氣溶膠及能見度變化對標準大氣中遠紅外傳輸的影響分析

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標準大氣中遠紅外傳輸的影響分析

張 芳1,2，齊琳琳2，葛 杰3，王 舉1，吉 微2，黃 泓1

（1. 解放軍理工大學氣象海洋學院，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，山東 煙臺 264000）

紅外制導系統發現、識別和跟蹤目標主要依據背景、目標物輻射特性和對比特性信息。氣溶膠及其能見度變化是大氣環境中影響紅外輻射傳輸的主要因素之一。以標準大氣為例，開展了氣溶膠及其能見度變化對中、遠紅外光譜區間（3～5mm，8～12mm）大氣透過率和目標背景對比度的影響分析，重點分析了標準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中遠紅外傳輸特性的影響。結果顯示：大氣透過率對目標背景對比度的理論計算值有重要影響。在其他大氣條件既定情況下，氣溶膠及其能見度變化對兩波段的透過特性和目標識別效果影響明顯，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背景對比度差異較大，需要考慮氣溶膠的影響。在中遠紅外區間，3.4～4.2mm和9.5～12mm波段內的透過率和目標背景對比度平均值相對較大，變化振幅小，可作為武器使用理想波段加以選擇應用。

紅外傳輸；氣溶膠；能見度；大氣透過率；目標背景對比度

0 引言

紅外目標檢測憑借雷達目標探測系統不可替代的優勢，已經成為當今世界高技術領域熱門研究話題，逐漸引起各國高度重視[1]。紅外制導武器對目標的發現、識別和跟蹤主要依據目標與背景的紅外輻射特性及其對比特性，對目標與背景的紅外輻射特性及其對比特性的研究是紅外制導武器研制過程中的必要環節[2]。比如科索沃戰爭期間惡劣的氣象條件就使得美軍導彈的使用和作戰效能受到很大限制[3]。但是，紅外制導系統接收目標與背景的紅外輻射特性的過程非常復雜，接收效果與大氣狀態、景物特征、路徑等息息相關。因此一般都是使用輻射傳輸模型進行計算，目前應用最為廣泛的輻射傳輸計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，也會造成大氣傳輸中對比度的下降。王毅等[5-6]通過分析0.43～0.75mm可見光波段范圍內，不同能見度下的3種氣溶膠類型對目標對比度的影響，發現此波段內不同氣溶膠的分布特征不同。此外，還利用MODTRAN輻射傳輸模型，分別針對黑體、灰體以及不同發射率的目標，對目標背景對比度的影響作了分析，發現隨著目標物固有亮度的增加，目標背景對比度也會增加。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比度的光譜特征后，提出，2.0～2.4mm適合大氣外目標探測。劉偉超[8]分析了1.06mm制導波段下，大氣模式、氣溶膠類型以及降雨對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，認為能見度的變化對應了大氣透過特性的變化。

考慮到中、遠紅外光譜區間（3～5mm、8～12mm）是眾多光電武器系統的應用范圍，以標準大氣為例，利用MODTRAN大氣輻射模型，針對中遠紅外光譜區間開展了氣溶膠及其能見度變化對透過率和目標背景對比度的影響研究。重點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標準大氣中遠紅外光波傳輸的影響。分析了其對中、遠紅外光譜區間的影響譜分布特征。研究結果對于最大限度地掌握各類氣溶膠及不同能見度變化對中遠紅外光波傳輸的影響具有重要意義，對優化武器系統設計、提高武器系統環境適應性等，都是非常必要的[10]。

1 輻射傳輸模型及目標背景對比度計算

1.1 輻射傳輸模型簡介

MODTRAN輻射傳輸計算模型是由美國空軍研發的中分辨率計算程序，是近30年發展起來的一種國際公認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，將理論計算或實測資料輸入模型進行計算[12]。在MODTRAN模式中，認為以下公式計算值為氣象視距：

VIS＝—ln(0.02)/(ext＋ray) (1)

式中：VIS為氣象視距；ext為0.55mm波長處的消光系數；ray為瑞利散射消光系數，ray＝0.01159。但是饒瑞中等認為采用0.02的閾值計算出來的是標準大氣能見度[13]，故本文用能見度表示。

