云雨天氣情況下紅外探測系統(tǒng)應(yīng)用策略研究

李志偉

(空軍工程大學(xué)航空機務(wù)士官學(xué)校,河南 信陽 464000)

1 引 言

隨著紅外技術(shù)的迅速發(fā)展,用于目標(biāo)成像與探測識別的紅外系統(tǒng)在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。由于紅外系統(tǒng)采集的信號來自于目標(biāo)發(fā)出的紅外光,而紅外光在大氣傳輸過程中,受大氣分子組成、大氣結(jié)構(gòu),以及云、霧、雨、雪等復(fù)雜氣象環(huán)境的影響[1-2],能量將產(chǎn)生衰減,導(dǎo)致一定距離范圍內(nèi)紅外透過率的降低[3],從而影響紅外系統(tǒng)對目標(biāo)的成像及探測識別效果[4]。正常大氣環(huán)境下,其主要影響因素有大氣分子、氣溶膠等,而在云雨天氣,除了這些因素之外,還有云層類型、云層厚度、大氣能見度、降雨強度等[5]。針對不同氣象環(huán)境對紅外輻射影響的理論研究,已有相關(guān)的研究文獻(xiàn)[6-7]。然而在特定的氣象環(huán)境下,如何采取相應(yīng)的策略方法,提高目標(biāo)探測識別效果,是本課題研究的重點,這在工程上不但具有普遍意義,而且具有重要的軍事價值。

由于氣象環(huán)境對紅外系統(tǒng)的影響比較復(fù)雜,本文主要針對云雨天氣情況下8～14 μm紅外系統(tǒng)的應(yīng)用問題,通過模擬仿真、實驗測試等方法,研究該波段紅外透過率的分布規(guī)律,提出了有效提高紅外探測系統(tǒng)成像及識別效果的應(yīng)用策略。

2 模擬環(huán)境的構(gòu)建

2.1 模擬仿真軟件

大氣環(huán)境對紅外系統(tǒng)的影響比較復(fù)雜,很難用統(tǒng)一的模式進(jìn)行研究。然而不管是哪種氣象環(huán)境,其對紅外系統(tǒng)目標(biāo)探測效果的影響,歸根結(jié)底都是對紅外大氣透過率的影響。因此建立一定的大氣模擬環(huán)境,通過對紅外透過率的分析研究,是問題解決的有效途徑之一。

對于紅外透過率的計算和分析,目前常用的方法是通過模擬仿真來進(jìn)行,主要應(yīng)用軟件有LOWTRAN、MODTRAN、FASCODE、PcModWin等[8],其中PcModWin是一款基于Windows的比較成熟的軟件,它可以直接采用MODTRAN提供的大氣代碼,或通過用戶界面設(shè)置不同的氣象條件、地理位置、傳輸距離等,計算從微波到可見光波段任意大氣路徑上的光譜透過率或輻射率。本研究采用PCModWin 3.7大氣仿真軟件進(jìn)行模擬實驗。

2.2 主要參數(shù)設(shè)置

由于不同的地理位置、季節(jié)、大氣路徑等都對紅外光的傳輸具有一定的影響,因此在應(yīng)用PCModWin大氣仿真軟件時要設(shè)置正確的參數(shù)。自然環(huán)境下的實驗測試地點位于河南省信陽市(東經(jīng)114°01′～114°06′,北緯31°46′～31°52′)五星鄉(xiāng)(海拔高度為68 m),為了便于比對分析,仿真系統(tǒng)仍然以該地理位置為參照點,進(jìn)行相應(yīng)的模擬參數(shù)設(shè)置。

目前,不論是軍用還是民用,用于地面或低空目標(biāo)紅外成像與識別的工作波段通常在8～14 μm范圍內(nèi),因此系統(tǒng)仿真選取該波段進(jìn)行研究,同時,為便于分析比對,天頂角選取80 °和47 °二種,大氣能見度選取23 km和5 km二種。

