艦船熱尾流海面和大氣傳輸紅外輻射特性分析

莊亞平，王建勛，左 超，肖涵琛，王作帥，耿 攀

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艦船熱尾流海面和大氣傳輸紅外輻射特性分析

莊亞平1，王建勛2，左 超2，肖涵琛2，王作帥2，耿 攀2

(1. 92942部隊，北京 100161；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

艦船熱尾流必須經歷海面輻射和大氣傳輸過程才能被紅外探測器發現。本文建立了海面紅外輻射產生和大氣紅外輻射傳輸數學模型，在海面紅外輻射產生中考慮了粗糙海面分布、風速和探測器觀測角度對海面紅外輻射的影響，在大氣紅外輻射傳輸中考慮了大氣分子吸收、大氣散射和氣象條件對大氣紅外輻射傳輸衰減特性的影響。通過對比分析，指出了影響紅外隱身效果的主要因素，為紅外隱身評估技術提供分析手段。

熱尾流 紅外輻射 海面分布 大氣傳輸 隱身評估

0 引言

紅外輻射場作為艦船物理場之一[1-3]，主要來自于艦船航行時熱排放形成的熱尾流。熱尾流在海面形成的溫度異常能夠被紅外探測器捕獲。

熱尾流從產生到被發現大致要經歷三個過程，即熱尾流產生過程、海面紅外輻射過程和大氣傳輸過程。熱尾流產生過程決定了熱尾流在海面形成的溫度場分布，海面紅外輻射過程和大氣傳輸過程則決定了最終反映到探測器處的紅外特征，研究海面紅外輻射和大氣傳輸過程對熱尾流紅外特性的影響，對熱尾流目標探測和識別有著非常重要的意義。

海面紅外輻射的產生由海面波浪分布決定，需要研究海面波浪分布對海面發射率的影響[4-7]。紅外輻射經過大氣傳輸時，大氣的吸收和散射等效應[8-11]會影響紅外探測器的成像。本文從這兩大方面入手，分別建立了海面紅外輻射產生數學模型和大氣紅外輻射傳輸數學模型，研究了海面風速和探測器觀測角度對海面紅外輻射特性的影響，在紅外大氣傳輸方面研究了大氣分子吸收、大氣散射效應和氣象條件衰減對大氣紅外輻射傳輸衰減特性的影響。

1 海面紅外輻射產生數學模型

海面對熱尾流紅外輻射特性的影響來自粗糙海面的紅外輻射和海面對天空背景紅外輻射反射的影響，以及探測器在其觀測方向會形成陰影。

圖1 單元波面示意圖

Cox和Munk給出的粗糙海面概率模型分布為：

波浪起伏會使探測器在觀測方向形成陰影，這部分能量是探測器接收不到的計算探測器接收的能量時要乘以一個遮擋系數，即

海面產生的紅外輻射亮度將表示為：

2 大氣紅外輻射傳輸數學模型

大氣紅外輻射需要考慮兩個方面，一是大氣輻射作為背景輻射會傳送至探測器，二是大氣對紅外輻射的衰減作用。最終到達探測器的輻射亮度為：

1）大氣的吸收

大氣中水蒸氣和CO2是對紅外輻射吸收作用最大的氣體分子，考慮其作用后的透過率可表示為：

以大氣溫度5℃、相對濕度 100%時海平面水平路徑上水蒸氣的吸收系數為基準，可得大氣透過率為：

CO2的光譜透射比只與輻射通過的距離有關, 而與氣象條件無關，其大氣透過率為：

式中：β對應水蒸汽和二氧化碳時分別取0.0654和0.19。

2）大氣的散射

大氣的散射衰減采用氣象能見度來描述，其經驗計算公式為:

3）氣象條件的衰減

氣象條件主要考慮雨和雪的影響。因雨、雪的尺寸通常比紅外輻射波長大很多，根據米氏理論，這樣的粒子產生非選擇散射，有：

3 影響分析

3.1 海面效應對熱尾流紅外輻射特性的影響

圖2 不同風速下紅外輻射隨觀測方向天頂角的變化規律

3.2 大氣紅外輻射透過率特性分析

1）大氣透過率與紅外輻射波長的關系

設空氣溫度為25 ℃，相對濕度為80%，大氣能見度為20 km，降雨強度為1 mm/h，降雪強度為0 mm/h，輻射傳播路徑為6 km，探測器方向傾斜仰角為30°，計算0.3～14 μm波段的大氣透過率如圖3所示。

