氣溶膠及能見度變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外傳輸?shù)挠绊懛治?/h1>
2016-03-27 07:02齊琳琳
紅外技術(shù) 2016年12期
張 芳，齊琳琳，葛 杰，王 舉，吉 微，黃 泓
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氣溶膠及能見度變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外傳輸?shù)挠绊懛治?/p>
張 芳1,2，齊琳琳2，葛 杰3，王 舉1，吉 微2，黃 泓1
（1. 解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2. 空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京 100085；3. 71887部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000）
紅外制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)主要依據(jù)背景、目標(biāo)物輻射特性和對(duì)比特性信息。氣溶膠及其能見度變化是大氣環(huán)境中影響紅外輻射傳輸?shù)闹饕蛩刂?。以?biāo)準(zhǔn)大氣為例，開展了氣溶膠及其能見度變化對(duì)中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間（3～5mm，8～12mm）大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的影響分析，重點(diǎn)分析了標(biāo)準(zhǔn)大氣中相同能見度不同氣溶膠類型及同氣溶膠類型不同能見度對(duì)中遠(yuǎn)紅外傳輸特性的影響。結(jié)果顯示：大氣透過率對(duì)目標(biāo)背景對(duì)比度的理論計(jì)算值有重要影響。在其他大氣條件既定情況下，氣溶膠及其能見度變化對(duì)兩波段的透過特性和目標(biāo)識(shí)別效果影響明顯，且以8～12mm波段的好于3～5mm的。同能見度不同氣溶膠類型下的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度差異較大，需要考慮氣溶膠的影響。在中遠(yuǎn)紅外區(qū)間，3.4～4.2mm和9.5～12mm波段內(nèi)的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度平均值相對(duì)較大，變化振幅小，可作為武器使用理想波段加以選擇應(yīng)用。
紅外傳輸；氣溶膠；能見度；大氣透過率；目標(biāo)背景對(duì)比度
0 引言
紅外目標(biāo)檢測(cè)憑借雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)今世界高技術(shù)領(lǐng)域熱門研究話題，逐漸引起各國(guó)高度重視[1]。紅外制導(dǎo)武器對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤主要依據(jù)目標(biāo)與背景的紅外輻射特性及其對(duì)比特性，對(duì)目標(biāo)與背景的紅外輻射特性及其對(duì)比特性的研究是紅外制導(dǎo)武器研制過程中的必要環(huán)節(jié)[2]。比如科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)期間惡劣的氣象條件就使得美軍導(dǎo)彈的使用和作戰(zhàn)效能受到很大限制[3]。但是，紅外制導(dǎo)系統(tǒng)接收目標(biāo)與背景的紅外輻射特性的過程非常復(fù)雜，接收效果與大氣狀態(tài)、景物特征、路徑等息息相關(guān)。因此一般都是使用輻射傳輸模型進(jìn)行計(jì)算，目前應(yīng)用最為廣泛的輻射傳輸計(jì)算模型為中光譜分辨率的MODTRAN[4]。
大氣氣溶膠不僅可引起輻射傳輸能量的衰減，也會(huì)造成大氣傳輸中對(duì)比度的下降。王毅等[5-6]通過分析0.43～0.75mm可見光波段范圍內(nèi)，不同能見度下的3種氣溶膠類型對(duì)目標(biāo)對(duì)比度的影響，發(fā)現(xiàn)此波段內(nèi)不同氣溶膠的分布特征不同。此外，還利用MODTRAN輻射傳輸模型，分別針對(duì)黑體、灰體以及不同發(fā)射率的目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)背景對(duì)比度的影響作了分析，發(fā)現(xiàn)隨著目標(biāo)物固有亮度的增加，目標(biāo)背景對(duì)比度也會(huì)增加。范偉等[7]以中緯度夏季大氣為例，在分析了城市氣溶膠的條件下的近紅外透過率和對(duì)比度的光譜特征后，提出，2.0～2.4mm適合大氣外目標(biāo)探測(cè)。劉偉超[8]分析了1.06mm制導(dǎo)波段下，大氣模式、氣溶膠類型以及降雨對(duì)于大氣透過率的影響。齊琳琳等[9]研究了不同氣溶膠類型下的夏季大氣透過特性后，認(rèn)為能見度的變化對(duì)應(yīng)了大氣透過特性的變化。
考慮到中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間（3～5mm、8～12mm）是眾多光電武器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，以標(biāo)準(zhǔn)大氣為例，利用MODTRAN大氣輻射模型，針對(duì)中遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間開展了氣溶膠及其能見度變化對(duì)透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的影響研究。重點(diǎn)探討同能見距離不同氣溶膠類型，以及同氣溶膠類型不同能見距離對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊?。分析了其?duì)中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間的影響譜分布特征。研究結(jié)果對(duì)于最大限度地掌握各類氣溶膠及不同能見度變化對(duì)中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊懢哂兄匾饬x，對(duì)優(yōu)化武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性等，都是非常必要的[10]。
