王 東,劉小虎,路亞旭

(63891部隊,河南 洛陽 471003)

1 引 言

以被動方式工作的紅外熱像儀,可全天時開機工作,具有隱蔽性好、圖像直觀、易于觀察等特點,目前已被廣泛應(yīng)用于偵察預(yù)警、精確制導(dǎo),火力控制等諸多領(lǐng)域。紅外熱像儀作用距離是指在一定的大氣條件下,其對特定目標(biāo)探測、識別和辨認(rèn)的最遠距離,是評價紅外熱像儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)[1-2]。影響紅外熱像儀作用距離的因素包括其自身性能參數(shù)及諸多外在因素,如光學(xué)系統(tǒng)、探測器參數(shù)等內(nèi)因,測試時目標(biāo)背景的紅外輻射特性、氣象條件等外因。不同的氣象條件會造成大氣透過率的變化,最終導(dǎo)致紅外熱像儀對同一目標(biāo)作用距離顯著變化。近年來,有關(guān)大氣透過率對紅外系統(tǒng)作用距離影響的研究已有不少報道[3-8]。本文利用Lowtran大氣輻射傳輸軟件計算了不同氣象條件下的3～5 μm中波、8～12 μm長波波段大氣透過率,分析了不同氣象條件對大氣透過率影響情況程度,比較了中波、長波波段大氣傳輸?shù)膬?yōu)劣,研究結(jié)果可用于紅外熱像儀作用距離測試及計算。

2 紅外熱像儀作用距離方程及分析

紅外熱像儀的作用距離方程為[9]:

(1)

式中,R為紅外熱像儀作用距離;D0為紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)口徑;D*為波段探測率;Jλ1～λ2為目標(biāo)波段輻射強度;τa為波段內(nèi)路徑大氣透過率;τ0為紅外熱像儀光學(xué)透過率;Ad為紅外熱像儀探測器光敏元面積;Δf為紅外熱像儀信號帶寬；Vs/Vn為紅外熱像儀正常工作所需的最小信噪比。

對同一套紅外熱像儀,D0、D*、τ0、Ad、Δf均為常數(shù),式(1)可表示為:

(2)

因此,c為常數(shù)。當(dāng)紅外熱像儀工作狀態(tài)不變時,正常工作所需的最小信噪比Vs/Vn可視為固定值?？梢娫诩t外熱像儀參數(shù)及工作狀態(tài)固定的條件下,影響其作用距離的因素包括目標(biāo)波段輻射強度Jλ1～λ2、路徑大氣透過率τa。目標(biāo)波段輻射強度與目標(biāo)類型、狀態(tài)、所處環(huán)境等相關(guān),其對紅外熱像儀作用距離的影響本文暫不作研究。下面僅在假定目標(biāo)波段輻射強度固定的條件下,探討大氣透過率對作用距離的影響。

3 大氣透過率計算及分析

大氣透過率與大氣特性和大氣路徑有關(guān)。大氣特性包括大氣溫度、濕度、大氣壓、能見度等,大氣路徑與紅外熱像儀、目標(biāo)的相對位置相關(guān),下面分別對上述影響因素進行分析。

3.1 溫度、濕度、大氣壓對大氣透過率的影響

下面首先分析溫度、濕度、大氣壓等大氣參數(shù)對中波(3～5 μm)、長波(8～12 μm)紅外波段大氣透過率的影響。圖1～圖3分別給出了高度2 km、斜距60 km大氣路徑條件下,利用Lowtran計算得到的大氣透過率隨溫度、濕度、大氣壓變化情況。其中,圖1、圖2、圖3的計算條件分別為:濕度45 %、氣壓980 hPa、能見度8 km；溫度25 ℃、氣壓980 hPa、能見度8 km；溫度25 ℃、濕度45 %、能見度8 km。

圖1 大氣透過率隨溫度變化關(guān)系

圖2 大氣透過率隨濕度變化關(guān)系

圖3 大氣透過率隨大氣壓變化關(guān)系

從圖3中可以看出:

