气溶胶及能见度变化对标准大气中远红外传输的影响分析

张 芳，齐琳琳，葛 杰，王 举，吉 微，黄 泓



气溶胶及能见度变化对标准大气中远红外传输的影响分析

张 芳1,2，齐琳琳2，葛 杰3，王 举1，吉 微2，黄 泓1

（1. 解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101；2. 空军装备研究院航空气象防化研究所，北京 100085；3. 71887部队，山东 烟台 264000）

红外制导系统发现、识别和跟踪目标主要依据背景、目标物辐射特性和对比特性信息。气溶胶及其能见度变化是大气环境中影响红外辐射传输的主要因素之一。以标准大气为例，开展了气溶胶及其能见度变化对中、远红外光谱区间（3～5mm，8～12mm）大气透过率和目标背景对比度的影响分析，重点分析了标准大气中相同能见度不同气溶胶类型及同气溶胶类型不同能见度对中远红外传输特性的影响。结果显示：大气透过率对目标背景对比度的理论计算值有重要影响。在其他大气条件既定情况下，气溶胶及其能见度变化对两波段的透过特性和目标识别效果影响明显，且以8～12mm波段的好于3～5mm的。同能见度不同气溶胶类型下的透过率和目标背景对比度差异较大，需要考虑气溶胶的影响。在中远红外区间，3.4～4.2mm和9.5～12mm波段内的透过率和目标背景对比度平均值相对较大，变化振幅小，可作为武器使用理想波段加以选择应用。

红外传输；气溶胶；能见度；大气透过率；目标背景对比度

0 引言

红外目标检测凭借雷达目标探测系统不可替代的优势，已经成为当今世界高技术领域热门研究话题，逐渐引起各国高度重视[1]。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，对目标与背景的红外辐射特性及其对比特性的研究是红外制导武器研制过程中的必要环节[2]。比如科索沃战争期间恶劣的气象条件就使得美军导弹的使用和作战效能受到很大限制[3]。但是，红外制导系统接收目标与背景的红外辐射特性的过程非常复杂，接收效果与大气状态、景物特征、路径等息息相关。因此一般都是使用辐射传输模型进行计算，目前应用最为广泛的辐射传输计算模型为中光谱分辨率的MODTRAN[4]。

大气气溶胶不仅可引起辐射传输能量的衰减，也会造成大气传输中对比度的下降。王毅等[5-6]通过分析0.43～0.75mm可见光波段范围内，不同能见度下的3种气溶胶类型对目标对比度的影响，发现此波段内不同气溶胶的分布特征不同。此外，还利用MODTRAN辐射传输模型，分别针对黑体、灰体以及不同发射率的目标，对目标背景对比度的影响作了分析，发现随着目标物固有亮度的增加，目标背景对比度也会增加。范伟等[7]以中纬度夏季大气为例，在分析了城市气溶胶的条件下的近红外透过率和对比度的光谱特征后，提出，2.0～2.4mm适合大气外目标探测。刘伟超[8]分析了1.06mm制导波段下，大气模式、气溶胶类型以及降雨对于大气透过率的影响。齐琳琳等[9]研究了不同气溶胶类型下的夏季大气透过特性后，认为能见度的变化对应了大气透过特性的变化。

考虑到中、远红外光谱区间（3～5mm、8～12mm）是众多光电武器系统的应用范围，以标准大气为例，利用MODTRAN大气辐射模型，针对中远红外光谱区间开展了气溶胶及其能见度变化对透过率和目标背景对比度的影响研究。重点探讨同能见距离不同气溶胶类型，以及同气溶胶类型不同能见距离对标准大气中远红外光波传输的影响。分析了其对中、远红外光谱区间的影响谱分布特征。研究结果对于最大限度地掌握各类气溶胶及不同能见度变化对中远红外光波传输的影响具有重要意义，对优化武器系统设计、提高武器系统环境适应性等，都是非常必要的[10]。