1 輻射傳輸模型及目標(biāo)背景對(duì)比度計(jì)算
1.1 輻射傳輸模型簡(jiǎn)介
MODTRAN輻射傳輸計(jì)算模型是由美國(guó)空軍研發(fā)的中分辨率計(jì)算程序，是近30年發(fā)展起來的一種國(guó)際公認(rèn)的大氣輻射傳輸模式[11]。模型中包括了溫度、壓力、密度廓線以及H2O(g)，O3，CH4，N2O等30多種氣體混合比的6種參考模型大氣，還提供了具有代表性的氣溶膠，云雨等子模塊，并且用戶還可通過自定義接口，將理論計(jì)算或?qū)崪y(cè)資料輸入模型進(jìn)行計(jì)算[12]。在MODTRAN模式中，認(rèn)為以下公式計(jì)算值為氣象視距：
VIS＝—ln(0.02)/(ext＋ray) (1)
式中：VIS為氣象視距；ext為0.55mm波長(zhǎng)處的消光系數(shù)；ray為瑞利散射消光系數(shù)，ray＝0.01159。但是饒瑞中等認(rèn)為采用0.02的閾值計(jì)算出來的是標(biāo)準(zhǔn)大氣能見度[13]，故本文用能見度表示。
1.2 目標(biāo)背景對(duì)比度計(jì)算
目標(biāo)背景對(duì)比度是目標(biāo)可識(shí)別的判定標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)Purkinje效應(yīng)可知，對(duì)視覺來說，在觀察物體時(shí)，起決定作用的是物體和背景的亮度差異，所以目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)的理論一般都是基于目標(biāo)與背景的亮度對(duì)比展開的[13]。對(duì)比度定義為[14]：
ob＝|(o—b)/b|(2)
式中：o是被觀測(cè)的目標(biāo)的亮度；b是目標(biāo)背景亮度；ob為目標(biāo)背景對(duì)比度（以下簡(jiǎn)稱對(duì)比度）。如果o為被觀測(cè)的目標(biāo)物的固有亮度，b為目標(biāo)物所在處的背景亮度，則ob為目標(biāo)背景的固有對(duì)比度，用0表示。
假定觀察者向上觀察，如圖1所示?！?i>（＝cos）方向?yàn)橄蛏蟼鬏敚?i>方向?yàn)橄蛳聜鬏?。大氣層頂處的光學(xué)厚度＝0，目標(biāo)所在處＝t，地面處＝0。目標(biāo)相對(duì)觀察者的天頂角為，太陽的天頂角為0；目標(biāo)相對(duì)觀察者的方位角為，太陽方位角為0。輻射傳輸方程的一般形式為[15-16]：
式中：是輻射亮度；是源函數(shù)。實(shí)際接收到的目標(biāo)視亮度o*和背景視亮度b*由式(3)可得[15]：
o*＝oe—D/＋òe—(￠—)/d￠(4)
b*＝bˉ(t)e—D/＋òe—(￠—)/d￠＝bˉ(0) (5)
式中：D＝0—t；o為目標(biāo)固有亮度；bˉ(t)為目標(biāo)處向下的背景亮度，oe—D/和bˉ(t)e—D/代表固有亮度透過大氣時(shí)的衰減；òe—(￠—)/d￠代表觀察路徑上氣柱經(jīng)衰減后本身的輻射。將式(4)、(5)代入式(2)可得：
如果目標(biāo)為絕對(duì)黑體，則0為一常數(shù)，上式可簡(jiǎn)化為：
由方程(8)可知，對(duì)比度只與背景幅亮度和觀測(cè)者所看到的背景輻亮度的比值，以及觀察路徑的透過率有關(guān)。通常，利用輻射傳輸模型計(jì)算目標(biāo)背景對(duì)比度時(shí)均作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：①目標(biāo)為黑體，即t＝1；②求解背景天空亮度時(shí)，只考慮大氣對(duì)太陽輻射的散射以及大氣本身的熱輻射的影響。
目標(biāo)取為絕對(duì)黑體，這樣做的目的是忽略目標(biāo)對(duì)太陽、大氣、地表的反射的影響，簡(jiǎn)化分析中影響因素，從而可以更好地針對(duì)大氣條件對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響開展研究。
2 同能見度不同氣溶膠類型的影響分析
以標(biāo)準(zhǔn)大氣為例，計(jì)算中不考慮云雨影響，地面為農(nóng)田，目標(biāo)物高度1km，考慮多次散射，氣團(tuán)屬性都設(shè)定為6，觀察者天頂角＝30°，太陽天頂角0＝60°，觀察者與太陽方位角差|－0|＝60°，分子吸收計(jì)算采用模式默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣分子濃度廓線，能見度為5km。典型氣溶膠分別考慮鄉(xiāng)村型，相對(duì)濕度為96%，風(fēng)速為17m/s，24h平均風(fēng)速為11m/s的海軍海洋型，風(fēng)速設(shè)定為25.7m/s的沙漠型以及城市型4類。分別討論了大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的波段總體變化特征，以及3～5mm、8～12mm光譜區(qū)間兩者隨波長(zhǎng)變化的分布特征。
圖2給出了同能見度4種典型氣溶膠影響下的3～5mm和8～12mm大氣透過率和對(duì)比度的總體特征。橫坐標(biāo)為4個(gè)氣溶膠類型，縱坐標(biāo)為大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度。其中，柱狀圖為對(duì)比度，折線圖為透過率?？梢钥吹?，4種氣溶膠類型下2個(gè)波段的透過率和對(duì)比度變化趨勢(shì)基本一致，且均是8～12mm的好于3～5mm。其中鄉(xiāng)村型的最大，分別為0.59（3～5mm）、0.63（8～12mm）和0.37（3～5mm）、0.46（8～12mm），城市型與之相近，海軍海洋型的次之，沙漠型的最小，分別為0.27（3～5mm）、0.36（8～12mm）和0.13（3～5mm）和0.15（8～12mm）。由此可知，同能見度下4類氣溶膠影響下的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度差異很大，這說明由于成分的差異造成的同能見度下不同類氣溶膠的大氣透過特性和目標(biāo)背景對(duì)比度差異很大，必須對(duì)其加以考慮。
