光輻射的大氣傳輸特性

來自目標的光輻射在到達探測器之前都會透過大氣傳輸，受到大氣的影響。大氣的影響主要表現在兩方面：能量的衰減和光學調製。能量衰減指的是光的能量變少了，主要原因是大氣中物質對光的吸收和散射。光學調製指的是由於大氣物理性質的變化（如溫度、壓強、氣體密度漲落）引起的電磁波的傳輸方向、偏振方向、相位變化。例如我們在夏天看到的汽車引擎蓋上方的影像發生扭曲就是因為溫度變化導致大氣折射率發生變化，進而導致光的傳播方向發生變化。本文主要討論能量衰減機制。

能量衰減

能量衰減可以用透過率表示，T=exp［- β（λ）x］，β是衰減係數。β（λ）=α（λ）+γ（λ），α（λ）是吸收係數，γ（λ）是散射係數。

大氣中的物質特性

我們關心同溫層以下的低層大氣和大氣成分對於紅外輻射的吸收和散射特性。

N2、O2、稀有氣體：對紅外傳輸影響不大

H2O和CO2：選擇性吸收紅外。CO2含量分佈基本均勻，H2O含量變化較大，粗略來說，隨著海拔高度增加而下降

氣溶膠（大氣中的小懸浮顆粒）：氣溶膠半徑在1nm-1mm之間，包括霧、霾、雲、小雨滴、冰晶。

PM2。5：PM2。5是直徑小於等於2。5um的顆粒物，人體的鼻腔和咽喉擋不住他們，因此PM2。5會透過呼吸系統進入人體，對心血管有傷害，因此被特別關注。而PM10，體積是PM2。5的64倍，可以被咽喉粘液粘住，因此影響不大。

霧是空氣中細小的水珠，是液體。半徑在5-15um。

霾是是由空氣中的微小塵粒、硫酸、硝酸、可吸入顆粒物等粒子組成的，是固體。霾的直徑在0。03-0。2um。

大氣吸收特性

大氣光譜透射曲線

在1。06um處的大氣透過率並不高，大約有60%左右。主要吸收介質是水蒸氣。8-12um是一個大氣視窗，因此熱像的波長透過率是很高的。

大氣中主要吸收是由於水蒸氣和CO2引起的，在高空，水蒸氣變得稀薄，CO2的吸收佔主導。

大氣的散射特性

引起大氣散射的粒子主要是霧和其他懸浮顆粒。按照波長和散射元尺寸大小的關係，散射可以分為三種類型。

瑞利散射

當波長遠大於散射元半徑。散射係數正比于波長的負四次方。直接把瑞利散射記成分子散射，記人名往往會忘記物理含義。藍光頻率是紅光的1。5倍，因此散射能力是紅光的16倍，這就是為什麼天空是藍色的原因。（天空是藍色的是因為大氣中分子的散射引起的，與雲層無關。）傍晚時分，太陽穿過大氣層的厚度要遠遠大於中午時分，因此，藍色光都被散掉了，只剩下紅色光。因此傍晚的太陽看起來是紅色的。

米氏散射

當波長和散射元尺寸相近時，成為米氏散射（可以記為波長散射），此時散射係數與波長關係微弱，當波長遠小於散射元尺寸時，散射係數與波長無關，稱為無選擇性散射（記為牆壁散射）。霧的粒子半徑是5-15um，對可見光來說，這個尺寸相當大，因此是無選擇散射，所以霧看起來是白色的。霾的尺寸通常小於0。5um，因此紅外光透過霾的能力要比可見光強。可以看到霾的上空呈淡藍色。（米氏散射，藍色比例沒有分子散射那麼高，所以是淡藍色。）

Takeaway

關於吸收，記住：

大氣視窗是8-12um，熱像波長剛好在視窗內。主要吸收介質是水蒸氣和CO2。

關於散射，記住兩個大原則：

1。波長相對於散射元越大，穿越障礙物的能力越強，散射係數越小。

這一點可以從衍射的角度理解（想想微波的繞射能力比可見光強很多。）

所以紅光比藍光不容易散射，造成天空是藍色的；

紅外光比可見光更不容易散射；

長波紅外的穿霧能力比近紅外和課件光強很多。

2。 散射元相對於波長越大，散射和波長的關係越微弱。

散射元遠小於波長，指數係數等於4；散射元等於波長，指數係數接近0，散射元大於波長，大家都一樣，反正看起來都像牆一樣擋著。

所以霧看起來是白色的，因為霧的尺寸比可見光都大很多。

霾看起來是淡藍色的，因為霾的尺寸比可見光波長大不了多少。

參考資料

劉松濤，王龍濤，陳奇，光電技術及應用［M］，2020。