大氣輻射傳輸快速計算及仿真技術研究
發(fā)布時間：2022-01-17 15:56
大氣輻射傳輸建立在電磁傳播理論、熱力學以及分子光譜學理論之上,主要研究大氣中輻射能量的傳輸和轉換過程,而大氣效應仿真就是對大氣輻射傳輸數(shù)值計算結果的可視化顯示。大氣效應仿真在工程應用方面有著重要意義。從數(shù)字地球到小規(guī)模場景仿真,大氣輻射傳輸效應對場景的逼真度有至關重要的影響。縱觀目前主流大氣輻射傳輸模型,大部分都具備光譜分辨率高、計算結果可信度高等優(yōu)點,但在計算速度方面比較緩慢。對于部分對光譜分辨率要求較低的大氣輻射傳輸計算,使用較為簡潔快速的計算模型可以有效提高計算效率。本文以大氣輻射傳輸快速計算和實時仿真為研究目標,主要做了以下工作:（1）從Rayleigh散射、Mie散射以及氣體吸收理論出發(fā),考慮了大氣壓強和大氣溫度對氣體吸收系數(shù)的影響,使用經驗公式對吸收系數(shù)進行修正,并結合朗伯-比爾定律計算大氣透過率。根據(jù)基爾霍夫定律建立了局部熱力學平衡狀態(tài)下大氣自輻射快速計算方法�？紤]大氣對太陽光的散射作用,使用了一種簡化大氣散射計算模型,通過逐次散射疊加的方法計算大氣散射亮度。（2）考慮大氣的球面分布特點,研究了球面大氣的分層方法和幾何參數(shù)計算方法,結合GPU實現(xiàn)大氣輻射傳輸高速計算。為滿...
【文章來源】：西安電子科技大學陜西省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學位級別】：碩士
【圖文】：
六種大氣模式的溫度廓線
mk)圖2.2 氣溶膠濃度隨高度分布在 0~10km 的對流層，氣溶膠的濃度隨高度大概呈負指數(shù)衰減。平流層內的氣溶膠濃度又呈上升趨勢，在 20km 左右達到最高，這一層被稱為榮格層。2.2 大氣中的輻射過程電磁輻射在大氣中傳播時，部分電磁波波會被大氣分子以及氣溶膠散射到周圍環(huán)境中，從而使原先傳播方向的電磁輻射能量減少。Rayleigh 散射在散射質點為分子級的情況下發(fā)生，而米散射是較大顆粒的散射過程。散射可通過尺度數(shù) α = 2π r/λ進行表征。當 α << 1時為瑞利散射；0.1 < α< 50時為米氏散射； α > 50時的散射為幾何光學散射。大氣在散射太陽光的同時，自身也存在熱輻射。地面會將照射到其表面的輻射能量反射到大氣中。所以
層大氣的熱輻射亮度。(4)積分計算出整條路徑上的大氣熱輻射亮度。圖2.4 路徑輻射分段示意圖整條路徑上的大氣輻射亮度可以表示為：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' 的譜線透過率， ( , )iΔF λ T是大氣熱輻射輻出度。在計算大氣自輻射時，認為大氣處于局部熱穩(wěn)定狀態(tài)且各個方向上的大氣熱輻射是均勻的。結和基爾霍夫定律，上式可以寫為：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 )是每一層的大氣的發(fā)射率。根據(jù)局部熱力學平衡假設和基爾霍夫定理，最終的大氣路徑輻射方程可表示為：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 是大氣路徑輻射亮度
【參考文獻】：
期刊論文
[1]圖形處理中GPU固定渲染管線的研究[J]. 孟曉寧,王寶華. 集成電路應用. 2018(02)
[2]面向復雜三維場景的高質量紋理映射[J]. 姜翰青,王博勝,章國鋒,鮑虎軍. 計算機學報. 2015(12)
[3]不同大氣條件下紅外成像效果模擬[J]. 高春雷,易維寧,崔文煜,劉曉,王先華,張冬英,葉函函,方勇華. 紅外與激光工程. 2012(03)
[4]基于SE-Workbench-IR的紅外視景仿真研究[J]. 張云,馬崇宵,薛艷茹,于晶晶. 彈箭與制導學報. 2010(04)
[5]基于GPU的行星大氣散射效果實時渲染技術研究[J]. 劉維敏,李建勝,盧戰(zhàn)偉. 系統(tǒng)仿真學報. 2009(S1)
[6]飛機紅外輻射及大氣透過率計算方法[J]. 毛峽,胡海勇,黃康,梁曉庚. 北京航空航天大學學報. 2009(10)
[7]大氣透明率對地面目標紅外特性的影響研究[J]. 呂相銀,鄒繼偉,凌永順. 紅外與激光工程. 2007(05)
[8]經過大氣傳輸?shù)募t外熱像仿真[J]. 邢強,任海剛,陳漢平,徐杲,劉玉峰. 紅外與激光工程. 2007(01)
[9]運用層次紋理映射的基于圖像繪制算法[J]. 鄭新,王文成,吳恩華. 軟件學報. 2001(11)
[10]紅外輻射大氣透過率的工程理論計算方法研究[J]. 吳晗平. 光學精密工程. 1998(04)
博士論文
[1]臨邊大氣背景光譜輻射特性研究[D]. 郭晶.電子科技大學 2015
[2]基于GPU的光電目標檢測方法研究[D]. 吳鑫.西安電子科技大學 2015
[3]高真實感紅外場景實時仿真技術研究[D]. 黃曦.西安電子科技大學 2014
碩士論文
[1]基于GPU的大氣輻射傳輸特性快速計算技術研究[D]. 謝秉磊.大連海事大學 2016
