基于区域实际大气的红外制导波段目标背景对比度变化特性数值计算

齐琳琳,吉　微,安　洁

(空军装备研究院航空气象防化研究所,北京　100085)



基于区域实际大气的红外制导波段目标背景对比度变化特性数值计算

齐琳琳,吉微,安洁

(空军装备研究院航空气象防化研究所,北京100085)

摘要:红外制导武器对目标的发现、识别和跟踪主要依据目标与背景的红外辐射特性及其对比特性, 目标背景对比特性研究是红外制导武器研制过程中的必要环节。依据目标背景对比度定义,采用基于既定区域实际观测大气数据构建大气参数廓线并嵌入成熟、通用的大气辐射传输模型计算的方式,探讨了红外波段实际大气目标背景对比度变化特征,及其与标准大气下的目标背景对比度差异。结果表明,影响目标背景对比度的主要因素为大气透过率,实际大气目标背景对比度与标准大气的存在一定偏差,偏差与季节和波段均有关,可直接影响到红外波段实际应用中的目标识别能力。

关键词:红外波段;实际大气;目标背景对比度

修回日期： 2015-11-02

吉微(1981-),女,硕士,工程师。

安洁(1979-),女,博士,工程师。

观察一定距离外的目标物是否清晰,是否能够从大气背景中被分辨出来,是研究目标背景对比度的目的。红外制导武器对目标的发现、识别和跟踪主要依据目标与背景的红外辐射特性及其对比特性,对其进行深入研究是红外制导武器研制过程中的必要环节[1-2]。目标与背景的红外辐射特性经过大气的传输最终到达红外导引头, 红外辐射信号在大气中传输受到大气的衰减,同时大气或太阳的辐射又会构成一定的背景辐射。随着红外侦察和红外制导技术的广泛应用,对红外波段目标背景对比度开展研究有助于最大限度分析利用战场气象环境确保武器作战性能的充分发挥。然而,基于实际大气条件下的红外目标背景对比度研究尚不多见。因此,探讨了红外波段实际大气目标背景对比度变化特征,及其与标准大气下的差异,对于有效掌握实际大气应用中的红外波段的目标识别能力,进而评估出实际大气环境对红外制导武器攻击效能的影响具有重要意义。

1目标背景对比度和辐射传输计算

目标背景对比度是目标可识别的判定标准之一。根据Purkinje效应可知,在观察物体时,视觉上起决定作用的是物体和背景的亮度差异,所以目标识别与探测的理论一般都是基于目标与背景的亮度对比展开的。目标背景对比度定义为

(1)

式中，Io是被观测的目标物的亮度;Ib是目标物背景亮度; Cob为目标背景对比度。如果Io为被观测的目标物的固有亮度, Ib为目标物所在处的背景亮度,则Cob为目标背景的固有对比度,用C0表示。

目标背景对比度与目标物形态、发光或反射特性、大气传输特性和人眼或仪器的接收特性等因素密切相关。其中,最复杂多变且影响最大的是大气特性[3],即目标与背景的红外辐射特性经过大气传输最终到达导引头过程中会受到大气中各种因素的影响而衰减。

目标物所发出的光和背景光(反射天空散射光、太阳光,人工光源发出的光或自身发光) 传输到观察者过程中会经历大气的消光作用(包括散射和吸收),以及受到太阳光、地面反射光、多次散射形成的天空散射光的影响。观察者实际接收到的目标和背景的亮度均为视亮度,一般可根据大气辐射传输方程求解得到。

假定观察者向上观察,如图1所示。

图1　辐射传输几何关系示意图

-μ(μ=cosθ)方向为向上传输,+μ方向为向下传输。大气层顶处的光学厚度τ=0,目标所在处τ=τt,地面处τ=τ0。观察者的天顶角为θ,太阳天顶角为θ0。观察者的方位角为φ,太阳方位角为φ0。

辐射传输方程的一般形式为

(2)

(3)

(4)

如果目标亮度为0,则C0=1。

由此可见,根据辐射传输方程推导出的目标背景对比度只与目标幅射亮度(简称O)和观测者所看到的背景辐射亮度(简称B)的比值L,以及观察路径的大气透过率T有关。

目前,采用离散纵标法(Discrete Ordinate Method——DOM) 的DISORT软件包是国内外广泛应用求解辐射传输方程稳定、精确的数值算法[4]。DISTORT软件包是Stamnes等1988年最早发展的[5-6],现已嵌套到MODTRAN大气辐射传输模型中[7],在目标背景对比度研究中广泛应用且准确度较高。其采用离散纵坐标法求解辐射传输方程,可求解垂直或非均匀、各向异性并含热源的平面平行介质中的辐射传输问题,波谱可覆盖紫外至微波波段。而对于MODTRAN辐射传输模型,已有研究结果表明[8-10],其可有效用于分析3μm-5μm 、8μm-12μm波段上的红外辐射特征和背景辐射、大气透过率,且较传统算法中用常数或者拟合函数来代替大气透过率的方法更可信,数值计算仿真结果也具有可行性。因此,本文基于其开展区域实际大气的红外制导波段目标背景对比度变化特性数值计算研究,是具有可信度的。