圖3(a)顯示，在1.5、2、4 μm附近波段，以及8-14 μm波段，水蒸氣大氣透射率較高；圖3(b)顯示，除2.5、4 μm附近波段衰減明顯外，其他波段二氧化碳大氣投射率都較高；圖3(c)顯示，大氣散射衰減透射率隨波長增大而增大；圖3(d)顯示，雨天環境，大氣透射率下降明顯。綜合看來，大氣條件對紅外輻射衰減的影響排序為：氣象（下雪天氣>下雨天氣）>大氣吸收（水蒸氣吸收>二氧化碳吸收）>大氣散射。在8-14 μm波段，大氣的吸收和散射影響較小，所以機載平臺一般選擇8-14 μm波段進行探測。

2）8-14 μm大氣平均透過率與大氣條件和探測條件的關系

氣象條件包括溫度、相對濕度、大氣能見度、降雨強度和降雪強度，隨著空氣溫度的上升，大氣投射率呈下降趨勢；隨著空氣濕度的上升，大氣透過率也呈下降趨勢；隨著大氣能見度的上升，大氣的散射作用減弱，所以大氣透過率會呈下降趨勢；隨降雨量或降雪量的逐漸升高，大氣透過率下降迅速，降雪條件尤其明顯；大氣透過率隨探測距離的增加而下降，隨探測角的增加而上升。

圖3 紅外大氣透過率隨波長的變化規律

4 結論

海面的發射率隨著角度增加會降低，大氣條件按影響程度排序為：下雪天氣、下雨天氣、空氣溫度、空氣相對濕度、大氣能見度。從紅外隱身的角度講，艦船航行時應避開飛機的航行路線，在空氣溫度和相對濕度較高，大氣能見度較低或雨雪天氣條件下航行。

[1] 楊日杰, 蔣志忠, 陳建勇等. 航空搜潛研究綜述[J]. 海軍航空工程學院學報, 2010, 25(5): 552-558．

[2] 王建華, 趙浩淞. 機載紅外探潛系統綜述[J]. 激光與紅外, 2013, 43(6): 552-558．

[3] 江傳富, 楊坤濤, 王江安等. 機載紅外熱像探潛技術[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2006, 34(7): 90-92．

[4] 張曉懷, 陳翾, 楊立. 艦船熱尾流紅外特征分析與計算[J]. 激光與紅外, 2007, 37(10): 1054-1057．

[5] 邢強, 任海剛, 蘇明. 漫射海面的方向發射率研究[J]. 激光與紅外, 2006, 36(4): 278-281．

[6] 任海剛, 邢強, 陳漢平等. 紅外仿真中的海面輻射模型[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(5): 546-550．

[7] 婁樹理, 呂俊偉, 周曉東. 粗糙海面的紅外輻射計算[J]. 彈箭與制導學報, 2011, 31(4): 196-199．

[8] 毛峽, 董旭陽, 刁偉鶴. 巡航導彈紅外輻射及大氣衰減計算模型[J]. 北京航空航天大學學報, 2008, 34(8): 952-955(980)．

[9] 周國輝, 劉湘偉, 徐記偉. 一種計算紅外輻射大氣透過率的數學模型[J]. 紅外技術, 2008, 30(6): 331-334．

[10] 路遠, 凌永順. 紅外輻射大氣透射比的簡易計算[J]. 紅外技術, 2003, 25(5): 45-49(53)．

[11] 張亮, 趙鋒, 王雪松. 視線方向上飛機紅外特性及大氣衰減模型研究[J]. 紅外技術, 2011, 33(6): 367-371．

Analysis on Infrared Radiation Characteristics of Sea Surface and Atmospheric Propagation of Ship Thermal Wake

Zhuang Yaping1, Wang Jianxun2, Zuo Chao2, Xiao Hanchen2, Wang Zuoshuai2, Geng Pan2

(1. Unit 92942, Beijing 100161, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

TN219

A

1003-4862(2019)07-0001-04

2018-12-28

莊亞平（1963-），男，研究員。研究方向：艦船電氣和艦艇隱身領域研究。E-mail: perfect403@qq.com