[2]典型天氣大氣輻射傳輸特性模型設計與實現(xiàn)[D]. 張敏.大連海事大學 2015
[3]基于CPU+GPU的圖像處理異構并行計算研究[D]. 呂向陽.南昌大學 2014
[4]臨邊大氣輻射特性研究[D]. 辛琪.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[5]基于GPU的直接體繪制關鍵技術研究[D]. 劉光國.國防科學技術大學 2007
[6]一種實時紅外場景仿真方法研究[D]. 解衛(wèi)博.西安電子科技大學 2006
本文編號：3595016
【文章來源】：西安電子科技大學陜西省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：84 頁
【學位級別】：碩士
【圖文】：
六種大氣模式的溫度廓線
mk)圖2.2 氣溶膠濃度隨高度分布在 0~10km 的對流層，氣溶膠的濃度隨高度大概呈負指數(shù)衰減。平流層內的氣溶膠濃度又呈上升趨勢，在 20km 左右達到最高，這一層被稱為榮格層。2.2 大氣中的輻射過程電磁輻射在大氣中傳播時，部分電磁波波會被大氣分子以及氣溶膠散射到周圍環(huán)境中，從而使原先傳播方向的電磁輻射能量減少。Rayleigh 散射在散射質點為分子級的情況下發(fā)生，而米散射是較大顆粒的散射過程。散射可通過尺度數(shù) α = 2π r/λ進行表征。當 α << 1時為瑞利散射；0.1 < α< 50時為米氏散射； α > 50時的散射為幾何光學散射。大氣在散射太陽光的同時，自身也存在熱輻射。地面會將照射到其表面的輻射能量反射到大氣中。所以
層大氣的熱輻射亮度。(4)積分計算出整條路徑上的大氣熱輻射亮度。圖2.4 路徑輻射分段示意圖整條路徑上的大氣輻射亮度可以表示為：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' 的譜線透過率， ( , )iΔF λ T是大氣熱輻射輻出度。在計算大氣自輻射時，認為大氣處于局部熱穩(wěn)定狀態(tài)且各個方向上的大氣熱輻射是均勻的。結和基爾霍夫定律，上式可以寫為：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 )是每一層的大氣的發(fā)射率。根據(jù)局部熱力學平衡假設和基爾霍夫定理，最終的大氣路徑輻射方程可表示為：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 是大氣路徑輻射亮度
【參考文獻】：
期刊論文
[1]圖形處理中GPU固定渲染管線的研究[J]. 孟曉寧,王寶華. 集成電路應用. 2018(02)
[2]面向復雜三維場景的高質量紋理映射[J]. 姜翰青,王博勝,章國鋒,鮑虎軍. 計算機學報. 2015(12)
[3]不同大氣條件下紅外成像效果模擬[J]. 高春雷,易維寧,崔文煜,劉曉,王先華,張冬英,葉函函,方勇華. 紅外與激光工程. 2012(03)
[4]基于SE-Workbench-IR的紅外視景仿真研究[J]. 張云,馬崇宵,薛艷茹,于晶晶. 彈箭與制導學報. 2010(04)
[5]基于GPU的行星大氣散射效果實時渲染技術研究[J]. 劉維敏,李建勝,盧戰(zhàn)偉. 系統(tǒng)仿真學報. 2009(S1)
[6]飛機紅外輻射及大氣透過率計算方法[J]. 毛峽,胡海勇,黃康,梁曉庚. 北京航空航天大學學報. 2009(10)
[7]大氣透明率對地面目標紅外特性的影響研究[J]. 呂相銀,鄒繼偉,凌永順. 紅外與激光工程. 2007(05)
[8]經過大氣傳輸?shù)募t外熱像仿真[J]. 邢強,任海剛,陳漢平,徐杲,劉玉峰. 紅外與激光工程. 2007(01)
[9]運用層次紋理映射的基于圖像繪制算法[J]. 鄭新,王文成,吳恩華. 軟件學報. 2001(11)
[10]紅外輻射大氣透過率的工程理論計算方法研究[J]. 吳晗平. 光學精密工程. 1998(04)
博士論文
[1]臨邊大氣背景光譜輻射特性研究[D]. 郭晶.電子科技大學 2015
[2]基于GPU的光電目標檢測方法研究[D]. 吳鑫.西安電子科技大學 2015
[3]高真實感紅外場景實時仿真技術研究[D]. 黃曦.西安電子科技大學 2014
碩士論文
[1]基于GPU的大氣輻射傳輸特性快速計算技術研究[D]. 謝秉磊.大連海事大學 2016
[2]典型天氣大氣輻射傳輸特性模型設計與實現(xiàn)[D]. 張敏.大連海事大學 2015
[3]基于CPU+GPU的圖像處理異構并行計算研究[D]. 呂向陽.南昌大學 2014
[4]臨邊大氣輻射特性研究[D]. 辛琪.哈爾濱工業(yè)大學 2014
[5]基于GPU的直接體繪制關鍵技術研究[D]. 劉光國.國防科學技術大學 2007
[6]一種實時紅外場景仿真方法研究[D]. 解衛(wèi)博.西安電子科技大學 2006
本文編號：3595016
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