通常,利用辐射传输模型计算目标背景对比度时均作如下简化假设:

1)假设目标为黑体,即εt=1;

2)求解背景天空亮度时,只考虑大气对太阳辐射的散射以及大气本身的热辐射的影响。

目标取为绝对黑体,即目标亮度为0,这样做的目的是忽略目标对太阳、大气、地表的反射的影响,简化分析中影响因素,从而可以更好地针对大气条件对目标辐射亮度强弱及其识别影响开展研究。

2红外波段实际大气中目标背景对比度特征分析

考虑到本文作者早前已完成基于我国实际大气参数的辐射传输模型构建,并针对红外制导波段详细分析了实际大气状态下的透过率,及其与引入模型自带大气参数的计算误差[11]。故本文将在此基础上,着重分析实际大气状态下的目标背景对比度,以期进一步推进战场气象环境对武器作战性能的影响研究。

2.1年平均实际大气下的目标背景对比度

研究区域仍为南海及沿岸地区(108°E～120°E,15°N～25°N)。图2—4分别给出了采用该区域实际测站多年逐日00UTC探空数据得到的年平均大气压力、温度和湿度廓线及模型自带标准大气和中纬度冬季、夏季大气分布。

图2　00UTC实际大气及模型自带大气气压冬、夏季分布图

图3　00UTC实际大气及模型自带大气温度冬、夏季分布图

图4　00UTC实际大气及自带大气湿度冬、夏季分布图

可以看出,图2中实际大气与模型自带的大气气压廓线相差不大,但图3、4的温湿廓线还是存在较明显的差异。这说明实际大气的地域性、季节性均更强,简单地采用模型大气用于目标背景度计算会给结果可信度造成差异,必须开展实际大气条件变化对红外波段目标背景对比度的影响分析评估。为此,本文针对3μm-5μm和8μm-12μm开展了计算研究。

计算中不考虑云雨、气溶胶影响,地面有植被覆盖,目标物高度5km,考虑多次散射,气象能见距离23km,观察者天顶角θ=30°,太阳天顶角θ0=60°,观察者与太阳方位角差|φ-φ0|=60°。为了说明实际大气和模型自带大气对目标背景对比度计算的差异,图5给出了斜程路径传输各类大气条件下的目标背景对比度分布。

图5　五类大气条件下红外波段目标背景对比度分布图

由图可知,无论是实际夏、冬大气还是模式自带大气,对于3μm-5μm和8μm-12μm两个红外波段而言,均是夏季的目标背景对比度小于冬季的,且对相同季节两个波段的目标背景对比度而言,也始终是冬季3μm-5μm波段的小于8μm-12μm波段的,夏季则相反或相近。对比实际夏、冬大气与中纬度夏、冬大气可知,夏季实际大气与模式大气的两波段目标背景对比度绝对值分别相差0.07和0.15,而冬季均相差0.03左右。而夏、冬实际大气与标准大气下两波段的目标背景对比度均是夏季实际大气下的小于标准大气的,而冬季相反。其中3μm-5μm波段夏、冬大气与标准大气的目标背景对比度绝对值相差0.08和0.03,8μm-12μm波段则相差0.17和0.03,这说明目标背景对比度分析中如直接采用标准大气,会造成在夏季高估而冬季低估情况出现,且这种误差对于8μm-12μm波段夏季更为明显。

另外,为弄清目标背景对比度与透过率的相关性,图6给出了相应条件下斜程路径传输各类大气条件下的透过率分布。

图6　五类大气条件下红外波段大气透过率分布图

可以看出,透过率的分布特征和变化与相应波段、相应大气条件下目标背景对比度的基本一致。模式自带中纬度夏季大气3-5μm波段的平均透过率比冬季小0.11左右,而8μm-12μm波段则小0.24左右。而采用实际大气两波段的夏、冬季平均透过率分别相差0.06和0.11左右。而对比夏、冬季实际大气与模式大气的透过率可知,3-5μm波段夏、冬实际大气与模式大气透过率相差分别为0.08 、0.03,而8μm-12μm波段相差分别为0.17、0.04。可以看出同季节两个波段的平均透过率,均是冬季3μm-5μm波段的小于8μm-12μm波段的,夏季则相反或相近。另外,对比夏冬实际大气与标准大气下两波段透过率不难看出,尽管两波段均是夏季实际大气透过率小于标准大气的,而冬季实际大气透过率大于标准大气的,但这种差异在两波段透过率量值上还是有所不同的。其中,3μm-5μm波段夏冬大气透过率与标准大气的相差0.005和0.05,而8μm-12μm波段夏冬大气透过率与标准大气的相差0.02和0.07,由此可以说,透过率分析中如直接采用标准大气参数,会造成在夏季高估而冬季低估情况出现,且这种误差对于8μm-12μm波段更为明显。