1 辐射传输模型及目标背景对比度计算

1.1 辐射传输模型简介

MODTRAN辐射传输计算模型是由美国空军研发的中分辨率计算程序，是近30年发展起来的一种国际公认的大气辐射传输模式[11]。模型中包括了温度、压力、密度廓线以及H2O(g)，O3，CH4，N2O等30多种气体混合比的6种参考模型大气，还提供了具有代表性的气溶胶，云雨等子模块，并且用户还可通过自定义接口，将理论计算或实测资料输入模型进行计算[12]。在MODTRAN模式中，认为以下公式计算值为气象视距：

VIS＝—ln(0.02)/(ext＋ray) (1)

式中：VIS为气象视距；ext为0.55mm波长处的消光系数；ray为瑞利散射消光系数，ray＝0.01159。但是饶瑞中等认为采用0.02的阈值计算出来的是标准大气能见度[13]，故本文用能见度表示。

1.2 目标背景对比度计算

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，对视觉来说，在观察物体时，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[13]。对比度定义为[14]：

ob＝|(o—b)/b|(2)

式中：o是被观测的目标的亮度；b是目标背景亮度；ob为目标背景对比度（以下简称对比度）。如果o为被观测的目标物的固有亮度，b为目标物所在处的背景亮度，则ob为目标背景的固有对比度，用0表示。

假定观察者向上观察，如图1所示。—（＝cos）方向为向上传输，＋方向为向下传输。大气层顶处的光学厚度＝0，目标所在处＝t，地面处＝0。目标相对观察者的天顶角为，太阳的天顶角为0；目标相对观察者的方位角为，太阳方位角为0。辐射传输方程的一般形式为[15-16]：

式中：是辐射亮度；是源函数。实际接收到的目标视亮度o*和背景视亮度b*由式(3)可得[15]：

o*＝oe—D/＋òe—(¢—)/d¢(4)

b*＝b¯(t)e—D/＋òe—(¢—)/d¢＝b¯(0) (5)

式中：D＝0—t；o为目标固有亮度；b¯(t)为目标处向下的背景亮度，oe—D/和b¯(t)e—D/代表固有亮度透过大气时的衰减；òe—(¢—)/d¢代表观察路径上气柱经衰减后本身的辐射。将式(4)、(5)代入式(2)可得：

如果目标为绝对黑体，则0为一常数，上式可简化为：

由方程(8)可知，对比度只与背景幅亮度和观测者所看到的背景辐亮度的比值，以及观察路径的透过率有关。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目标为黑体，即t＝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，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识别影响开展研究。

2 同能见度不同气溶胶类型的影响分析

以标准大气为例，计算中不考虑云雨影响，地面为农田，目标物高度1km，考虑多次散射，气团属性都设定为6，观察者天顶角＝30°，太阳天顶角0＝60°，观察者与太阳方位角差|－0|＝60°，分子吸收计算采用模式默认的标准大气分子浓度廓线，能见度为5km。典型气溶胶分别考虑乡村型，相对湿度为96%，风速为17m/s，24h平均风速为11m/s的海军海洋型，风速设定为25.7m/s的沙漠型以及城市型4类。分别讨论了大气透过率和目标背景对比度的波段总体变化特征，以及3～5mm、8～12mm光谱区间两者随波长变化的分布特征。

图2给出了同能见度4种典型气溶胶影响下的3～5mm和8～12mm大气透过率和对比度的总体特征。横坐标为4个气溶胶类型，纵坐标为大气透过率和目标背景对比度。其中，柱状图为对比度，折线图为透过率。可以看到，4种气溶胶类型下2个波段的透过率和对比度变化趋势基本一致，且均是8～12mm的好于3～5mm。其中乡村型的最大，分别为0.59（3～5mm）、0.63（8～12mm）和0.37（3～5mm）、0.46（8～12mm），城市型与之相近，海军海洋型的次之，沙漠型的最小，分别为0.27（3～5mm）、0.36（8～12mm）和0.13（3～5mm）和0.15（8～12mm）。由此可知，同能见度下4类气溶胶影响下的透过率和目标背景对比度差异很大，这说明由于成分的差异造成的同能见度下不同类气溶胶的大气透过特性和目标背景对比度差异很大，必须对其加以考虑。

