大气辐射传输快速计算及仿真技术研究
发布时间：2022-01-17 15:56
大气辐射传输建立在电磁传播理论、热力学以及分子光谱学理论之上,主要研究大气中辐射能量的传输和转换过程,而大气效应仿真就是对大气辐射传输数值计算结果的可视化显示。大气效应仿真在工程应用方面有着重要意义。从数字地球到小规模场景仿真,大气辐射传输效应对场景的逼真度有至关重要的影响。纵观目前主流大气辐射传输模型,大部分都具备光谱分辨率高、计算结果可信度高等优点,但在计算速度方面比较缓慢。对于部分对光谱分辨率要求较低的大气辐射传输计算,使用较为简洁快速的计算模型可以有效提高计算效率。本文以大气辐射传输快速计算和实时仿真为研究目标,主要做了以下工作:（1）从Rayleigh散射、Mie散射以及气体吸收理论出发,考虑了大气压强和大气温度对气体吸收系数的影响,使用经验公式对吸收系数进行修正,并结合朗伯-比尔定律计算大气透过率。根据基尔霍夫定律建立了局部热力学平衡状态下大气自辐射快速计算方法。考虑大气对太阳光的散射作用,使用了一种简化大气散射计算模型,通过逐次散射叠加的方法计算大气散射亮度。（2）考虑大气的球面分布特点,研究了球面大气的分层方法和几何参数计算方法,结合GPU实现大气辐射传输高速计算。为满...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
六种大气模式的温度廓线
mk)图2.2 气溶胶浓度随高度分布在 0~10km 的对流层，气溶胶的浓度随高度大概呈负指数衰减。平流层内的气溶胶浓度又呈上升趋势，在 20km 左右达到最高，这一层被称为荣格层。2.2 大气中的辐射过程电磁辐射在大气中传播时，部分电磁波波会被大气分子以及气溶胶散射到周围环境中，从而使原先传播方向的电磁辐射能量减少。Rayleigh 散射在散射质点为分子级的情况下发生，而米散射是较大颗粒的散射过程。散射可通过尺度数 α = 2π r/λ进行表征。当 α << 1时为瑞利散射；0.1 < α< 50时为米氏散射； α > 50时的散射为几何光学散射。大气在散射太阳光的同时，自身也存在热辐射。地面会将照射到其表面的辐射能量反射到大气中。所以
层大气的热辐射亮度。(4)积分计算出整条路径上的大气热辐射亮度。图2.4 路径辐射分段示意图整条路径上的大气辐射亮度可以表示为：N01( , , ) ( , , ') ( , ) /path iiL λ r r τ λ r r ΔM λ Tπ== ∑ (2-30)(2-30)式中， τ ( λ, r , r') 是r 到 r' 的谱线透过率， ( , )iΔF λ T是大气热辐射辐出度。在计算大气自辐射时，认为大气处于局部热稳定状态且各个方向上的大气热辐射是均匀的。结和基尔霍夫定律，上式可以写为：N0 B1( , , ) ( , , ') ( ) ( , ) /path i iiL λ r r τ λ r r ε λ M λ Tπ== ∑ (2-31)(2-31)式中，iε ( λ )是每一层的大气的发射率。根据局部热力学平衡假设和基尔霍夫定理，最终的大气路径辐射方程可表示为：iN20 5/( )12 1( , , ) ( , , ') (1 ) (1 ( ))e 1Bpath i hc K TihcL r r r rλλ τ λ τ λλ== ∑ (2-32)(2-32)式中，0( , , )pathL λr r 是大气路径辐射亮度
【参考文献】：
期刊论文
[1]图形处理中GPU固定渲染管线的研究[J]. 孟晓宁,王宝华. 集成电路应用. 2018(02)
[2]面向复杂三维场景的高质量纹理映射[J]. 姜翰青,王博胜,章国锋,鲍虎军. 计算机学报. 2015(12)
[3]不同大气条件下红外成像效果模拟[J]. 高春雷,易维宁,崔文煜,刘晓,王先华,张冬英,叶函函,方勇华. 红外与激光工程. 2012(03)
[4]基于SE-Workbench-IR的红外视景仿真研究[J]. 张云,马崇宵,薛艳茹,于晶晶. 弹箭与制导学报. 2010(04)
[5]基于GPU的行星大气散射效果实时渲染技术研究[J]. 刘维敏,李建胜,卢战伟. 系统仿真学报. 2009(S1)
[6]飞机红外辐射及大气透过率计算方法[J]. 毛峡,胡海勇,黄康,梁晓庚. 北京航空航天大学学报. 2009(10)
[7]大气透明率对地面目标红外特性的影响研究[J]. 吕相银,邹继伟,凌永顺. 红外与激光工程. 2007(05)
[8]经过大气传输的红外热像仿真[J]. 邢强,任海刚,陈汉平,徐杲,刘玉峰. 红外与激光工程. 2007(01)
[9]运用层次纹理映射的基于图像绘制算法[J]. 郑新,王文成,吴恩华. 软件学报. 2001(11)
[10]红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究[J]. 吴晗平. 光学精密工程. 1998(04)
博士论文
[1]临边大气背景光谱辐射特性研究[D]. 郭晶.电子科技大学 2015
[2]基于GPU的光电目标检测方法研究[D]. 吴鑫.西安电子科技大学 2015
[3]高真实感红外场景实时仿真技术研究[D]. 黄曦.西安电子科技大学 2014
硕士论文
