[0001] 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。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0054] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0055] 步骤1：根据探测器相对大气层位置建立探测视线模型。由探测器和大气层的相对位置关系，建立两种探测视线模型如图2和图3(a)、图3(b)所示，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Zenith view。在图2和3中，大气底层和顶层高度分别为30km和300km，地球平均半径R，观测点H1，观测高度H，观测视线路径H1H2，S为太阳位置；由地心O出发与H1H2的垂线交H1H2于H0，H0与地表的距离为切点高度D；地心O和H1的连线延长线与H1H2的夹角称为观测天顶角，与SH1连线的夹角称为太阳天顶角。图3(a)为切点高度大于0时探测视线示意图，图3(b)为切点高度小于0时探测视线示意图，图中字母标注含义与图2所述相同。

[0056] 探测视线Limb view，如图2所示，切点高度D和路径长度L方程为：

[0057] D＝(R+H)sin(π‑θ)‑R

[0058]

[0059] 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。

[0060] 若探测器观测天顶角为钝角，如图3(a)所示，探测视线Zenith view切点高度D和路径长度L方程为：

[0061] D＝(R+H)sin(π‑θ)‑R

[0062]

[0063] 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。

[0064] 若探测器观测天顶角为锐角，如图3(b)所示，探测视线Zenith view切点高度D和路径长度L方程为：

[0065] D＝(R+H)sin(θ)‑R

[0066]

[0067] 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。

[0068] 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。高度处于0‑30km的大气红外辐射采用MODTRAN计算，高度处于30‑300km的中高层大气背景红外辐射采用SHARC计算，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”，输入文件中参数修改如下：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；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、反射率ρλ和等效温度T。

[0069] 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：

[0070]

[0071]

[0072] ρλ＝1‑αλ

[0073] 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＝3.743×8 4 2 4
10W·μm/m ；C2为普朗克第二常数，C2＝1.4387×10μm·K；λ为波段，单位μm；T为热力学温
2
度，单位K；Eup,λ为高层大气计算得到的光谱辐射力，W/m·μm。

[0074] 将通过SHARC计算得到的光谱反射率ρλ和等效温度T作为输入参数，修改MODTRAN反射率文件和输入文件。最后根据观测参数，修改MODTRRAN输入文件中对应波段、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进行批量计算，得到红外辐射光谱数据。至此实现联合计算

[0075] 步骤3：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MySQL辐射特性数据库(将光谱及其对应数据按照不同的参数分类建立对应关系)，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。

[0076] 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，以检索得到成像所需的辐射数据；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。

[0077] 建立红外成像模型如图4所示，图中O为地心，D为切点高度，H为探测器高度，S为太阳位置，图中包含视场角度、观测天顶角、太阳天顶角和成像平面。由红外成像模型可建立探测视线线性方程为：

[0078]

[0079]

[0080]

[0081] c＝‑1，

[0082] 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。红外成像模型用于求解每一条探测视线的坐标信息，其中(x，y，z)的坐标原点为探测器成像平面的视点，求解出的(a，b，c)为探测视线的(x，y，z)三维空间坐标。视场是一个大的范围，通过视场角α表征视场范围的大小，而大的视场由若干探测视线构成。

[0083] 检索数据库的逻辑大概为：每条探测视线对应一个天顶角(其它条件一致)，检索满足条件的探测视线，最终若干探测视线构成视场角α，可以得到视场角α中的所有辐射数据，最终进行成像。

[0084] 依据观测条件即观测参数波段、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中高层大气背景红外图像生成，灰度图计算方程为：

[0085]

[0086] 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。由一种观测条件计算得到此观测条件下的对应“辐射数据”，在不同观测条件下存在多个“辐射数据”，求出“辐射数据”中的最大值和最小值代入灰度图计算方程以求得灰度图数值。

[0087] 结合红外成像模型、探测视线方程和灰度图计算方程可以实现中高层大气背景红外图像生成，生成的结果图像如图5所示，其中中纬度夏季波段3‑5μm白天切点高度52‑112km的红外辐射场景仿真结果图(Limb view)如图5(a)所示；中纬度夏季观测天顶角77‑
89°红外辐射场景仿真结果图(Zenith view)如图5(b)所示。

[0088] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。