氣象條件對紅外熱像儀作用距離影響分析

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,目前已被廣泛應用于偵察預警、精確制導,火力控制等諸多領域。紅外熱像儀作用距離是指在一定的大氣條件下,其對特定目標探測、識別和辨認的最遠距離,是評價紅外熱像儀性能的關鍵指標[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及諸多外在因素,如光學系統、探測器參數等內因,測試時目標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,最終導致紅外熱像儀對同一目標作用距離顯著變化。近年來,有關大氣透過率對紅外系統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、長波波段大氣傳輸的優劣,研究結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為紅外熱像儀光學系統口徑;D*為波段探測率;Jλ1～λ2為目標波段輻射強度;τa為波段內路徑大氣透過率;τ0為紅外熱像儀光學透過率;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,式(1)可表示為:

(2)

因此,c為常數。當紅外熱像儀工作狀態不變時,正常工作所需的最小信噪比Vs/Vn可視為固定值?？梢娫诩t外熱像儀參數及工作狀態固定的條件下,影響其作用距離的因素包括目標波段輻射強度Jλ1～λ2、路徑大氣透過率τa。目標波段輻射強度與目標類型、狀態、所處環境等相關,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。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、目標的相對位置相關,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系

圖2 大氣透過率隨濕度變化關系

圖3 大氣透過率隨大氣壓變化關系

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注度較高的氣象參數,下面重點分析能見度對大氣透過率的影響。氣象學上所說的能見度,實際上是反映大氣透明度的一個指標,其定義為具有正常視力的人在當時天氣條件下,能夠從背景(天空或地面)中識別出目標物的最遠距離。

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關系需要進一步分析。圖4給出了目標高度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。

(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)當能見度很高時(超過30 km),中波、長波波段大氣透過率趨于穩定；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基本不構成影響。

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性也較好。

(3)大氣壓對大氣透過率的影響較小,說明常規大氣條件下,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 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復雜氣象條件的能力優于長波紅外熱像儀。本文僅在剝離紅外熱像儀狀態及參數、目標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,實際應用中,紅外熱像儀狀態、目標背景紅外輻射特性也與氣象條件相關,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。