圖2 3～5mm和8～12mm同能見度下4種氣溶膠的透過率和對(duì)比度
由圖3可以看出，此波段內(nèi)4類氣溶膠影響下的透過率隨波長(zhǎng)變化趨勢(shì)與目標(biāo)背景對(duì)比度的一致。另外，盡管4類氣溶膠影響下的透過率和對(duì)比度隨波長(zhǎng)變化的量值上存在很大不同，但整體分布規(guī)律還是基本一致。其中，3.4～4.2mm波段內(nèi)4類氣溶膠下的大氣透過率和對(duì)比度值均相對(duì)較大，最大的鄉(xiāng)村型的值分別穩(wěn)定在0.86和0.34左右，而最小的沙漠型值也穩(wěn)定在0.4和0.15左右，該波段較寬，大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度起伏變化相對(duì)較小，因此可以作為紅外波段目標(biāo)識(shí)別的最佳波段之一。相比而言，其他波段處大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的值起伏較大，特別在4.2～4.4mm的水汽吸收波段內(nèi)，無論是透過率還是對(duì)比度均基本為0，不適用于目標(biāo)選擇。對(duì)于3～3.4mm和4.4～5mm波段，雖然透過率和對(duì)比度分別也可達(dá)到0.83和0.56，但起伏變化大，峰值波段范圍較窄，且峰值附近波動(dòng)幅度也較為劇烈，因此也不是目標(biāo)識(shí)別理想波段。
圖3 相同能見度不同氣溶膠類型下的目標(biāo)背景對(duì)比度和透過率隨波長(zhǎng)分布
對(duì)于8～12mm波段范圍內(nèi)透過率和對(duì)比度隨波長(zhǎng)的變化可以看出，9～12mm波段內(nèi)兩者變化趨勢(shì)有一定差異，這說明此波段內(nèi)對(duì)比度的變化不僅僅取決于透過率，其他一些因素，如氣溶膠的影響也不容忽視。此外，該波段內(nèi)鄉(xiāng)村型氣溶膠的透過率和對(duì)比度相對(duì)最好，城市型的次之，之后是海軍海洋型，沙漠型的相對(duì)最差。相比而言，整個(gè)波段內(nèi)透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度始終大于0且其值相對(duì)3～5mm較大，由此可以說，8～12mm的確是制導(dǎo)武器紅外波段目標(biāo)識(shí)別的最佳波段之一，這與該波段是熱成像技術(shù)最常用的譜段范圍相一致。綜合4類氣溶膠的透過率和對(duì)比度來看，主要是以9.5～12mm波段內(nèi)兩者值相對(duì)較大，起伏波動(dòng)小，最大值分別穩(wěn)定在0.85和0.42左右，更適合作為目標(biāo)識(shí)別波段使用。
3 同氣溶膠不同能見度的影響分析
在分析了同能見度典型氣溶膠對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊懛治龌A(chǔ)上，為進(jìn)一步探討氣溶膠及其能見度變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊?，文中又以鄉(xiāng)村型氣溶膠為例，在其他計(jì)算條件不變情況下，同樣針對(duì)3～5mm和8～12mm波段，分別分析1、2、3、5和10km能見距離下的標(biāo)準(zhǔn)大氣透過率和對(duì)比度特征。
圖4為能見度VIS＝1，2，3，5，10km這5種情況下3～5mm和8～12mm波段的大氣透過率和對(duì)比度的總體特征，橫坐標(biāo)為5個(gè)不同能見度，縱坐標(biāo)為透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度；柱狀圖為透過率，折線圖為對(duì)比度。首先，從整體可以看到，8～12mm的大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度值總是大于3～5mm的值。其次，當(dāng)能見度從1～10km變化時(shí)，透過率和對(duì)比度則在0.41～0.62（3～5mm）、0.6～0.86（8～12mm）和0.21～0.41（3～5mm）、0.23～0.51（8～12mm）之間線性變化。即大氣能見度越大，大氣透過特性越好，對(duì)比度越高，而且透過率和對(duì)比度之間表現(xiàn)出一定的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后，能見度從1km變化到2km時(shí)，透過率和對(duì)比度分別變化了0.1和0.07，比從2km變化到3km的變化的值大，也可以從折線圖的斜率看出，在低能見度時(shí)透過率和對(duì)比度對(duì)能見度的反應(yīng)更敏感。
由此可見，在其他大氣影響一定情況下，能見度的確是影響目標(biāo)識(shí)別的重要條件，這也解釋了為什么保障中能見度決定了制導(dǎo)武器能否應(yīng)用。兩波段均是隨著能見度的逐漸轉(zhuǎn)好，透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度也逐漸變強(qiáng)，越來越利于目標(biāo)識(shí)別。同條件下8～12mm波段的識(shí)別能力優(yōu)于3～5mm波段的。
圖4 3～5 mm和8～12 mm鄉(xiāng)村型氣溶膠不同能見度的透過率和對(duì)比度
圖5是3～5mm和8～12mm兩個(gè)波段5個(gè)不同能見度下的大氣透過率和對(duì)比度的分布特征。能見度為10km時(shí)，3.4～4.2mm以及8.5～12mm波段的大氣透過率值穩(wěn)定在0.92和0.89附近，對(duì)比度的值穩(wěn)定在0.34和0.44左右；其余波段的值分別低于這兩個(gè)波段，而且振幅較大。這兩個(gè)波段內(nèi)透過率和對(duì)比度的值相對(duì)較大，變化幅度較小，波段范圍較寬，可作為理想波段用于目標(biāo)識(shí)別。最后，由不同能見度對(duì)應(yīng)的透過率和對(duì)比度的波長(zhǎng)分布也可以看到，能見度越大，透過率越大，對(duì)比度也越大。
綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，目標(biāo)背景對(duì)比度主要受透過率影響。由于在3.4～4.2mm、9.5～12mm波段內(nèi)的透過率和對(duì)比度平均值相對(duì)大，且波段范圍較寬，因此可為理想波段用于目標(biāo)識(shí)別，但應(yīng)用時(shí)必須考慮綜合考慮能見度和氣溶膠類型的影響。
