大气辐射传输快速计算及仿真技术研究

论文摘要

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。为满足大气辐射传输实时仿真的要求,本文研究了一种大气透过率、路径辐射和散射查找表的映射方法,这种映射方式可以适用于球面大气的大气效应仿真。为了降低大气纹理采样时因线性插值导致的精度损失,本文使用了一种非线性的纹理映射方法。（3）将本模型与MODTRAN的计算结果进行对比,分析了简化算法的可行性。然后研究了等效纹理的计算方法以及不同观察方式下的大气几何参数计算方法,结合纹理映射函数实现大气效应的实时仿真。

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摘要

ABSTRACT

符号对照表

缩略语对照表

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 大气辐射传输计算研究现状

1.2.2 大气实时仿真研究进展

1.3 研究内容与结构

第二章大气辐射传输理论模型

2.1 地球大气的结构和成分

2.1.1 大气结构

2.1.2 大气成分

2.2 大气中的辐射过程

2.2.1 热辐射

2.2.2 气体吸收

2.2.3 Rayleigh散射理论

2.2.4 气溶胶散射和吸收

2.2.5 地表反射

2.3 大气辐射传输快速计算模型

2.3.1 大气辐射传输参数

2.3.2 大气透过率快速计算模型

2.3.3 大气路径辐射快速计算模型

2.3.4 大气散射快速计算模型

2.4 本章小结

第三章基于GPU的大气计算方法

3.1 大气几何模型

3.1.1 分层球面大气模型

3.1.2 几何参数计算方法

3.2 基于GPU的并行计算技术

3.2.1 硬件结构

3.2.2 渲染管线

3.2.3 纹理内存

3.2.4 基于纹理和着色器的计算方法

3.3 大气查找表预计算方法

3.3.1 透过率纹理预计算

3.3.2 路径辐射纹理预计算

3.3.3 大气散射纹理预计算

3.4 本章小结

第四章大气辐射传输计算结果分析

4.1 吸收截面数据库计算

4.2 大气透过率计算结果分析

4.2.1 斜层路径透过率

4.2.2 临边透过率

4.3 大气辐射传输亮度计算结果分析

4.3.1 路径辐射亮度计算结果分析

4.3.2 大气散射亮度计算结果分析

4.4 计算效率分析

4.5 本章小结

第五章大气效应仿真

5.1 有效均值纹理预计算

5.2 观测模型及参数计算

5.2.1 观测模型介绍

5.2.2 几何参数计算方法

5.2.3 临边观测参数计算

5.3 均匀大气效应仿真

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁国鹏

导师: 何国经,张翔

关键词: 大气辐射传输,并行计算,纹理映射,预计算查找表,实时仿真

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 西安电子科技大学

分类号: P407

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001980

总页数: 84

文件大小: 2765K

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