舰船热尾流海面和大气传输红外辐射特性分析

2019-07-25庄亚平王建勋肖涵琛王作帅

船电技术 2019年7期

庄亚平，王建勋，左超，肖涵琛，王作帅，耿攀

庄亚平1，王建勋2，左超2，肖涵琛2，王作帅2，耿攀2

(1. 92942部队，北京 100161；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

舰船热尾流必须经历海面辐射和大气传输过程才能被红外探测器发现。本文建立了海面红外辐射产生和大气红外辐射传输数学模型，在海面红外辐射产生中考虑了粗糙海面分布、风速和探测器观测角度对海面红外辐射的影响，在大气红外辐射传输中考虑了大气分子吸收、大气散射和气象条件对大气红外辐射传输衰减特性的影响。通过对比分析，指出了影响红外隐身效果的主要因素，为红外隐身评估技术提供分析手段。

热尾流红外辐射海面分布大气传输隐身评估

0 引言

红外辐射场作为舰船物理场之一[1-3]，主要来自于舰船航行时热排放形成的热尾流。热尾流在海面形成的温度异常能够被红外探测器捕获。

热尾流从产生到被发现大致要经历三个过程，即热尾流产生过程、海面红外辐射过程和大气传输过程。热尾流产生过程决定了热尾流在海面形成的温度场分布，海面红外辐射过程和大气传输过程则决定了最终反映到探测器处的红外特征，研究海面红外辐射和大气传输过程对热尾流红外特性的影响，对热尾流目标探测和识别有着非常重要的意义。

海面红外辐射的产生由海面波浪分布决定，需要研究海面波浪分布对海面发射率的影响[4-7]。红外辐射经过大气传输时，大气的吸收和散射等效应[8-11]会影响红外探测器的成像。本文从这两大方面入手，分别建立了海面红外辐射产生数学模型和大气红外辐射传输数学模型，研究了海面风速和探测器观测角度对海面红外辐射特性的影响，在红外大气传输方面研究了大气分子吸收、大气散射效应和气象条件衰减对大气红外辐射传输衰减特性的影响。

1 海面红外辐射产生数学模型

海面对热尾流红外辐射特性的影响来自粗糙海面的红外辐射和海面对天空背景红外辐射反射的影响，以及探测器在其观测方向会形成阴影。

图1 单元波面示意图

Cox和Munk给出的粗糙海面概率模型分布为：

波浪起伏会使探测器在观测方向形成阴影，这部分能量是探测器接收不到的计算探测器接收的能量时要乘以一个遮挡系数，即

海面产生的红外辐射亮度将表示为：

2 大气红外辐射传输数学模型

大气红外辐射需要考虑两个方面，一是大气辐射作为背景辐射会传送至探测器，二是大气对红外辐射的衰减作用。最终到达探测器的辐射亮度为：

1）大气的吸收

大气中水蒸气和CO2是对红外辐射吸收作用最大的气体分子，考虑其作用后的透过率可表示为：

以大气温度5℃、相对湿度 100%时海平面水平路径上水蒸气的吸收系数为基准，可得大气透过率为：

CO2的光谱透射比只与辐射通过的距离有关, 而与气象条件无关，其大气透过率为：

式中：β对应水蒸汽和二氧化碳时分别取0.0654和0.19。

2）大气的散射

大气的散射衰减采用气象能见度来描述，其经验计算公式为:

3）气象条件的衰减

气象条件主要考虑雨和雪的影响。因雨、雪的尺寸通常比红外辐射波长大很多，根据米氏理论，这样的粒子产生非选择散射，有：

3 影响分析

3.1 海面效应对热尾流红外辐射特性的影响

图2 不同风速下红外辐射随观测方向天顶角的变化规律

3.2 大气红外辐射透过率特性分析

1）大气透过率与红外辐射波长的关系

设空气温度为25 ℃，相对湿度为80%，大气能见度为20 km，降雨强度为1 mm/h，降雪强度为0 mm/h，辐射传播路径为6 km，探测器方向倾斜仰角为30°，计算0.3～14 μm波段的大气透过率如图3所示。

图3(a)显示，在1.5、2、4 μm附近波段，以及8-14 μm波段，水蒸气大气透射率较高；图3(b)显示，除2.5、4 μm附近波段衰减明显外，其他波段二氧化碳大气投射率都较高；图3(c)显示，大气散射衰减透射率随波长增大而增大；图3(d)显示，雨天环境，大气透射率下降明显。综合看来，大气条件对红外辐射衰减的影响排序为：气象（下雪天气>下雨天气）>大气吸收（水蒸气吸收>二氧化碳吸收）>大气散射。在8-14 μm波段，大气的吸收和散射影响较小，所以机载平台一般选择8-14 μm波段进行探测。

2）8-14 μm大气平均透过率与大气条件和探测条件的关系

气象条件包括温度、相对湿度、大气能见度、降雨强度和降雪强度，随着空气温度的上升，大气投射率呈下降趋势；随着空气湿度的上升，大气透过率也呈下降趋势；随着大气能见度的上升，大气的散射作用减弱，所以大气透过率会呈下降趋势；随降雨量或降雪量的逐渐升高，大气透过率下降迅速，降雪条件尤其明显；大气透过率随探测距离的增加而下降，随探测角的增加而上升。