4 結(jié)論
以標(biāo)準(zhǔn)大氣為例，利用輻射傳輸模型MODTRAN 4計(jì)算分析了相同能見度下不同氣溶膠類型以及不同能見度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊?。分析?jì)算相同能見度4種典型氣溶膠類型的透過率和對(duì)比度的總體特征后發(fā)現(xiàn)，相同能見度下不同氣溶膠的透過率和對(duì)比度存在很大差異，說明氣溶膠類型對(duì)透過率和對(duì)比度影響很大，在目標(biāo)識(shí)別時(shí)須加以考慮。分析不同能見度下鄉(xiāng)村型氣溶膠的透過率和對(duì)比度的總體特征后發(fā)現(xiàn)，能見度反映了大氣中遠(yuǎn)紅外的透過特性和目標(biāo)背景對(duì)比度情況，即大氣能見度越大，大氣透過特性越好，對(duì)比度越高；而且在低能見度時(shí)透過率和對(duì)比度對(duì)能見度的反應(yīng)更敏感。分析兩種情形中透過率和對(duì)比度隨波長(zhǎng)的分布后發(fā)現(xiàn)，3.4～4.2mm、9.5～12mm波段內(nèi)的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度平均值都相對(duì)大，可為理想波段加以選擇應(yīng)用。且8～12mm波段的大氣透過特性和目標(biāo)識(shí)別效果都比3～5mm波段好。氣溶膠類型和能見度變化不改變兩個(gè)波段的對(duì)比度和透過率的分布結(jié)構(gòu)。最后，綜合能見度和氣溶膠影響，在目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用中，推薦使用3.4～4.2mm波段和9.5～12mm波段。
圖5 鄉(xiāng)村型氣溶膠不同能見度的大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度隨波長(zhǎng)分布
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Effect of Typical-aerosol and Visibility on the Mid- and Far-Infrared Light-wave Transmission in the Standard Atmosphere
ZHANG Fang1,2，QI Linlin2，GE Jie3，WANG Ju1，JI Wei2，HUANG Hong1
(1.,211101,; 2.,100085,; 3.71887,264000,）
The infrared guided weapon is mainly based on the characteristics of the radiation and contrast about target and background to detect, recognize and track the target. The aerosol and visibility have great influence on infrared radiation in the atmosphere. The article analyzed the effect of aerosol and visibility on the mid and far infrared light-wave transmission in the standard atmosphere and mainly focused on the effect of aerosols within the same visibility and the same aerosol about different kinds of visibility on the mid and far-infrared (3-5mm, 8-12mm) light-wave transmission. The results show that the target-background contrast is mainly influenced by atmosphere transmittance. The types of aerosol and visibility contribute a lot to transmittance and target-background contrast under the standard atmosphere. And both of transmittance and contrast in the band of 8-12mm are always better than those in the band of 3-5mm. Also,transmittance and contrast have great difference in different aerosols within the same visibility. In the both 4 typical aerosols within the same visibility and the aerosol of rural about 5 kinds of visibility, the 3.4-4.2mm and 9.5-12mm bands are highly recommended in the target detection for their higher average value of transmittance and contrast.
infrared transmit，aerosols，visibility，atmosphere transmittance，target-background contrast
O432.1，P427.1
A
1001-8891(2016)12-1047-06
2016-03-07；
2016-05-03.
張芳（1992-），男，湖南益陽人，碩士，主要從事大氣對(duì)光電系統(tǒng)作用距離影響的數(shù)值計(jì)算研究。
齊琳琳（1973-），女，高工，博士，主要從事軍事氣象水文保障。
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張 芳，齊琳琳，葛 杰，王 舉，吉 微，黃 泓
?