3 晴朗大氣環(huán)境下紅外探測應(yīng)用分析

作為云雨天氣情況下仿真實驗分析的參考,首先需要了解分子組成相對穩(wěn)定的晴朗大氣環(huán)境下,不同探測方法對紅外透過率的影響。

3.1 仿真實驗

根據(jù)實驗所處的地理位置和研究目的,采用PCModWin軟件進(jìn)行仿真實驗時,設(shè)置的主要參數(shù)為:模式大氣選擇“中緯度冬天,北緯45 °,1月”；大氣路徑類型選擇“傾斜路徑”；氣溶膠模式采用“鄉(xiāng)村—能見度=23 km”；季節(jié)選擇“秋冬季節(jié)”；無云無雨,地面海拔高度設(shè)置為0.068 km,觀察者海拔高度設(shè)為0.1 km,紅外波段范圍設(shè)置為8～14 μm,天頂角設(shè)置為80 °,當(dāng)觀察者與目標(biāo)之間的幾何距離分別設(shè)置為6 km、5 km、3 km、2 km、1 km、0.5 km時,根據(jù)仿真實驗結(jié)果,相應(yīng)距離范圍內(nèi)紅外透過率的分布曲線如圖1所示。

圖1 晴朗大氣環(huán)境下不同距離范圍內(nèi) 8～14 μm紅外透過率分布曲線 (信陽秋冬季節(jié),能見度23 km,天頂角80 °)

圖1中,縱坐標(biāo)為紅外透過率,橫坐標(biāo)下部標(biāo)識為波長(單位:μm),上部標(biāo)識為相應(yīng)的波數(shù)(Wave Number)。

按照同樣的仿真實驗方法,對于同樣距離范圍內(nèi)的目標(biāo),分別測試能見度為23 km、5 km,天頂角為80 °、47 °時8～14 μm紅外透過率分布曲線,并對其峰值進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。

表1 晴朗大氣環(huán)境下不同距離范圍內(nèi)8～14 μm紅外透過率峰值統(tǒng)計表

3.2 應(yīng)用測試

為了進(jìn)一步分析比對,在上述仿真實驗選取的同一地理位置,采用8～14 μm波段的紅外相機(型號:Tau)對同一目標(biāo)景物,在能見度較好的二種天氣情況下進(jìn)行了現(xiàn)場拍攝,圖2和圖3分別是2016年2月25日15時12分(晴天,能見度好)和2016年3月8日9時00分(大雨后陰天,微風(fēng),能見度好)拍攝的0.05～1 km處的目標(biāo)紅外圖像。

圖2 晴天0.05～1 km處的目標(biāo)紅外圖像

3.3 實驗分析

分析表1中的峰值數(shù)據(jù)可以看出,在晴朗大氣環(huán)境下,影響8～14 μm波段紅外透過率的主要因素有:觀察目標(biāo)的天頂角、大氣能見度、目標(biāo)距離等。

圖3 大雨后陰天0.05～1 km處的目標(biāo)紅外圖像

(1)天頂角的影響

對于同樣能見度(如VS=23 km)的天氣條件,觀察同一距離范圍內(nèi)的目標(biāo),在較大天頂角方向上的紅外透過率相對較小,也就是說,天頂角越大,紅外透過率越小,但這種差別在能見度較好的晴朗大氣中距離較近的范圍內(nèi)表現(xiàn)不是太明顯。由于在地表附近水平方向上,水蒸氣、氣溶膠等物質(zhì)的含量較高,對紅外光的吸收和散射作用相對較強,而在垂直方向上大氣中微粒的含量隨著高度的增加而減少,對紅外光的吸收和散射作用也逐漸減小,該實驗結(jié)果與晴朗大氣分子分布對紅外傳播影響的規(guī)律完全相符。

(2)能見度的影響

對于同樣的天頂角,在能見度分別為23 km和5 km的天氣情況下,比較相同距離范圍內(nèi)8～14 μm紅外輻射的透過率,可以看出,前者明顯高于后者,說明能見度越高,紅外透過率越高。當(dāng)能見度為23 km時,對于同樣為47 °的天頂角,在6 km和0.5 km的目標(biāo)距離范圍內(nèi),8～14 μm紅外透過率的峰值分別可達(dá)93%和98%,而且從相應(yīng)的曲線圖中也可以看出,大部分波段的紅外透過率也都可以達(dá)到90%和95%以上,觀察同樣能見度下拍攝的實物圖像(如圖2所示),拍攝效果非常理想。

觀察雨后拍攝的圖像,如圖3所示,盡管拍攝環(huán)境是陰天,能見度不及晴天,但由于大雨過后空氣中氣溶膠等雜質(zhì)的含量較少,空氣質(zhì)量較好,且地表附近沒有云層,因此拍攝圖像的效果也比較理想。但仔細(xì)比較這兩幅圖像就會發(fā)現(xiàn),對于同樣的目標(biāo),由于陰天相對于晴天來說能見度仍然偏低,因此圖3拍攝的遠(yuǎn)方目標(biāo)圖像就顯得有些模糊,與表1中紅外透過率分布規(guī)律反映的結(jié)果完全一致。

