红外系统作用距离实时计算系统

赵 煜，吴 平，孙文芳

（南京航空航天大学 理学院，江苏 南京211100）

引言

红外系统在预警探测领域中的作用日益重要。当某一距离上所接收的目标辐射刚好能达到预期的使用效果时，则此距离即为红外系统的作用距离。影响红外系统作用距离的主要因素有大气的传输特性、探测系统的性能和目标的红外辐射特性等［1］。其中，红外辐射在传输过程中受大气环境和传输距离的影响很大［2－3］，因此大气透过率的计算成为红外系统作用距离计算的重要部分。一般来说大气透过率计算途径有2种：1）利用专业计算软件进行精确计算；2）利用经验公式进行粗略计算。专业计算软件计算精度较高但使用复杂，且难以在红外系统仿真软件中直接调用其计算结果，而经验公式无法描述复杂的大气情况［4］。文中将介绍通过利用 MODTRAN软件生成的不同波长的大气透过率，配合红外距离探测模型，建立红外探测距离计算系统，能够通过简洁的参数操作，实现了红外系统作用距离实时计算。

1 红外系统作用距离计算

红外系统的最大作用距离是评价红外探测系统的一项关键指标。红外辐射在大气传输过程中，因为大气分子的选择性吸收、气溶胶的散射、气象条件和海拔及天顶角等因素，使得大气透过率τ成为与波长、传输距离以及大气条件等因素有关的复杂参量，难以准确地用函数表示出来，且作用距离是其自身的隐函数，这使得计算过程存在很大困难［5－6］。采用光谱间隔等分法，可得到红外系统探测距离［7］：

式中：τλi（λi，R）为预估距离为R 时，波长为λi对应的大气透过率；A0为光学入瞳面积；At为目标在探测方向的有效投影面积；Lλt、Lλb分别为目标和背景的光谱辐射亮度；τ0为光学系统透过率，因为随波长变化很小，通常用常数表示；D＊（λ）为归一化探测度；Ad为探测元响应面积；Δf为测量电路的带宽；VS／Vn为红外系统的信噪比。

2 红外系统作用距离计算系统

如图1所示，整个系统按照红外系统作用距离的模型分成了5个部分：红外探测模块、探测目标模块、大气传输、模型计算部分、结果显示模块。

探测目标模块包括红外目标的温度、投影面积、背景温度等参数。红外探测模块主要包含红外探测系统各项性能指标参数。大气传输模块主要根据探测系统所处环境、探测路径等条件建立出相应的大气模型，从而得到不同波长在传输过程中的平均大气透过率。模型计算程序把获取的各项参数代入到（1）式中，按照逐次逼近的方法求出最优解。结果显示模块可以显示系统计算出的红外系统作用距离，并画出在此次探测路径下的波长－大气透过率图。

图1 红外系统作用距离计算系统构成Fig.1 Calculating system structure of operating distance for infrared system

3 大气传输模块

3.1 大气传输模块的组成

大气传输模块主要由MODTRAN软件、MODTRAN模型配置程序和大气透过率配置文件获取程序构成，如图2所示。

图2 大气传输模块Fig.2 Atmospheric transmission module

计算程序将环境参数及探测路径参数写入MODTRAN输入配置文件tape5中，并调用MODTRAN程序，MODTRAN软件计算并生成相应的大气透过率配置文件tape6，计算程序自动获取大气透过率配置文件中所需的参数信息。

3.2 大气模型参数的写入

MORTRAN计算不同环境的大气透过率，为用户参数选择留有写入接口，即写入配置文件tape5。tape5文件里的配置参数有大量和本系统不相关的选项，为了简捷输入，红外系统探测距离实时计算程序主要输入的配置参数有大气模型、探测方式、大气环境等，计算程序所需的参数如表1所示。

表1 MODTRAN输入配置文件tape5Table 1 MODTRAN configuration file tape5

大气模型参数配置完毕，调用MODTRAN目录中mod371.exe计算程序，计算结束会自动生成输出结果文件：tape6.txt。

3.3 大气透过率配置文件信息获取

MODTRAN软件可以计算出在一定的大气条件下，不同距离各波长的大气透过率，并生成输出结果文件。因为大气透过率本身就是距离R的函数，所以在计算红外系统作用距离时，首先需预设探测系统的作用距离为R，通过读取大气透过率配置文件中的预设距离R1及其所对应的波长和大气透过率值，代入后续计算模型才能计算出相应的作用距离R2［8－9］。当R1，R2误差在允许误差范围之内时，此时计算出的红外系统作用距离即系统最终显示的距离。