上述分析表明,实际大气与模式自带大气透过率的计算偏差可以直接影响到目标背景对比度中,差异随不同波段和不同季节而不同。同时也反映出大气透过率是影响目标识别的主导因素,必须在计算中充分考虑不同季节、地域等实际大气的影响。

2.2月平均实际大气下的目标背景对比度

为进一步深入分析该区域实际大气条件下的红外波段的大气透过特性和目标背景对比度,本文还开展了月平均大气的影响研究。图7-9给出了该地区逐月实际大气温压湿廓线分析。不难看出,10km内气压随高度呈指数递减,递减情况与年平均气压从1012.76hPa降至287.08hPa的基本一致,且各月气压变化基本一致,即一定地域上的气压分布与年代月份基本无关。而各月温度分布趋势基本一致,也均随高度递减。但在4km以下各月气温分布还是存在一定差异,如1月逆温层最为突出,2-9月基本无逆温层存在。相比而言,各月湿度的分布虽然总体上也均是随高度递减,在2km-5km湿度垂直减率相对最大,但各月湿度曲线形态差异还是很大的,表现出十分明显的随月份、季节变化。最底层湿度最大可达90%(6-8月),最小也就70%(12月),而5km以上湿度最大可维持在30-60%(7月),最小也就5%-15%(2月)。这说明湿度受季节等的影响更加明显,地域性、时间性更强,计算大气透过率、目标背景对比度时忽视实际大气中的这些特点势必会造成计算误差。

图7　00UTC实际大气气压逐月平均分布图

图8　00UTC实际大气温度逐月平均分布图

图9　00UTC实际大气湿度逐月平均分布图

可以看出,无论是实际大气还是自带模式大气,对于冬夏季3μm-5μm和8μm-12μm两个红外波段而言,均是能见距离23km气溶胶条件下的平均透过率好。而相同能见距离气溶胶条件下,均是夏季的平均透过率比冬季的小。另外,相同能见距离气溶胶条件下,采用实际大气,夏季3μm-5μm的平均透过率比8μm-12μm波段的或略大或相近,而冬季则相反。采用模式大气,则是夏季3μm-5μm的平均透过率明显大于8μm-12μm的,而冬季两者则或是相近或是相反。再者,相同能见距离气溶胶条件下,两波段均是实际大气透过率好于模式大气,且8μm-12μm差异更为明显。由此可见,一方面能见距离是影响大气透过特性的关键因素,同类气溶胶不同能见距离情况下,大气透过特性存在明显差异。另一方面,相同能见距离气溶胶条件下,采用实际大气计算的红外透过率和用模型自带大气计算的结果有明显差异,且差异与波段、季节有很大关系。

采用上述同样计算条件,图10给出了斜程路径传输逐月实际大气和标准条件下的目标背景对比度分布。可以看出,两波段的目标背景对比度整体变化趋势均是随月份逐渐减小而后再逐渐增大,但各月中8-12μm的目标背景对比度均明显小于3-5μm的。其中,以夏季相对最小,最小值出现在6月,分别为0.64、0.36。而冬季最大,最大值均出现在1月,分别为0.79、0.77。对比各月大气湿度廓线分布不难看出,6月的目标背景度最小应该与该月湿度基本是全年最大有关。此外,相比标准大气的而言,两波段各月的目标背景对比度均明显偏小。其中,6月3μm-5μm的偏小0.19,而8μm-12μm的则偏小0.49。由此可见,在实际大气目标判识过程中,如始终以标准大气作为输入,冬季造成的误判影响相对还好些,但夏季的误判效果却很严重,尤其是目前精确制导中常用8μm-12μm波段,会对其目标识别造成严重误差。