图2 3～5mm和8～12mm同能见度下4种气溶胶的透过率和对比度

由图3可以看出，此波段内4类气溶胶影响下的透过率随波长变化趋势与目标背景对比度的一致。另外，尽管4类气溶胶影响下的透过率和对比度随波长变化的量值上存在很大不同，但整体分布规律还是基本一致。其中，3.4～4.2mm波段内4类气溶胶下的大气透过率和对比度值均相对较大，最大的乡村型的值分别稳定在0.86和0.34左右，而最小的沙漠型值也稳定在0.4和0.15左右，该波段较宽，大气透过率和目标背景对比度起伏变化相对较小，因此可以作为红外波段目标识别的最佳波段之一。相比而言，其他波段处大气透过率和目标背景对比度的值起伏较大，特别在4.2～4.4mm的水汽吸收波段内，无论是透过率还是对比度均基本为0，不适用于目标选择。对于3～3.4mm和4.4～5mm波段，虽然透过率和对比度分别也可达到0.83和0.56，但起伏变化大，峰值波段范围较窄，且峰值附近波动幅度也较为剧烈，因此也不是目标识别理想波段。

图3 相同能见度不同气溶胶类型下的目标背景对比度和透过率随波长分布

对于8～12mm波段范围内透过率和对比度随波长的变化可以看出，9～12mm波段内两者变化趋势有一定差异，这说明此波段内对比度的变化不仅仅取决于透过率，其他一些因素，如气溶胶的影响也不容忽视。此外，该波段内乡村型气溶胶的透过率和对比度相对最好，城市型的次之，之后是海军海洋型，沙漠型的相对最差。相比而言，整个波段内透过率和目标背景对比度始终大于0且其值相对3～5mm较大，由此可以说，8～12mm的确是制导武器红外波段目标识别的最佳波段之一，这与该波段是热成像技术最常用的谱段范围相一致。综合4类气溶胶的透过率和对比度来看，主要是以9.5～12mm波段内两者值相对较大，起伏波动小，最大值分别稳定在0.85和0.42左右，更适合作为目标识别波段使用。

3 同气溶胶不同能见度的影响分析

在分析了同能见度典型气溶胶对标准大气中远红外光波传输的影响分析基础上，为进一步探讨气溶胶及其能见度变化对标准大气中远红外光波传输的影响，文中又以乡村型气溶胶为例，在其他计算条件不变情况下，同样针对3～5mm和8～12mm波段，分别分析1、2、3、5和10km能见距离下的标准大气透过率和对比度特征。

图4为能见度VIS＝1，2，3，5，10km这5种情况下3～5mm和8～12mm波段的大气透过率和对比度的总体特征，横坐标为5个不同能见度，纵坐标为透过率和目标背景对比度；柱状图为透过率，折线图为对比度。首先，从整体可以看到，8～12mm的大气透过率和目标背景对比度值总是大于3～5mm的值。其次，当能见度从1～10km变化时，透过率和对比度则在0.41～0.62（3～5mm）、0.6～0.86（8～12mm）和0.21～0.41（3～5mm）、0.23～0.51（8～12mm）之间线性变化。即大气能见度越大，大气透过特性越好，对比度越高，而且透过率和对比度之间表现出一定的线性对应关系；最后，能见度从1km变化到2km时，透过率和对比度分别变化了0.1和0.07，比从2km变化到3km的变化的值大，也可以从折线图的斜率看出，在低能见度时透过率和对比度对能见度的反应更敏感。

由此可见，在其他大气影响一定情况下，能见度的确是影响目标识别的重要条件，这也解释了为什么保障中能见度决定了制导武器能否应用。两波段均是随着能见度的逐渐转好，透过率和目标背景对比度也逐渐变强，越来越利于目标识别。同条件下8～12mm波段的识别能力优于3～5mm波段的。