氣溶膠及能見度變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外傳輸?shù)挠绊懛治?/p>
張 芳1,2，齊琳琳2，葛 杰3，王 舉1，吉 微2，黃 泓1
（1. 解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2. 空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京 100085；3. 71887部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000）
紅外制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)主要依據(jù)背景、目標(biāo)物輻射特性和對(duì)比特性信息。氣溶膠及其能見度變化是大氣環(huán)境中影響紅外輻射傳輸?shù)闹饕蛩刂?。以?biāo)準(zhǔn)大氣為例，開展了氣溶膠及其能見度變化對(duì)中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間（3～5mm，8～12mm）大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的影響分析，重點(diǎn)分析了標(biāo)準(zhǔn)大氣中相同能見度不同氣溶膠類型及同氣溶膠類型不同能見度對(duì)中遠(yuǎn)紅外傳輸特性的影響。結(jié)果顯示：大氣透過率對(duì)目標(biāo)背景對(duì)比度的理論計(jì)算值有重要影響。在其他大氣條件既定情況下，氣溶膠及其能見度變化對(duì)兩波段的透過特性和目標(biāo)識(shí)別效果影響明顯，且以8～12mm波段的好于3～5mm的。同能見度不同氣溶膠類型下的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度差異較大，需要考慮氣溶膠的影響。在中遠(yuǎn)紅外區(qū)間，3.4～4.2mm和9.5～12mm波段內(nèi)的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度平均值相對(duì)較大，變化振幅小，可作為武器使用理想波段加以選擇應(yīng)用。
紅外傳輸；氣溶膠；能見度；大氣透過率；目標(biāo)背景對(duì)比度
0 引言
紅外目標(biāo)檢測(cè)憑借雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)今世界高技術(shù)領(lǐng)域熱門研究話題，逐漸引起各國(guó)高度重視[1]。紅外制導(dǎo)武器對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤主要依據(jù)目標(biāo)與背景的紅外輻射特性及其對(duì)比特性，對(duì)目標(biāo)與背景的紅外輻射特性及其對(duì)比特性的研究是紅外制導(dǎo)武器研制過程中的必要環(huán)節(jié)[2]。比如科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)期間惡劣的氣象條件就使得美軍導(dǎo)彈的使用和作戰(zhàn)效能受到很大限制[3]。但是，紅外制導(dǎo)系統(tǒng)接收目標(biāo)與背景的紅外輻射特性的過程非常復(fù)雜，接收效果與大氣狀態(tài)、景物特征、路徑等息息相關(guān)。因此一般都是使用輻射傳輸模型進(jìn)行計(jì)算，目前應(yīng)用最為廣泛的輻射傳輸計(jì)算模型為中光譜分辨率的MODTRAN[4]。
大氣氣溶膠不僅可引起輻射傳輸能量的衰減，也會(huì)造成大氣傳輸中對(duì)比度的下降。王毅等[5-6]通過分析0.43～0.75mm可見光波段范圍內(nèi)，不同能見度下的3種氣溶膠類型對(duì)目標(biāo)對(duì)比度的影響，發(fā)現(xiàn)此波段內(nèi)不同氣溶膠的分布特征不同。此外，還利用MODTRAN輻射傳輸模型，分別針對(duì)黑體、灰體以及不同發(fā)射率的目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)背景對(duì)比度的影響作了分析，發(fā)現(xiàn)隨著目標(biāo)物固有亮度的增加，目標(biāo)背景對(duì)比度也會(huì)增加。范偉等[7]以中緯度夏季大氣為例，在分析了城市氣溶膠的條件下的近紅外透過率和對(duì)比度的光譜特征后，提出，2.0～2.4mm適合大氣外目標(biāo)探測(cè)。劉偉超[8]分析了1.06mm制導(dǎo)波段下，大氣模式、氣溶膠類型以及降雨對(duì)于大氣透過率的影響。齊琳琳等[9]研究了不同氣溶膠類型下的夏季大氣透過特性后，認(rèn)為能見度的變化對(duì)應(yīng)了大氣透過特性的變化。
考慮到中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間（3～5mm、8～12mm）是眾多光電武器系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，以標(biāo)準(zhǔn)大氣為例，利用MODTRAN大氣輻射模型，針對(duì)中遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間開展了氣溶膠及其能見度變化對(duì)透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的影響研究。重點(diǎn)探討同能見距離不同氣溶膠類型，以及同氣溶膠類型不同能見距離對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊?。分析了其?duì)中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間的影響譜分布特征。研究結(jié)果對(duì)于最大限度地掌握各類氣溶膠及不同能見度變化對(duì)中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊懢哂兄匾饬x，對(duì)優(yōu)化武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性等，都是非常必要的[10]。