1.2 目標背景對比度計算

目標背景對比度是目標可識別的判定標準之一。根據Purkinje效應可知，對視覺來說，在觀察物體時，起決定作用的是物體和背景的亮度差異，所以目標識別與探測的理論一般都是基于目標與背景的亮度對比展開的[13]。對比度定義為[14]：

ob＝|(o—b)/b|(2)

式中：o是被觀測的目標的亮度；b是目標背景亮度；ob為目標背景對比度（以下簡稱對比度）。如果o為被觀測的目標物的固有亮度，b為目標物所在處的背景亮度，則ob為目標背景的固有對比度，用0表示。

假定觀察者向上觀察，如圖1所示。—（＝cos）方向為向上傳輸，＋方向為向下傳輸。大氣層頂處的光學厚度＝0，目標所在處＝t，地面處＝0。目標相對觀察者的天頂角為，太陽的天頂角為0；目標相對觀察者的方位角為，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。實際接收到的目標視亮度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為目標固有亮度；bˉ(t)為目標處向下的背景亮度，oe—D/和bˉ(t)e—D/代表固有亮度透過大氣時的衰減；òe—(￠—)/d￠代表觀察路徑上氣柱經衰減后本身的輻射。將式(4)、(5)代入式(2)可得：

如果目標為絕對黑體，則0為一常數，上式可簡化為：

由方程(8)可知，對比度只與背景幅亮度和觀測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。通常，利用輻射傳輸模型計算目標背景對比度時均作如下簡化假設：①目標為黑體，即t＝1；②求解背景天空亮度時，只考慮大氣對太陽輻射的散射以及大氣本身的熱輻射的影響。

目標取為絕對黑體，這樣做的目的是忽略目標對太陽、大氣、地表的反射的影響，簡化分析中影響因素，從而可以更好地針對大氣條件對目標識別影響開展研究。

2 同能見度不同氣溶膠類型的影響分析

以標準大氣為例，計算中不考慮云雨影響，地面為農田，目標物高度1km，考慮多次散射，氣團屬性都設定為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°，分子吸收計算采用模式默認的標準大氣分子濃度廓線，能見度為5km。典型氣溶膠分別考慮鄉村型，相對濕度為96%，風速為17m/s，24h平均風速為11m/s的海軍海洋型，風速設定為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背景對比度的波段總體變化特征，以及3～5mm、8～12mm光譜區間兩者隨波長變化的分布特征。

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大氣透過率和對比度的總體特征。橫坐標為4個氣溶膠類型，縱坐標為大氣透過率和目標背景對比度。其中，柱狀圖為對比度，折線圖為透過率。可以看到，4種氣溶膠類型下2個波段的透過率和對比度變化趨勢基本一致，且均是8～12mm的好于3～5mm。其中鄉村型的最大，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背景對比度差異很大，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背景對比度差異很大，必須對其加以考慮。

圖2 3～5mm和8～12mm同能見度下4種氣溶膠的透過率和對比度

由圖3可以看出，此波段內4類氣溶膠影響下的透過率隨波長變化趨勢與目標背景對比度的一致。另外，盡管4類氣溶膠影響下的透過率和對比度隨波長變化的量值上存在很大不同，但整體分布規律還是基本一致。其中，3.4～4.2mm波段內4類氣溶膠下的大氣透過率和對比度值均相對較大，最大的鄉村型的值分別穩定在0.86和0.34左右，而最小的沙漠型值也穩定在0.4和0.15左右，該波段較寬，大氣透過率和目標背景對比度起伏變化相對較小，因此可以作為紅外波段目標識別的最佳波段之一。相比而言，其他波段處大氣透過率和目標背景對比度的值起伏較大，特別在4.2～4.4mm的水汽吸收波段內，無論是透過率還是對比度均基本為0，不適用于目標選擇。對于3～3.4mm和4.4～5mm波段，雖然透過率和對比度分別也可達到0.83和0.56，但起伏變化大，峰值波段范圍較窄，且峰值附近波動幅度也較為劇烈，因此也不是目標識別理想波段。