图4 3～5 mm和8～12 mm乡村型气溶胶不同能见度的透过率和对比度

图5是3～5mm和8～12mm两个波段5个不同能见度下的大气透过率和对比度的分布特征。能见度为10km时，3.4～4.2mm以及8.5～12mm波段的大气透过率值稳定在0.92和0.89附近，对比度的值稳定在0.34和0.44左右；其余波段的值分别低于这两个波段，而且振幅较大。这两个波段内透过率和对比度的值相对较大，变化幅度较小，波段范围较宽，可作为理想波段用于目标识别。最后，由不同能见度对应的透过率和对比度的波长分布也可以看到，能见度越大，透过率越大，对比度也越大。

综上所述，标准大气条件下，目标背景对比度主要受透过率影响。由于在3.4～4.2mm、9.5～12mm波段内的透过率和对比度平均值相对大，且波段范围较宽，因此可为理想波段用于目标识别，但应用时必须考虑综合考虑能见度和气溶胶类型的影响。

4 结论

以标准大气为例，利用辐射传输模型MODTRAN 4计算分析了相同能见度下不同气溶胶类型以及不同能见度对标准大气中远红外光波传输的影响。分析计算相同能见度4种典型气溶胶类型的透过率和对比度的总体特征后发现，相同能见度下不同气溶胶的透过率和对比度存在很大差异，说明气溶胶类型对透过率和对比度影响很大，在目标识别时须加以考虑。分析不同能见度下乡村型气溶胶的透过率和对比度的总体特征后发现，能见度反映了大气中远红外的透过特性和目标背景对比度情况，即大气能见度越大，大气透过特性越好，对比度越高；而且在低能见度时透过率和对比度对能见度的反应更敏感。分析两种情形中透过率和对比度随波长的分布后发现，3.4～4.2mm、9.5～12mm波段内的透过率和目标背景对比度平均值都相对大，可为理想波段加以选择应用。且8～12mm波段的大气透过特性和目标识别效果都比3～5mm波段好。气溶胶类型和能见度变化不改变两个波段的对比度和透过率的分布结构。最后，综合能见度和气溶胶影响，在目标识别的应用中，推荐使用3.4～4.2mm波段和9.5～12mm波段。

图5 乡村型气溶胶不同能见度的大气透过率和目标背景对比度随波长分布

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Effect of Typical-aerosol and Visibility on the Mid- and Far-Infrared Light-wave Transmission in the Standard Atmosphere

ZHANG Fang1,2，QI Linlin2，GE Jie3，WANG Ju1，JI Wei2，HUANG Hong1

(1.,211101,; 2.,100085,; 3.71887,264000,）

The infrared guided weapon is mainly based on the characteristics of the radiation and contrast about target and background to detect, recognize and track the target. The aerosol and visibility have great influence on infrared radiation in the atmosphere. The article analyzed the effect of aerosol and visibility on the mid and far infrared light-wave transmission in the standard atmosphere and mainly focused on the effect of aerosols within the same visibility and the same aerosol about different kinds of visibility on the mid and far-infrared (3-5mm, 8-12mm) light-wave transmission. The results show that the target-background contrast is mainly influenced by atmosphere transmittance. The types of aerosol and visibility contribute a lot to transmittance and target-background contrast under the standard atmosphere. And both of transmittance and contrast in the band of 8-12mm are always better than those in the band of 3-5mm. Also,transmittance and contrast have great difference in different aerosols within the same visibility. In the both 4 typical aerosols within the same visibility and the aerosol of rural about 5 kinds of visibility, the 3.4-4.2mm and 9.5-12mm bands are highly recommended in the target detection for their higher average value of transmittance and contrast.

infrared transmit，aerosols，visibility，atmosphere transmittance，target-background contrast

O432.1，P427.1

A

1001-8891(2016)12-1047-06

2016-03-07；

2016-05-03.

张芳（1992-），男，湖南益阳人，硕士，主要从事大气对光电系统作用距离影响的数值计算研究。

齐琳琳（1973-），女，高工，博士，主要从事军事气象水文保障。