[1]基于GPU的大气辐射传输特性快速计算技术研究[D]. 谢秉磊.大连海事大学 2016
[2]典型天气大气辐射传输特性模型设计与实现[D]. 张敏.大连海事大学 2015
[3]基于CPU+GPU的图像处理异构并行计算研究[D]. 吕向阳.南昌大学 2014
[4]临边大气辐射特性研究[D]. 辛琪.哈尔滨工业大学 2014
[5]基于GPU的直接体绘制关键技术研究[D]. 刘光国.国防科学技术大学 2007
[6]一种实时红外场景仿真方法研究[D]. 解卫博.西安电子科技大学 2006
本文编号：3595016
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
六种大气模式的温度廓线
mk)图2.2 气溶胶浓度随高度分布在 0~10km 的对流层，气溶胶的浓度随高度大概呈负指数衰减。平流层内的气溶胶浓度又呈上升趋势，在 20km 左右达到最高，这一层被称为荣格层。2.2 大气中的辐射过程电磁辐射在大气中传播时，部分电磁波波会被大气分子以及气溶胶散射到周围环境中，从而使原先传播方向的电磁辐射能量减少。Rayleigh 散射在散射质点为分子级的情况下发生，而米散射是较大颗粒的散射过程。散射可通过尺度数 α = 2π r/λ进行表征。当 α << 1时为瑞利散射；0.1 < α< 50时为米氏散射； α > 50时的散射为几何光学散射。大气在散射太阳光的同时，自身也存在热辐射。地面会将照射到其表面的辐射能量反射到大气中。所以
层大气的热辐射亮度。(4)积分计算出整条路径上的大气热辐射亮度。图2.4 路径辐射分段示意图整条路径上的大气辐射亮度可以表示为：N01( , , ) ( , , ') ( , ) /path iiL λ r r τ λ r r ΔM λ Tπ== ∑ (2-30)(2-30)式中， τ ( λ, r , r') 是r 到 r' 的谱线透过率， ( , )iΔF λ T是大气热辐射辐出度。在计算大气自辐射时，认为大气处于局部热稳定状态且各个方向上的大气热辐射是均匀的。结和基尔霍夫定律，上式可以写为：N0 B1( , , ) ( , , ') ( ) ( , ) /path i iiL λ r r τ λ r r ε λ M λ Tπ== ∑ (2-31)(2-31)式中，iε ( λ )是每一层的大气的发射率。根据局部热力学平衡假设和基尔霍夫定理，最终的大气路径辐射方程可表示为：iN20 5/( )12 1( , , ) ( , , ') (1 ) (1 ( ))e 1Bpath i hc K TihcL r r r rλλ τ λ τ λλ== ∑ (2-32)(2-32)式中，0( , , )pathL λr r 是大气路径辐射亮度
【参考文献】：
期刊论文
[1]图形处理中GPU固定渲染管线的研究[J]. 孟晓宁,王宝华. 集成电路应用. 2018(02)
[2]面向复杂三维场景的高质量纹理映射[J]. 姜翰青,王博胜,章国锋,鲍虎军. 计算机学报. 2015(12)
[3]不同大气条件下红外成像效果模拟[J]. 高春雷,易维宁,崔文煜,刘晓,王先华,张冬英,叶函函,方勇华. 红外与激光工程. 2012(03)
[4]基于SE-Workbench-IR的红外视景仿真研究[J]. 张云,马崇宵,薛艳茹,于晶晶. 弹箭与制导学报. 2010(04)
[5]基于GPU的行星大气散射效果实时渲染技术研究[J]. 刘维敏,李建胜,卢战伟. 系统仿真学报. 2009(S1)
[6]飞机红外辐射及大气透过率计算方法[J]. 毛峡,胡海勇,黄康,梁晓庚. 北京航空航天大学学报. 2009(10)
[7]大气透明率对地面目标红外特性的影响研究[J]. 吕相银,邹继伟,凌永顺. 红外与激光工程. 2007(05)
[8]经过大气传输的红外热像仿真[J]. 邢强,任海刚,陈汉平,徐杲,刘玉峰. 红外与激光工程. 2007(01)
[9]运用层次纹理映射的基于图像绘制算法[J]. 郑新,王文成,吴恩华. 软件学报. 2001(11)
[10]红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究[J]. 吴晗平. 光学精密工程. 1998(04)
博士论文
[1]临边大气背景光谱辐射特性研究[D]. 郭晶.电子科技大学 2015
[2]基于GPU的光电目标检测方法研究[D]. 吴鑫.西安电子科技大学 2015
[3]高真实感红外场景实时仿真技术研究[D]. 黄曦.西安电子科技大学 2014
硕士论文
[1]基于GPU的大气辐射传输特性快速计算技术研究[D]. 谢秉磊.大连海事大学 2016
[2]典型天气大气辐射传输特性模型设计与实现[D]. 张敏.大连海事大学 2015
[3]基于CPU+GPU的图像处理异构并行计算研究[D]. 吕向阳.南昌大学 2014
[4]临边大气辐射特性研究[D]. 辛琪.哈尔滨工业大学 2014
[5]基于GPU的直接体绘制关键技术研究[D]. 刘光国.国防科学技术大学 2007
[6]一种实时红外场景仿真方法研究[D]. 解卫博.西安电子科技大学 2006
本文编号：3595016
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