1 輻射傳輸模型及目標(biāo)背景對(duì)比度計(jì)算
1.1 輻射傳輸模型簡(jiǎn)介
MODTRAN輻射傳輸計(jì)算模型是由美國(guó)空軍研發(fā)的中分辨率計(jì)算程序，是近30年發(fā)展起來的一種國(guó)際公認(rèn)的大氣輻射傳輸模式[11]。模型中包括了溫度、壓力、密度廓線以及H2O(g)，O3，CH4，N2O等30多種氣體混合比的6種參考模型大氣，還提供了具有代表性的氣溶膠，云雨等子模塊，并且用戶還可通過自定義接口，將理論計(jì)算或?qū)崪y(cè)資料輸入模型進(jìn)行計(jì)算[12]。在MODTRAN模式中，認(rèn)為以下公式計(jì)算值為氣象視距：
VIS＝—ln(0.02)/(ext＋ray) (1)
式中：VIS為氣象視距；ext為0.55mm波長(zhǎng)處的消光系數(shù)；ray為瑞利散射消光系數(shù)，ray＝0.01159。但是饒瑞中等認(rèn)為采用0.02的閾值計(jì)算出來的是標(biāo)準(zhǔn)大氣能見度[13]，故本文用能見度表示。
1.2 目標(biāo)背景對(duì)比度計(jì)算
目標(biāo)背景對(duì)比度是目標(biāo)可識(shí)別的判定標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)Purkinje效應(yīng)可知，對(duì)視覺來說，在觀察物體時(shí)，起決定作用的是物體和背景的亮度差異，所以目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)的理論一般都是基于目標(biāo)與背景的亮度對(duì)比展開的[13]。對(duì)比度定義為[14]：
ob＝|(o—b)/b|(2)
式中：o是被觀測(cè)的目標(biāo)的亮度；b是目標(biāo)背景亮度；ob為目標(biāo)背景對(duì)比度（以下簡(jiǎn)稱對(duì)比度）。如果o為被觀測(cè)的目標(biāo)物的固有亮度，b為目標(biāo)物所在處的背景亮度，則ob為目標(biāo)背景的固有對(duì)比度，用0表示。
假定觀察者向上觀察，如圖1所示?！?i>（＝cos）方向?yàn)橄蛏蟼鬏敚?i>方向?yàn)橄蛳聜鬏?。大氣層頂處的光學(xué)厚度＝0，目標(biāo)所在處＝t，地面處＝0。目標(biāo)相對(duì)觀察者的天頂角為，太陽的天頂角為0；目標(biāo)相對(duì)觀察者的方位角為，太陽方位角為0。輻射傳輸方程的一般形式為[15-16]：
式中：是輻射亮度；是源函數(shù)。實(shí)際接收到的目標(biāo)視亮度o*和背景視亮度b*由式(3)可得[15]：
o*＝oe—D/＋òe—(￠—)/d￠(4)
b*＝bˉ(t)e—D/＋òe—(￠—)/d￠＝bˉ(0) (5)
式中：D＝0—t；o為目標(biāo)固有亮度；bˉ(t)為目標(biāo)處向下的背景亮度，oe—D/和bˉ(t)e—D/代表固有亮度透過大氣時(shí)的衰減；òe—(￠—)/d￠代表觀察路徑上氣柱經(jīng)衰減后本身的輻射。將式(4)、(5)代入式(2)可得：
如果目標(biāo)為絕對(duì)黑體，則0為一常數(shù)，上式可簡(jiǎn)化為：
由方程(8)可知，對(duì)比度只與背景幅亮度和觀測(cè)者所看到的背景輻亮度的比值，以及觀察路徑的透過率有關(guān)。通常，利用輻射傳輸模型計(jì)算目標(biāo)背景對(duì)比度時(shí)均作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：①目標(biāo)為黑體，即t＝1；②求解背景天空亮度時(shí)，只考慮大氣對(duì)太陽輻射的散射以及大氣本身的熱輻射的影響。
目標(biāo)取為絕對(duì)黑體，這樣做的目的是忽略目標(biāo)對(duì)太陽、大氣、地表的反射的影響，簡(jiǎn)化分析中影響因素，從而可以更好地針對(duì)大氣條件對(duì)目標(biāo)識(shí)別影響開展研究。
2 同能見度不同氣溶膠類型的影響分析
以標(biāo)準(zhǔn)大氣為例，計(jì)算中不考慮云雨影響，地面為農(nóng)田，目標(biāo)物高度1km，考慮多次散射，氣團(tuán)屬性都設(shè)定為6，觀察者天頂角＝30°，太陽天頂角0＝60°，觀察者與太陽方位角差|－0|＝60°，分子吸收計(jì)算采用模式默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣分子濃度廓線，能見度為5km。典型氣溶膠分別考慮鄉(xiāng)村型，相對(duì)濕度為96%，風(fēng)速為17m/s，24h平均風(fēng)速為11m/s的海軍海洋型，風(fēng)速設(shè)定為25.7m/s的沙漠型以及城市型4類。分別討論了大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的波段總體變化特征，以及3～5mm、8～12mm光譜區(qū)間兩者隨波長(zhǎng)變化的分布特征。
圖2給出了同能見度4種典型氣溶膠影響下的3～5mm和8～12mm大氣透過率和對(duì)比度的總體特征。橫坐標(biāo)為4個(gè)氣溶膠類型，縱坐標(biāo)為大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度。其中，柱狀圖為對(duì)比度，折線圖為透過率?？梢钥吹?，4種氣溶膠類型下2個(gè)波段的透過率和對(duì)比度變化趨勢(shì)基本一致，且均是8～12mm的好于3～5mm。其中鄉(xiāng)村型的最大，分別為0.59（3～5mm）、0.63（8～12mm）和0.37（3～5mm）、0.46（8～12mm），城市型與之相近，海軍海洋型的次之，沙漠型的最小，分別為0.27（3～5mm）、0.36（8～12mm）和0.13（3～5mm）和0.15（8～12mm）。由此可知，同能見度下4類氣溶膠影響下的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度差異很大，這說明由于成分的差異造成的同能見度下不同類氣溶膠的大氣透過特性和目標(biāo)背景對(duì)比度差異很大，必須對(duì)其加以考慮。
圖2 3～5mm和8～12mm同能見度下4種氣溶膠的透過率和對(duì)比度
