传统一元定标法测量红外天空亮度, 面临诸多困难, 如测量易受环境温度变化影响、仪器动态范围不足等。提出增加积分时间为自变量的二元定标模型, 解决了仪器动态范围不足的问题; 然后通过改变环境温度的系列实验, 掌握了二元定标模型中仪器辐射随环境温度变化的规律; 基于此, 提出再增加环境温度为自变量的三元定标模型。实验数据表明, 三元模型与实测数据拟合程度很高, 相关系数为1.000, 模型参数a、b、d, 95%置信度的相对不确定度均小于0.82%, 当环境保持某一温度不变时, 三元模型退化为二元模型, 各模型参数稳定, 其相对偏差小于0.6%。最后, 通过红外天空亮度实测, 验证并比较了三元和二元定标模型; 结果表明, 三元模型定标测量法使用条件宽泛, 既扩大了仪器动态范围, 又不受环境温度变化影响; 更重要的是, 不再需要现场定标, 提高了测量精度和测试效率。

掌握任意时间天空亮度的分布情况是充分利用自然光、实现智能照明的基础。以国际照明委员会(CIE)15种天空类型及其给出的天空亮度计算公式为基础，对天空亮度计算公式中各个参数的计算方法进行了研究。使用这一计算方法，只需知道当地的经纬度、日期以及当前天空属于哪种天空类型，就可计算出其任意时间的天空亮度分布。从已有的可靠的天空亮度分布实测数据出发，将天空亮度分布的计算值与实测值进行比较，分析了计算值与实测值之间的误差。结果表明，通过计算得出的天空亮度分布数据能较好地与实测数据相吻合，因此可以用天空亮度分布的计算值代替实测值作为节能调光的重要数据。

为快速获取天空背景辐亮度，提出了一种基于DTL-1型天空辐亮度仪的宽谱段测量方案。分析了天空可见到近红外波段（400~1000 nm）积分辐亮度的测量原理，确定了宽光谱测量的响应系数和光视效率，并对测量结果进行了误差分析。利用光谱仪对仪器进行了线性度检验与测量数据对比，结果表明两者相对误差在10%之内，验证了仪器测量的可靠性，数据精度可以满足工程应用的要求。利用DTL-1型天空亮度仪分别在我国西南地区和合肥地区开展了全天空辐亮度的扫描测量，并对两地的实测数据进行了简要分析。

研制了一台用于实时测量天空背景辐亮度的大气辐射测量设备(DTL-1), 该设备具有全天空扫描与给定方向测量两种测量模式, 可完成400~1 000 nm波段积分辐亮度的测量。基于DTL-1系统组成结构原理图,详细说明了各功能部件的研制方案, 给出了仪器的各项主要技术指标。对仪器进行了光谱辐亮度定标与恒定亮度下测量稳定性的测试实验; 选取不同地区的天空辐亮度实测数据与MODTRAN5理论计算值进行了对比分析。结果表明: DTL-1稳定性测试的平均辐亮度示值为36.496 W/m2·sr, 均方根误差为0.463 W/m2·sr, 与MODTRAN软件模拟结果比较其相对误差在20%以内, 能够满足科研与实际应用对天空背景辐亮度测量可靠性和精度的要求。

天空亮度分布在大气光学领域有着重要的应用。随着天空亮度测量仪器的迅速发展, 对测量的精度和工作稳定性的要求也越来越高。为了提高测量仪器的动态测量范围, 需要实现对探测器输出的弱信号的高精度测量。讨论了用高精度运算放大器对弱信号进行放大滤波处理, 并采用一种低噪声高精度Δ-Σ型模数转换器(ADC)来解决探测器中弱信号高精度测量的设计难题, 为天空背景亮度测量仪器的研制, 特别是为在设计中常面临的弱信号的高精度检测提供了一种解决问题的有效途径。

在大气光学领域中,天空亮度分布有着重要的应用。简要介绍了天空亮度的测量原理,在分析同类测量仪器的基础上,提出了一种用于白天的,可见及近红外波段天空亮度测量仪器的设计,介绍了系统的组成和探测器的选择。经过定标,仪器能够得到天空亮度的绝对值,其结果反映了真实天空亮度分布的变化。该仪器弥补了传统的天空亮度测量仪器在测量波段、实时性、便携性等方面的不足,更好地满足了实际的科研需求。

基于云的边缘特征和天空亮度分布特征,对有云天空场景的仿真方法进行了研究.分析了云对天空亮度影响,并据此提出了一种基于分形原理的云场景仿真方法.通过辐射传输理论,给出了有无云天空的光谱亮度分布计算方法.在分析了云边缘具有自相似分形特征基础上,利用有云天空亮度分布特征、二次随机法和分形几何的Diamond-Square算法设计了云纹理生成算法.利用混合修正δ-Eddington近似计算出了观察视场2°×2°内640×480单元的2维天空亮度数组.利用该理论模型得到有云天空的2维亮度数组,并用VC++实现了云场景的动态仿真,得到了较为逼真的结果.

从能量守恒定律出发,建立了朗伯地表对下行辐射的反射作用引起天空亮度变化的解析计算模型.利用射线追踪原理,提出了地表与大气之间多次反射作用的理论模型.引入了一个多次散射的影响因子,并对附加的天空亮度进行了修正.利用混合修正的δ-Eddington近似和互易性原理计算了大气的透射率、反照率以及半球平均反照率.最后计算了地表反照率分别为0.15,0.25和0.35情形下的天空亮度增量,实验测量数据证实了这些结果.结果表明:当地表的反照率不为0时,存在"临边增亮"效应,并且随着地表反照率的增大,这种效应更加明显.

Sky radiance might be influenced by the multiple reflectance between the earth's albedo surface and the atmosphere. Based on the Lambert's law and the radiative transfer equation (RTE), a model is developed to calculate the additional sky radiance at wavelengths of 0.4-3 microns due to the reflectance contribution of the underlying surface. The iterative method is used to calculate sky radiance without the reflectance from underlying surface. The hybrid modified delta-Eddington approximation is used to compute the atmospheric reflection of the radiation from the earth's surface. An interaction factor is introduced to deal with the multiple reflectance between the atmosphere and the underlying surface. The sky radiance increment is evaluated for some different albedos of the earth's surface. The results show that the sky radiance increment rises rapidly while viewing zenith angle is near to 90 deg., and the larger the albedo of the earth's surface is, the more obvious this effect appears.