(3)探測距離的影響

分析表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),不管是哪種情況,紅外透過率幾乎都與目標(biāo)距離成線性關(guān)系。說明在同樣氣象環(huán)境下,距離越近,紅外透過率越高,紅外探測系統(tǒng)對目標(biāo)的探測效果就越好。

4 云雨天氣紅外探測應(yīng)用分析

4.1 仿真實驗

仍然采用上述仿真實驗方法,氣溶膠模式采用“鄉(xiāng)下—能見度=5 km”,季節(jié)選擇“春夏”,天氣狀況為降雨量每小時5 mm的小雨、亂云天氣。設(shè)觀察者位置高度仍為海拔0.1 km,目標(biāo)與觀察者之間的幾何距離為6 km,天頂角為80 °,測試紅外波段范圍為8～14 μm,通過模擬仿真軟件計算紅外透過率,在圖像中無分布曲線出現(xiàn),說明該條件下紅外系統(tǒng)探測不到目標(biāo)信號。

逐漸縮短探測距離,當(dāng)達(dá)到0.5 km時才發(fā)現(xiàn)有微弱的紅外信號出現(xiàn)。分別設(shè)定目標(biāo)距離為0.5 km、0.3 km、0.1 km、0.05 km,則其相應(yīng)紅外透過率分布曲線如圖4所示。

圖4 云雨天氣環(huán)境下不同距離范圍 內(nèi)8～14 μm紅外透過率分布曲線 (信陽春夏季節(jié),能見度5 km,天頂角80 °,5mm/h小雨、亂云)

按照同樣的方法進(jìn)行仿真實驗,對于同樣距離范圍內(nèi)的目標(biāo),分別設(shè)定能見度為23 km、5 km,天頂角為80 °、47 °,測試不同降雨量和云層類型條件下8～14 μm紅外透過率分布曲線,并對其峰值進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表2所示。

4.2 應(yīng)用測試

圖5和圖6是在與仿真實驗設(shè)定的地理參數(shù)相同的河南信陽拍攝的兩幅紅外圖像,時間及條件分別是:2016年9月28日9時15分,小雨、薄層積云；2016年4月5日15時19分,大雨、厚層亂云。仍然采用8～14 μm波段的Tau型紅外相機,目標(biāo)距離約0.05～1 km。

表2 云雨天氣環(huán)境下不同距離范圍內(nèi)8～14 μm紅外透過率峰值統(tǒng)計表

圖5 小雨、薄積云天氣情況下 0.05～1 km處的目標(biāo)紅外圖像

圖6 大雨、厚層亂云天氣情況下0.05～1 km處的 目標(biāo)紅外圖像

4.3 實驗分析

根據(jù)上述仿真與測試實驗,并對表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)在云雨天氣情況下,影響8～14 μm紅外透過率的因素主要有天頂角、大氣能見度、降雨強度和云層類型等。

(1)天頂角的影響

對于同樣能見度為5 km,降雨量為5 mm/h的小雨、亂云天氣,同樣距離范圍內(nèi),天頂角為80 °時的紅外透過率明顯高于天頂角為47 °時的紅外透過率,即水平方向上的紅外透過率高于垂直方向上的紅外透過率。這與晴朗大氣中水平、垂直方向紅外透過率的分布規(guī)律不相一致,說明在降雨天氣,雨水在垂直降落路徑上對紅外的吸收和散射作用比水平方向上的要強,雨水對紅外的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大氣中氣溶膠等其他粒子的影響。

(2)大氣能見度的影響

在天頂角為80 °,降雨量為25 mm/h的大雨、積云天氣情況下,同樣距離范圍內(nèi)23 km能見度和5 km能見度對紅外透過率的影響僅相差1%左右。通過對測試數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析,并與晴朗大氣環(huán)境下能見度對紅外透過率影響的規(guī)律進(jìn)行比較,可知在降雨天氣,隨著降雨量的增加,能見度對紅外透過率的影響越來越小。