由圖3可以看出，此波段內(nèi)4類氣溶膠影響下的透過率隨波長(zhǎng)變化趨勢(shì)與目標(biāo)背景對(duì)比度的一致。另外，盡管4類氣溶膠影響下的透過率和對(duì)比度隨波長(zhǎng)變化的量值上存在很大不同，但整體分布規(guī)律還是基本一致。其中，3.4～4.2mm波段內(nèi)4類氣溶膠下的大氣透過率和對(duì)比度值均相對(duì)較大，最大的鄉(xiāng)村型的值分別穩(wěn)定在0.86和0.34左右，而最小的沙漠型值也穩(wěn)定在0.4和0.15左右，該波段較寬，大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度起伏變化相對(duì)較小，因此可以作為紅外波段目標(biāo)識(shí)別的最佳波段之一。相比而言，其他波段處大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度的值起伏較大，特別在4.2～4.4mm的水汽吸收波段內(nèi)，無論是透過率還是對(duì)比度均基本為0，不適用于目標(biāo)選擇。對(duì)于3～3.4mm和4.4～5mm波段，雖然透過率和對(duì)比度分別也可達(dá)到0.83和0.56，但起伏變化大，峰值波段范圍較窄，且峰值附近波動(dòng)幅度也較為劇烈，因此也不是目標(biāo)識(shí)別理想波段。
圖3 相同能見度不同氣溶膠類型下的目標(biāo)背景對(duì)比度和透過率隨波長(zhǎng)分布
對(duì)于8～12mm波段范圍內(nèi)透過率和對(duì)比度隨波長(zhǎng)的變化可以看出，9～12mm波段內(nèi)兩者變化趨勢(shì)有一定差異，這說明此波段內(nèi)對(duì)比度的變化不僅僅取決于透過率，其他一些因素，如氣溶膠的影響也不容忽視。此外，該波段內(nèi)鄉(xiāng)村型氣溶膠的透過率和對(duì)比度相對(duì)最好，城市型的次之，之后是海軍海洋型，沙漠型的相對(duì)最差。相比而言，整個(gè)波段內(nèi)透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度始終大于0且其值相對(duì)3～5mm較大，由此可以說，8～12mm的確是制導(dǎo)武器紅外波段目標(biāo)識(shí)別的最佳波段之一，這與該波段是熱成像技術(shù)最常用的譜段范圍相一致。綜合4類氣溶膠的透過率和對(duì)比度來看，主要是以9.5～12mm波段內(nèi)兩者值相對(duì)較大，起伏波動(dòng)小，最大值分別穩(wěn)定在0.85和0.42左右，更適合作為目標(biāo)識(shí)別波段使用。
3 同氣溶膠不同能見度的影響分析
在分析了同能見度典型氣溶膠對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊懛治龌A(chǔ)上，為進(jìn)一步探討氣溶膠及其能見度變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊?，文中又以鄉(xiāng)村型氣溶膠為例，在其他計(jì)算條件不變情況下，同樣針對(duì)3～5mm和8～12mm波段，分別分析1、2、3、5和10km能見距離下的標(biāo)準(zhǔn)大氣透過率和對(duì)比度特征。
圖4為能見度VIS＝1，2，3，5，10km這5種情況下3～5mm和8～12mm波段的大氣透過率和對(duì)比度的總體特征，橫坐標(biāo)為5個(gè)不同能見度，縱坐標(biāo)為透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度；柱狀圖為透過率，折線圖為對(duì)比度。首先，從整體可以看到，8～12mm的大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度值總是大于3～5mm的值。其次，當(dāng)能見度從1～10km變化時(shí)，透過率和對(duì)比度則在0.41～0.62（3～5mm）、0.6～0.86（8～12mm）和0.21～0.41（3～5mm）、0.23～0.51（8～12mm）之間線性變化。即大氣能見度越大，大氣透過特性越好，對(duì)比度越高，而且透過率和對(duì)比度之間表現(xiàn)出一定的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后，能見度從1km變化到2km時(shí)，透過率和對(duì)比度分別變化了0.1和0.07，比從2km變化到3km的變化的值大，也可以從折線圖的斜率看出，在低能見度時(shí)透過率和對(duì)比度對(duì)能見度的反應(yīng)更敏感。
由此可見，在其他大氣影響一定情況下，能見度的確是影響目標(biāo)識(shí)別的重要條件，這也解釋了為什么保障中能見度決定了制導(dǎo)武器能否應(yīng)用。兩波段均是隨著能見度的逐漸轉(zhuǎn)好，透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度也逐漸變強(qiáng)，越來越利于目標(biāo)識(shí)別。同條件下8～12mm波段的識(shí)別能力優(yōu)于3～5mm波段的。
圖4 3～5 mm和8～12 mm鄉(xiāng)村型氣溶膠不同能見度的透過率和對(duì)比度
圖5是3～5mm和8～12mm兩個(gè)波段5個(gè)不同能見度下的大氣透過率和對(duì)比度的分布特征。能見度為10km時(shí)，3.4～4.2mm以及8.5～12mm波段的大氣透過率值穩(wěn)定在0.92和0.89附近，對(duì)比度的值穩(wěn)定在0.34和0.44左右；其余波段的值分別低于這兩個(gè)波段，而且振幅較大。這兩個(gè)波段內(nèi)透過率和對(duì)比度的值相對(duì)較大，變化幅度較小，波段范圍較寬，可作為理想波段用于目標(biāo)識(shí)別。最后，由不同能見度對(duì)應(yīng)的透過率和對(duì)比度的波長(zhǎng)分布也可以看到，能見度越大，透過率越大，對(duì)比度也越大。
綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，目標(biāo)背景對(duì)比度主要受透過率影響。由于在3.4～4.2mm、9.5～12mm波段內(nèi)的透過率和對(duì)比度平均值相對(duì)大，且波段范圍較寬，因此可為理想波段用于目標(biāo)識(shí)別，但應(yīng)用時(shí)必須考慮綜合考慮能見度和氣溶膠類型的影響。