(1)溫度對大氣透過率的影響較大,大氣透過率隨溫度升高呈下降趨勢,并且長波在低溫條件下變化趨勢更為顯著。溫度從10 ℃上升到20 ℃,中波、長波波段大氣透過率分別下降了20.6 %和61.5 %,長波波段大氣透過率受溫度影響更為顯著,二者相差3倍。

(2)濕度對大氣透過率的影響較大,大氣透過率隨濕度增加呈下降趨勢,并且在低濕度條件下變化趨勢更為顯著。比較30 %和50 %兩個濕度點,中波、長波波段大氣透過率分別下降了26.6 %和75.3 %,長波波段大氣透過率受濕度影響更為顯著,二者相差2.8倍。

(3)大氣壓對大氣透過率的影響較小,隨著大氣壓逐漸升高,中波、長波波段大氣透過率均緩慢下降。這與分子運動論中氣壓越高分子密度越大,對光子的衰減越顯著的結(jié)論是一致。

3.2 能見度對大氣透過率的影響

大氣能見度是評價紅外熱像儀作用距離時關(guān)注度較高的氣象參數(shù),下面重點分析能見度對大氣透過率的影響。氣象學(xué)上所說的能見度,實際上是反映大氣透明度的一個指標(biāo),其定義為具有正常視力的人在當(dāng)時天氣條件下,能夠從背景(天空或地面)中識別出目標(biāo)物的最遠距離。

由于能見度是針對人眼(可見光波段)定義的,而紅外熱像儀工作波段為中波或長波紅外,實際測試紅外熱像儀作用距離時,用于監(jiān)測能見度的能見度儀LED峰值波長一般為0.808 μm、0.850 μm、0.875 μm等,不同波段大氣透過率與能見度的對應(yīng)關(guān)系需要進一步分析。圖4給出了目標(biāo)高度2 km、斜距60 km,溫度25 ℃、濕度45 %、氣壓980 hPa條件下,可見光、0.850 μm、紅外波段大氣透過率的計算結(jié)果。

從圖4可以看出:

圖4 不同大氣能見度條件下透過率對比

(1)能見度是影響大氣透過率的重要因素,隨著能見度降低,各個波段的大氣透過率均呈現(xiàn)下降趨勢。以20 km、14 km,14 km、8 km兩組能見度點為例進行比較,能見度從20 km下降到14 km,中波、長波、0.850 μm、可見光波段大氣透過率分別下降了36.7 %、39.0 %、95.5 %、90.9 %；能見度從14 km下降到8 km,中波、長波、0.850 μm、可見光波段大氣透過率分別下降了65.2 %、66.7 %、99.9 %、99.8 %。

(2)能見度低于22 km時,0.850 μm大氣透過率低于中波、長波紅外波段大氣透過率；能見度超過22 km后,0.850 μm大氣透過率開始迅速上升,能見度22 km～31 km時,0.850 μm大氣透過率高于長波紅外大氣透過率,低于中波紅外大氣透過率；能見度高于31 km時,0.850 μm大氣透過率開始超過中波紅外大氣透過率并迅速上升。表明能見度對0.850 μm大氣透過率影響顯著,但并未顯著影響中波、長波紅外波段大氣透過率。

(3)能見度低于28 km時,可見光波段大氣透過率低于中波、長波紅外波段大氣透過率；能見度超過28 km后,可見光波段大氣透過率開始迅速上升,能見度28 km～47 km時,可見光波段大氣透過率高于長波紅外大氣透過率,低于中波紅外大氣透過率；能見度高于47 km時,可見光波段大氣透過率開始超過中波紅外大氣透過率。表明能見度與可見光波段大氣透過率強相關(guān)。

(4)可見光波段大氣透過率始終低于0.850 μm大氣透過率,原因為可見光波段內(nèi)部分波長透過率較低,造成積分后的波段大氣透過率低于0.850 μm大氣透過率。

(5)當(dāng)能見度很高時(超過30 km),中波、長波波段大氣透過率趨于穩(wěn)定；以50 km、32 km兩個能見度點為例進行比較,中波紅外、長波波段大氣透過率分別下降了14.6 %、16.1 %,能見度的顯著變化并未造成大氣透過率的顯著變化,可見此時能見度對大氣透過率已經(jīng)基本不構(gòu)成影響。