图10　逐月实际大气与标准大气下红外波段

目标背景对比度分布图

同样,各月实际大气和标准大气透过率变化趋势与目标背景对比度的具有非常好的一致性(图11)。两波段各月T相比标准大气的均明显小了许多,且两波段大气透过率最大月、最小月与标准大气的差值也与目标背景对比度的基本一致,即3μm-5μm的6月和1月与标准大气透过率相差0.2、0.04,而8μm-12μm的相差则为0.51和0.08。这进一步说明大气透过率是影响目标判识的最根本因素,实际大气中由于各月大气状态参数的不同直接导致大气透过率的不同,这种差异必须在实际波段目标识别中加以重视。

图11　逐月实际大气与标准大气下红外波段

通过上述分析可以知道,红外波段大气透过率和目标背景对比度计算中采用模型自带大气计算可造成与实际情况存在较大差异,这种差异与月份、波段、区域等均有关,尤其是8μm-12μm红外波段的差异更是不容忽视。

3结束语

本文通过提取既定区域实际观测大气数据构建年、月平均大气参数廓线并嵌入成熟、通用的大气辐射传输模型中,探讨了红外波段实际大气目标背景对比度的变化特征及其与大气透过特性间的关系,并分析了用模型自带大气近似可能带来的差异。基于我国地理位置的复杂性决定了我国的大气条件千差万别,因此,红外导引头目标识别设计和使用中,如简单套用引进模型会给计算可信度造成不同层面的影响,故大气透过率和目标背景的准确计算必须考虑实际大气。本文计算方法和分析结果对于红外制导武器大气环境影响论证和试验训练分析评估等有重要参考意义,为精确制导武器红外波段目标识别实际大气应用奠定了数据分析基础。但也需要指出的是,本文结论是在忽略了大气中云、气溶胶等影响下得出的,因此后续还将持续深入开展相关影响的探索研究。

参考文献:

[1]韩玉阁, 宣益民. 大气传输特性对目标与背景红外辐射特性的影响[J]. 应用光学, 2002(6): 8-11.

[2]谢民勇, 沈卫东，等. 基于目标与背景红外辐射对比度的红外隐身效能研究[J]. 红外技术, 2011(2): 113-122.

[3]陈秀红,魏合理. 基于中国典型地区大气模式的红外透过率变化特征[J]. 激光与红外,2008,38(11):1090-1094.

[4]Chandrasekhar S. Radiative transfer[M]. New York: Dover, 1960.

[5]Stamens K, Tsay S C, Wiscombe W, et al. Numerically stable algorithmfor discrete-ordinate-method radiative transfer in multiple scattering and emitting layered media[J]. Appl Opt, 1988, 27(12): 2402-2509.

[6]Stamnes K, Tsay S C, Wiscombe W, et al. A general-purpose numerically stable computer code for discrete-ordinate-method radiative transfer in scattering and emitting layered media[R]. DISORT Report, 2000.

[7]Berk A., Bernstein L. S., Robertson D. C., MODTRAN: a moderate resolution model for LOWTRAN 7, Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom AFB, MA 01731-5000, 1989.

[8]马鹤,吴平，等. 基于MODTRAN的红外系统对巡航导弹探测距离的估算[J].红外, 2013(3): 26-31.

[9]陈秀红, 魏合理，等. 红外大气透过率的计算模式[J].红外与激光工程, 2011, 40(5):812-816.

[10]王艺然,徐青山，等. MODTRAN5中不同光谱分辨率带模式对计算大气吸收带背景辐射的影响[J].大气与环境光学学报, 2015(3): 205-215.

[11]齐琳琳,吉微，等. 大气对红外制导波段通过特性的影响分析[J].指挥控制与仿真, 2014(1): 61-65.

Characteristic of Target-background Contrast of Actual Atmospheric Infrared Band

QI Lin-lin, JI Wei, AN Jie

(Institute of Aeronautical Meteorology, Equipment Academy of Air Force, Beijing 100085， China)

Abstract:Along with the development of infrared technology and extensive application on military affairs, more and more attentions are focused on the study of infrared radiation transmission of target and background. Target-background contrast is one of the important parameter for detection and indentification of target. Using the area actual atmosphere on infrared atmospheric transmittance which is embeded in the common atmospheric radiative transfer model, the characteristics of target-background contrast of the infrared band are analyzed. On the basis of these, the differences between actual and standard atmosphere are also investigated. The results show that the atmospheric transmittance is the main influence factor for the target-background contrast. The actual atmosphere must be considered for the better estimations of the infrared atmosphere transmittance and target-background contrast. It is significant for the infrrared-guided weapons to improve the precision and the adaptation of environment.

Key words:infrared band; actual atmosphere; target-background contrast

作者简介：齐琳琳(1973-),女,辽宁沈阳人,博士,高级工程师,研究方向为军事气象保障。

收稿日期：2015-10-18

中图分类号:TN216；E917

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.01.025

文章编号：1673-3819(2016)01-0116-06