4 結(jié)論
以標(biāo)準(zhǔn)大氣為例，利用輻射傳輸模型MODTRAN 4計(jì)算分析了相同能見度下不同氣溶膠類型以及不同能見度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣中遠(yuǎn)紅外光波傳輸?shù)挠绊?。分析?jì)算相同能見度4種典型氣溶膠類型的透過率和對(duì)比度的總體特征后發(fā)現(xiàn)，相同能見度下不同氣溶膠的透過率和對(duì)比度存在很大差異，說明氣溶膠類型對(duì)透過率和對(duì)比度影響很大，在目標(biāo)識(shí)別時(shí)須加以考慮。分析不同能見度下鄉(xiāng)村型氣溶膠的透過率和對(duì)比度的總體特征后發(fā)現(xiàn)，能見度反映了大氣中遠(yuǎn)紅外的透過特性和目標(biāo)背景對(duì)比度情況，即大氣能見度越大，大氣透過特性越好，對(duì)比度越高；而且在低能見度時(shí)透過率和對(duì)比度對(duì)能見度的反應(yīng)更敏感。分析兩種情形中透過率和對(duì)比度隨波長(zhǎng)的分布后發(fā)現(xiàn)，3.4～4.2mm、9.5～12mm波段內(nèi)的透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度平均值都相對(duì)大，可為理想波段加以選擇應(yīng)用。且8～12mm波段的大氣透過特性和目標(biāo)識(shí)別效果都比3～5mm波段好。氣溶膠類型和能見度變化不改變兩個(gè)波段的對(duì)比度和透過率的分布結(jié)構(gòu)。最后，綜合能見度和氣溶膠影響，在目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用中，推薦使用3.4～4.2mm波段和9.5～12mm波段。
圖5 鄉(xiāng)村型氣溶膠不同能見度的大氣透過率和目標(biāo)背景對(duì)比度隨波長(zhǎng)分布
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Effect of Typical-aerosol and Visibility on the Mid- and Far-Infrared Light-wave Transmission in the Standard Atmosphere
ZHANG Fang1,2，QI Linlin2，GE Jie3，WANG Ju1，JI Wei2，HUANG Hong1
(1.,211101,; 2.,100085,; 3.71887,264000,）
The infrared guided weapon is mainly based on the characteristics of the radiation and contrast about target and background to detect, recognize and track the target. The aerosol and visibility have great influence on infrared radiation in the atmosphere. The article analyzed the effect of aerosol and visibility on the mid and far infrared light-wave transmission in the standard atmosphere and mainly focused on the effect of aerosols within the same visibility and the same aerosol about different kinds of visibility on the mid and far-infrared (3-5mm, 8-12mm) light-wave transmission. The results show that the target-background contrast is mainly influenced by atmosphere transmittance. The types of aerosol and visibility contribute a lot to transmittance and target-background contrast under the standard atmosphere. And both of transmittance and contrast in the band of 8-12mm are always better than those in the band of 3-5mm. Also,transmittance and contrast have great difference in different aerosols within the same visibility. In the both 4 typical aerosols within the same visibility and the aerosol of rural about 5 kinds of visibility, the 3.4-4.2mm and 9.5-12mm bands are highly recommended in the target detection for their higher average value of transmittance and contrast.
infrared transmit，aerosols，visibility，atmosphere transmittance，target-background contrast
O432.1，P427.1
A
1001-8891(2016)12-1047-06
2016-03-07；
2016-05-03.
張芳（1992-），男，湖南益陽人，碩士，主要從事大氣對(duì)光電系統(tǒng)作用距離影響的數(shù)值計(jì)算研究。
齊琳琳（1973-），女，高工，博士，主要從事軍事氣象水文保障。
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