進(jìn)一步實驗表明,在大到暴雨天氣情況下,大氣能見度對8～14 μm波段紅外透過率的影響已基本可以忽略。

(3)降雨強度的影響

對于同樣能見度為23 km的積云天氣,若天頂角為80 °,比較降雨量為25 mm/h大雨和75 mm/h暴雨時同樣距離范圍內(nèi)的紅外透過率,可以發(fā)現(xiàn)前者明顯高于后者。說明在其他條件相同的情況下,對于大到暴雨的天氣,降雨強度越大,紅外透過率越小。

實際上,在降雨天氣,降雨強度越大,水滴的直徑及大氣中水滴的密度就越大,其覆蓋的空間截面積就越大,對紅外光的吸收和散射作用就越明顯,勢必大大降低紅外光線的透過率。

(4)云層類型的影響

當(dāng)能見度為5 km、天頂角為80 °時,比較“2 mm/h毛毛細(xì)雨、層云”和“5 mm/h小雨、亂云”天氣情況下同樣距離范圍內(nèi)的紅外透過率,發(fā)現(xiàn)前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。二者降雨量雖有差別,但不是太大,都屬于小降雨量天氣,說明引起紅外透過率巨大差別的主要原因是云層類型,其中亂云影響較大,層云影響較小。

再對“5 mm/h小雨、亂云”和“25 mm/h大雨、積云”天氣情況下同樣距離范圍內(nèi)的紅外透過率進(jìn)行比較,如果按照降雨量對紅外透過率影響的規(guī)律,應(yīng)該是后者小于前者,然而事實卻相反,說明在降雨量較小的天氣,稀疏細(xì)小的雨滴對紅外透過率的影響已不是主要因素,而是云層類型。進(jìn)一步實驗證明,亂云影響較大,積云和層云影響較小。

從圖5和圖6拍攝的實況天氣目標(biāo)圖像也可以看出,降雨量越大、云層越厚,對目標(biāo)紅外探測的影響越嚴(yán)重,拍攝到的圖像越模糊,甚至無法對目標(biāo)進(jìn)行辨識,與仿真實驗結(jié)果一致。

由此可見,具有較小降雨量的層云天氣,對8～14 μm波段紅外透過率沒有太大影響,而云層較厚的亂云天氣,以及大到暴雨的天氣影響則比較嚴(yán)重。

5 結(jié) 論

根據(jù)研究結(jié)果,當(dāng)采用8～14 μm波段的紅外探測系統(tǒng)對地面或低空目標(biāo)成像與探測識別時,如下建議可作為云雨天氣情況下應(yīng)用策略的參考。

(1)探測角度的選擇

由于不同氣象環(huán)境下,不同方向的紅外透過率會出現(xiàn)一定的差異,因此建議根據(jù)氣象環(huán)境選擇合適的探測角度。晴朗天氣,垂直方向的紅外透過率相對較高,應(yīng)當(dāng)盡量選擇較小的天頂角；而云雨天氣,水平方向的紅外透過率相對較高,應(yīng)當(dāng)盡量選擇較大的天頂角。

(2)陰天或小雨天氣情況下的應(yīng)用

陰天或有較小降雨量的天氣,大氣能見度是影響紅外透過率的其中一個主要因素,且能見度越高,紅外透過率越高,反之越小。較低能見度將會嚴(yán)重影響紅外系統(tǒng)對目標(biāo)的成像與探測識別效果,此時應(yīng)當(dāng)盡量避免使用該波段的紅外系統(tǒng)。此外,這類天氣情況下,還應(yīng)當(dāng)考慮云層類型對紅外透過率的影響。

(3)強降雨天氣情況下的應(yīng)用

大到暴雨天氣,能見度對紅外透過率的影響相對較小,可以不予考慮,而降雨強度則是影響的主要因素,且降雨強度越大,紅外透過率越小,二者成反比關(guān)系,這種天氣情況下應(yīng)當(dāng)慎用或盡量不用該波段的紅外系統(tǒng)。

(4)不同云層類型情況下的應(yīng)用

一般天氣或具有較小降雨天氣情況下的層云,對紅外透過率的影響不是太大,而亂云則對該波段紅外透過率具有較大的影響,且云層越厚影響越大,此時應(yīng)當(dāng)慎用或不用該波段的紅外探測系統(tǒng)。

由于降雪天氣與降雨天氣對紅外系統(tǒng)的影響基本類似,因此上述策略同樣適用于降雪天氣情況下該波段紅外探測系統(tǒng)的應(yīng)用。

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