要获得所需的数据，首先需要定位查找出所需数据，将其按一定方式存放。主要流程如图3所示。

整个定位获取过程分为4个步骤：

1）程序开始，首先定位判断探测方式，因为水平探测和倾斜探测配置表头格式不同，因此定位方式不同。

2）定位获取相应探测方式下的探测预设距离。

3）定位获取相应预设距离下的波长及大气透过率。

4）定位判断预设距离是否获取完毕，如完毕，定位获取下一预设距离，即返回步骤2。

数据信息获取完毕后，数据存储结构见表2。

图3 核心定位程序流程图Fig.3 Flow chart of core positioning program

表2 提取出的预设距离、波长、大气透过率的存储结构Table 2 Storage structure of extracted preset distance，wavelength and atmospheric transmittance

利用表2所示的数据结构，可以方便程序调用，用于后续计算。

4 红外系统作用距离显示系统界面及功能

红外系统作用距离显示系统界面如图4所示。通过配置大气透过率（图5）、输入探测目标参数及探测系统参数，可以实时计算出红外系统作用距离。为了便捷输入、快速计算，系统预设了一些典型的参数供选取。为了直观地反映计算结果，系统可以显示大气透过率与波长的关系曲线，如图6、图7、图8所示。通过系统画出的大气透过率－波长图，可以清楚的看到不同预估距离下大气透过率随波长的变化。

图4 红外系统作用距离实时显示系统的主界面Fig.4 Main interface of real-time display system for operating distance of infrared system

图5 配置大气透过率界面Fig.5 Interface for atmospheric transmittance configuration

图6 显示当前计算大气透过率图界面Fig.6 Display interface for current atmospheric transmittance figure

通过此系统可以快速方便地计算出采用红外探测系统在不同视距高度水平探测目标的距离。图9为该系统计算的Catherine-GP热像仪在不同高度、不同地理位置的红外目标最大探测距离，其中探测方式为水平探测，目标投影面积为30m2，目标温度为308K。

图7 显示当前计算大气透过率中水分子透过率随波长的变化图Fig.7 Display interface for variation tendency chart of water molecular transmittance with wavelength

图8 显示当前计算大气透过率中臭氧透过率随波长的变化图Fig.8 Display interface for variation tendency chart of ozone transmittance with wavelength

图9 高纬度夏天、中纬度夏天，不同高度红外系统作用距离的变化趋势Fig.9 Variation trend chart of infrared system operating distance in summer in high latitudes and mid latitudes with different heights

通过图9可以清楚地看到红外系统作用距离随着探测高度增加不断变大，其中高度区域1km～3km范围内，探测距离变化明显。探测高度5km之上，探测距离变化很小。同样探测高度时，高纬度地区探测距离要大于低纬度地区的探测距离，这个差距在探测高度6km以上时，逐渐趋于0。

利用MODTRAN建立复杂的大气条件模型，配合作用距离计算系统，可以方便地绘制出一些极端条件下红外探测距离变化趋势图。图10是在不同降雨量条件下红外系统作用距离的变化趋势图。可以看出降雨对红外系统作用距离影响明显，但随着降雨强度的增大，红外系统作用距离的变化率是逐渐变小的。

10 红外系统作用距离随降雨强度的变化趋势图Fig.10 Variation trend chart of infrared system operating distance with rainfall intensity

4 结论

本文介绍的红外系统作用距离实时计算系统能够方便地配置、调用MODTRAN生成大气模型，解决了大气软件计算结果难以在红外仿真软件中调用的问题。比传统的方法更简便，快捷。通过系统计算结果可知水平探测时，探测高度的变化对于红外系统作用距离有比较明显的影响，其中在1km～3km探测高度范围内，探测距离变化尤为明显。降雨对于红外系统作用距离影响巨大。降雨强度为1mm／h时，红外系统作用距离衰减为无降雨时的50%。当降雨强度大于3mm／h时，作用距离趋于稳定。

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