圖3 相同能見度不同氣溶膠類型下的目標背景對比度和透過率隨波長分布

對于8～12mm波段范圍內透過率和對比度隨波長的變化可以看出，9～12mm波段內兩者變化趨勢有一定差異，這說明此波段內對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，該波段內鄉村型氣溶膠的透過率和對比度相對最好，城市型的次之，之后是海軍海洋型，沙漠型的相對最差。相比而言，整個波段內透過率和目標背景對比度始終大于0且其值相對3～5mm較大，由此可以說，8～12mm的確是制導武器紅外波段目標識別的最佳波段之一，這與該波段是熱成像技術最常用的譜段范圍相一致。綜合4類氣溶膠的透過率和對比度來看，主要是以9.5～12mm波段內兩者值相對較大，起伏波動小，最大值分別穩定在0.85和0.42左右，更適合作為目標識別波段使用。

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標準大氣中遠紅外光波傳輸的影響分析基礎上，為進一步探討氣溶膠及其能見度變化對標準大氣中遠紅外光波傳輸的影響，文中又以鄉村型氣溶膠為例，在其他計算條件不變情況下，同樣針對3～5mm和8～12mm波段，分別分析1、2、3、5和10km能見距離下的標準大氣透過率和對比度特征。

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比度的總體特征，橫坐標為5個不同能見度，縱坐標為透過率和目標背景對比度；柱狀圖為透過率，折線圖為對比度。首先，從整體可以看到，8～12mm的大氣透過率和目標背景對比度值總是大于3～5mm的值。其次，當能見度從1～10km變化時，透過率和對比度則在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，對比度越高，而且透過率和對比度之間表現出一定的線性對應關系；最后，能見度從1km變化到2km時，透過率和對比度分別變化了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，在低能見度時透過率和對比度對能見度的反應更敏感。

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識別的重要條件，這也解釋了為什么保障中能見度決定了制導武器能否應用。兩波段均是隨著能見度的逐漸轉好，透過率和目標背景對比度也逐漸變強，越來越利于目標識別。同條件下8～12mm波段的識別能力優于3～5mm波段的。

圖4 3～5 mm和8～12 mm鄉村型氣溶膠不同能見度的透過率和對比度

圖5是3～5mm和8～12mm兩個波段5個不同能見度下的大氣透過率和對比度的分布特征。能見度為10km時，3.4～4.2mm以及8.5～12mm波段的大氣透過率值穩定在0.92和0.89附近，對比度的值穩定在0.34和0.44左右；其余波段的值分別低于這兩個波段，而且振幅較大。這兩個波段內透過率和對比度的值相對較大，變化幅度較小，波段范圍較寬，可作為理想波段用于目標識別。最后，由不同能見度對應的透過率和對比度的波長分布也可以看到，能見度越大，透過率越大，對比度也越大。

綜上所述，標準大氣條件下，目標背景對比度主要受透過率影響。由于在3.4～4.2mm、9.5～12mm波段內的透過率和對比度平均值相對大，且波段范圍較寬，因此可為理想波段用于目標識別，但應用時必須考慮綜合考慮能見度和氣溶膠類型的影響。

4 結論

以標準大氣為例，利用輻射傳輸模型MODTRAN 4計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標準大氣中遠紅外光波傳輸的影響。分析計算相同能見度4種典型氣溶膠類型的透過率和對比度的總體特征后發現，相同能見度下不同氣溶膠的透過率和對比度存在很大差異，說明氣溶膠類型對透過率和對比度影響很大，在目標識別時須加以考慮。分析不同能見度下鄉村型氣溶膠的透過率和對比度的總體特征后發現，能見度反映了大氣中遠紅外的透過特性和目標背景對比度情況，即大氣能見度越大，大氣透過特性越好，對比度越高；而且在低能見度時透過率和對比度對能見度的反應更敏感。分析兩種情形中透過率和對比度隨波長的分布后發現，3.4～4.2mm、9.5～12mm波段內的透過率和目標背景對比度平均值都相對大，可為理想波段加以選擇應用。且8～12mm波段的大氣透過特性和目標識別效果都比3～5mm波段好。氣溶膠類型和能見度變化不改變兩個波段的對比度和透過率的分布結構。最后，綜合能見度和氣溶膠影響，在目標識別的應用中，推薦使用3.4～4.2mm波段和9.5～12mm波段。

圖5 鄉村型氣溶膠不同能見度的大氣透過率和目標背景對比度隨波長分布

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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，主要從事大氣對光電系統作用距離影響的數值計算研究。

齊琳琳（1973-），女，高工，博士，主要從事軍事氣象水文保障。