一种基于MODTRAN和SHARC联合仿真的中高层大气背景红外成像方法

本发明涉及红外辐射领域，主要涉及一种基于中光谱分辨率大气辐射传输模式(modtran)和战略高空辐亮度代码(sharc)联合仿真的中高层大气背景红外成像方法。

背景技术：

1、中高层大气环境在基础科学、气候环境等领域显现出来越来越重要的价值，其中红外波段具有独特而重要的作用，例如弹道红外预警、卫星遥感探测、目标探测识别等。在国内相关的测量实验和模拟仿真研究较少，因此中高层大气背景红外辐射计算和其红外成像的研究具有重要意义。

2、现有技术采用modtran对大气临边背景进行红外辐射计算，当切点高度到达一定高度后该区域内的气体热力学状态逐渐由局域热平衡状态向非局域热平衡状态转变，此时modtran采用局域热力学平衡模式(local thermodynamics equilibrium，let)算法模式不能准确非模拟局域热力学平衡模式(non-local thermodynamics equilibrium，non-let)模式。因此采用modtran进行大气临边红外辐射计算有一定的局限性，需要采用sharc对中高层大气背景红外辐射计算进行修正。sharc是专门用于中高层大气红外辐亮度计算的程序，可在1-40μm范围内，采用快速算法模拟计算30-300km范围内任意视线路径上的大气红外辐亮度和光谱透过率。虽然sharc能对中高层大气背景红外辐射计算进行修正，但是当计算高度低于30km时，仍然难以较为精准的计算。因此目前modtran和sharc都具有计算的局限性，如何实现高精度的中高层大气背景红外辐射计算具有重要的现实意义。

3、本发明在modtran和sharc计算的基础上，使用modtarn联合sharc计算，并建立包含波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角的辐射特性数据库，实现了任意高度情况的中高层大气背景红外辐射计算和红外成像仿真，为中高层大气背景红外探测提供理论支持。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明提供一种基于modtran和sharc联合仿真的中高层大气背景红外成像方法，解决了modtran采用let算法模式不能准确模拟non-let模式的局限性，为中高层大气背景红外探测提供理论支持。

2、技术方案：

3、为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于modtran和sharc联合仿真的中高层大气背景红外成像方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据探测器相对大气层位置建立探测视线模型。

5、步骤2：采用modtran和sharc联合计算得到中高层大气背景红外辐射数据。

6、步骤3：基于步骤2得到的中高层大气背景红外辐射数据，构建包含波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角的辐射特性数据库。

7、步骤4：根据输入参数检索基于步骤3得到的辐射特性数据库，并且建立红外成像模型和灰度图算法实现典型场景下中高层大气背景红外图像生成。

8、进一步的，根据探测器相对大气层位置建立探测视线模型具体为：由探测器和大气层的相对位置关系，建立了两种探测视线模型，探测器在大气上方且探测视线贯穿整个大气的探测视线模型为limb view，探测器位于中高层大气内部的视线模型为zenithview。

9、进一步的，探测视线limb view切点高度d和路径长度l为：

10、d＝(r+h)sin(π-θ)-r

11、

12、其中，d为切点高度，l为路径长度，r为地球半径，h为探测器高度，θ为探测器观测天顶角。

13、进一步的，若探测器观测天顶角为钝角，探测视线limb view切点高度d和路径长度l为：

14、d＝(r+h)sin(π-θ)-r

15、

16、其中，d为切点高度，l为路径长度，r为地球半径，h为探测器高度，hup为大气顶层高度，θ为探测器观测天顶角。

17、进一步的，若探测器观测天顶角为锐角，探测视线zenith view切点高度d和路径长度l为：

18、d＝(r+h)sin(θ)-r

19、

20、其中，d为切点高度，l为路径长度，r为地球半径，h为探测器高度，hup为大气顶层高度，θ为探测器观测天顶角。

21、进一步的，步骤2中取高度在30-300km之间的预设高度值，当探测器高度低于30km采用modtran计算大气红外辐射，当高度处于30-300km之间时采用sharc计算计算大气红外辐射；当探测器高度低于30km同时探测视线中包含预设高度值以上的大气时，采用modtran和sharc联合计算。