3.3 路徑對大氣透過率的影響

圖5、圖6給出了目標(biāo)高度2 km,溫度25 ℃、濕度45 %、氣壓980 hPa,能見度分別在8 km、20 km條件下,不同大氣路徑條件下可見光、紅外波段的大氣透過率。

圖5 能見度8 km條件下不同大氣路徑透過率對比

圖6 能見度20 km條件下不同大氣路徑透過率對比

從圖中可以看出,能見度不變,隨著路徑長度的增加,中波、長波、可見光波段大氣透過率均呈下降趨勢。大氣路徑由50 km增加到60 km,能見度8 km條件下,中波、長波、可見光波段大氣透過率分別下降了47.7 %、60.0 %、66.7 %；能見度20 km條件下,中波、長波、可見光波段大氣透過率分別下降了32.0 %、48.2 %、53.5 %,說明大氣路徑對各波段大氣透過率的影響均很顯著,并且大氣路徑對可見光大氣透過率的影響大于對中波、長波紅外大氣透過率的影響,這與圖4的分析結(jié)果一致。

4 氣象條件對紅外熱像儀作用距離影響

通過對大氣透過率的計算及分析可以看出,不同氣象條件對紅外熱像儀作用距離影響存在較大差異:

(1)溫度對大氣透過率的影響較大,是影響紅外熱像儀作用距離的重要因素。在長波波段,溫度的變化會造成紅外熱像儀作用距離顯著變化,而在中波波段,溫度對紅外熱像儀作用距離影響較小,說明中波紅外熱像儀溫度適應(yīng)性較好。

(2)濕度也是影響紅外熱像儀作用距離重要因素。和溫度類似,在長波波段,濕度的變化會造成紅外熱像儀作用距離顯著變化,而在中波波段,濕度對紅外熱像儀作用距離影響較小,說明中波紅外熱像儀濕度適應(yīng)性也較好。

(3)大氣壓對大氣透過率的影響較小,說明常規(guī)大氣條件下,大氣壓不是影響紅外熱像儀作用距離的主要因素。

(4)能見度是影響紅外熱像儀作用距離的重要因素,比較中波、長波、可見光波段大氣透過率變化情況可以看出,能見度顯著降低,會造成人對目標(biāo)識別距離的顯著下降,但并不會造成紅外熱像儀作用距離顯著下降。尤其是能見度很高時,中波、長波波段大氣透過率變化趨于穩(wěn)定,此時能見度已不再是制約紅外熱像儀作用距離的主要因素。

(5)相同能見度條件下,大氣路徑對長波紅外熱像儀作用距離影響更顯著；不同能見度條件下,能見度越低,大氣路徑紅外熱像儀作用距離影響越顯著。

5 結(jié) 語

利用Lowtran大氣輻射傳輸軟件計算了溫度、濕度、大氣壓、能見度、大氣路徑等氣象條件對大氣透過率的影響,經(jīng)分析,溫度、濕度是影響紅外熱像儀作用距離的重要因素,相較于長波,中波紅外熱像儀適應(yīng)性更強,更適合在溫度、濕度變化大的氣象條件下工作；能見度對紅外熱像儀作用距離的影響顯而易見,但能見度顯著降低并不會造成紅外熱像儀作用距離顯著下降；大氣路徑也是影響紅外熱像儀作用距離的重要因素,大氣路徑變化對中波紅外熱像儀影響更小,說明中波紅外熱像儀適應(yīng)復(fù)雜氣象條件的能力優(yōu)于長波紅外熱像儀。本文僅在剝離紅外熱像儀狀態(tài)及參數(shù)、目標(biāo)背景紅外輻射特性等條件下,通過大氣透過率探討了氣象條件對紅外熱像儀作用距離的影響,實際應(yīng)用中,紅外熱像儀狀態(tài)、目標(biāo)背景紅外輻射特性也與氣象條件相關(guān),這些條件對紅外熱像儀作用距離的影響還需進一步深入研究。