正，举例来说，在当前时刻得到了第一时刻的第一大气透过率和第二时刻的第一大气透过率，而仅得到了第一时刻的第二大气透过率，所以在当前时刻，仅可以对第一时刻的第一大气透过率进行修正。

第二处理模块还可以提供另一种实施方式，为了保证整个系统的实时性，可以实时采用第一大气透过率计算模块2根据气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率，并采用第一目标辐射计算模块3根据第一大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量，与此同时，采用第二大气透过率计算模块4根据气压、所述水蒸气含量、二氧化碳含量和气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率，并采用第二目标辐射计算模块5根据第二大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第二目标辐射量。第一目标辐射量的计算是实时的，第二目标辐射量的计算可能有所滞后，但为了保证计算结果的准确性，可以用第二目标辐射量对第一目标辐射量进行修正，本领域技术人员可以根据自己的经验来制定修正方式，例如，直接用第二目标辐射量来替换第一目标辐射量，或者分别为第一目标辐射量和第二目标辐射量赋予权值并进行加权求和的方式来对第一目标辐射量进行修正，以得到第四目标辐射量。

本领域技术人员应当理解，无论采用哪种修正方式，都应当是对相同时间的值的修正，举例来说，在当前时刻得到了第一时刻的第一目标辐射量和第二时刻的第一目标辐射量，而仅得到了第一时刻的第二目标辐射量，所以在当前时刻，仅可以对第一时刻的第一目标辐射量进行修正。

在本发明中，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅仅用于区分两种不同的计算方式或计算参数，并不用于限定本发明。

图3是本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法的流程图，如图3所示，该方法包括：

步骤301，获取海洋上空的气溶胶粒子分布数据、目标的本征辐射量和路径辐射量；

步骤302，根据气溶胶粒子分布数据并基于米氏算法计算得到衰减系数，再结合目标的距离计算第一大气透过率；

步骤303，根据第一大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第一目标辐射量。

其中，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法还包括：根据大气廓线获取海洋上空的气压、水蒸气含量和二氧化碳含量，并基于气溶胶粒子分布数据得到海洋上空的气溶胶粒子浓度；根据气压、水蒸气含量、二氧化碳含量和气溶胶粒子浓度，基于Modtran辐射传输模型得到第二大气透过率；以及根据第二大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反映辐射效应的第二目标辐射量。

其中，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法还包括：获取太阳辐射量和目标的自发辐射量；以及本征辐射量根据太阳辐射量和自发辐射量计算得到。

其中，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法还包括：接收计算模式，该计算模式包括实时计算模式和非实时计算模式；以及在计算模式为实时计算模式的情况下，控制采用第一大气透过率计算模块计算第一大气透过率并采用第一目标辐射计算模块来计算第一目标辐射量，以及在计算模式为非实时计算模式的情况下，控制采用第二大气透过率计算模块计算第二大气透过率并采用第二目标辐射计算模块计算第二目标辐射量。

其中，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法还包括：控制采用第一大气透过率计算模块计算第一大气透过率，同时控制采用第二大气透过率计算模块计算第二大气透过率，并用第二大气透过率对第一大气透过率进行修正，得到第三大气透过率，并根据第三大气透过率、本征辐射量和路径辐射量来计算反应辐射效应的第三目标辐射量；或者控制采用第一大气透过率计算模块计算第一大气透过率并采用第一目标辐射计算模块来计算第一目标辐射量，同时控制采用第二大气透过率计算模块计算第二大气透过率并采用第二目标辐射计算模块计算第二目标辐射量，并用第二目标辐射量对第一目标辐射量进行修正，得到第四目标辐射量。

需要说明的是，本发明提供的海洋大气辐射效应模拟方法的具体细节及益处与本发明提供的海洋大气辐射效应模拟系统类似，于此不予赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

本发明可以应用于任意区域，尤其可以应用于海洋区域，例如东海、南海等，可以通过官方公开的大气廓线数据统计分析得到海洋大气辐射传输有重要影响的大气成分(如，水蒸气含量、二氧化碳含量)。此外，还可以分别选取东海、南海两个区域春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)和冬季(12月、1月、2月)中的3月、6月、9月、12月作为代表月份，对比分析东海、南海两个区域在代表月份和标准大气的压强、温度和水汽混合比的差异，还可以选取代表月份中的一天，对所选取的这一天中每隔两个小时的水蒸气含量变化、气压变化、温度变化等进行分析，以形成可供Modtran辐射传输模型调用的数据库。Modtran辐射传输模型为本领域常用的计算模型，该模型所需要的数据输入等参数也可以通过公开资料得到，因此本发明对其原理和使用方法不予赘述。

通过本发明提供的技术方案，使得对大气透过率计算的精确度相对Modtran辐射传输模型的标准模式得到有效提升，采用本发明提供的优化的Modtran辐射传输模型可有效提升仿真过程中大气传输的计算效率。

采用

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。