22、进一步的，采用modtran和sharc联合计算具体为：探测器高度处于30km以下时，探测视线中包含50km以上的大气时，需要采用modtran和sharc联合计算。首先根据波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角，修改sharc输入文件，实现多个切点高度和多个观测天顶角的批量计算。然后通过计算得到的中高层大气背景红外辐射光谱辐亮度，结合普朗克定律得到中高层大气背景的光谱发射率αλ和等效温度t。得到中高层大气大气背景的反射率ρλ，通过修改modtran反射率文件，最后结合波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角等输入参数调用modtran计算，实联合计算，得到红外辐射光谱数据。

23、进一步的，实现若干切点高度和若干观测天顶角的批量计算方法具体为：根据观测参数的波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角，修改sharc输入文件“c0 standard input file sharc.inp”，修改输入文件参数如下：c1＝0，c28修改los数值和c29的数据数量对应，c29给出观测高度、观测经度、观测纬度、太阳天顶角和太阳方位角，c30给出观测视线终点的高度、观测经度、观测纬度、太阳天顶角和太阳方位角，c31给出切点高度，c33给出观测天顶角，c34给出观测路径的short-long path参数，short path对应参数为0，long path对应参数为1，c35给出太阳的经度和纬度，c*2给出太阳天顶角，c*3给出导入的大气模式文件，c38给出计算波数的最小值、最大值和波数步长。

24、进一步的，普朗克定律求解的光谱发射率αλ、光谱反射率ρλ和等效温度t为：

25、

26、

27、ρλ＝1-αλ

28、其中，ebλ为黑体的光谱辐射力，单位w/m2·μm；c1为普朗克第一常数，c1＝3.743×108w·μm4/m2；c2为普朗克第二常数，c2＝1.4387×104μm·k；λ为波段，单位μm；t为热力学温度，单位k；eup,λ为高层大气计算得到的光谱辐射力，w/m2·μm。

29、进一步的，构建包含波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角的辐射特性数据库具体为：基于步骤2得到的红外辐射光谱依据波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角分类建立辐射特性数据库，数据库各字段名称和数据类型分别为：波段integer、大气模式integer、切点高度integer、观测高度integer、观测天顶角integer、太阳天顶角integer、等效温度integer、反射率integer和辐射数据real。

30、进一步的，建立红外成像模型和灰度图算法实现典型场景下中高层大气背景红外图像生成具体为：建立红外成像模型和探测视线线性方程，依据观测参数中的波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角检索辐射特性数据库，结合灰度图计算方程，实现典型场景下中高层大气背景红外图像生成。

31、进一步的，基于红外成像模型建立探测视线线性方程为：

32、

33、

34、

35、c＝-1，

36、其中，n为成像平面分辨率，成像平面可分为n×n个区域，i与j为每个区域的坐标，α为视场角，每条探测视线对应一个天顶角，检索数据库中满足条件的探测视线，若干符合条件的探测视线构成视场角α。

37、进一步的，灰度图计算方程为：

38、

39、其中，e为灰度图数值；d为辐射数据，下标i与j表示成像平面每个区域的坐标，dmin和dmax表示辐射数据中的最小值和最大值。

40、有益效果：

41、1、传统采用modtran进行中高层大气背景红外辐射计算，当计算高度达到一定高度以上时，modtran算法模式计算有一定的局限性；传统采用sharc进行中高层大气背景红外辐射计算，其计算高度范围为30-300km，当计算高度小于30km时，sharc无法精确计算。本发明采用modtran和sharc联合仿真解决了上述问题，计算结果更加精确合理。

42、2、本发明建立了中高层大气背景红外辐射特性数据库，能够进行任意波段、纬度、季节、切点高度、观测高度、天顶角和太阳天顶角参数下的中高层大气背景红外辐射计算和红外成像仿真，适应中高层大气的时空变换特性，为中高层大气背景红外探测提供理论支持。