馮艷華, 岳 慧

(環(huán)境電磁特征國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200438)

0 引言

背景的紅外輻射特性研究涉及到海面、天空、太陽(yáng)等的輻射及反射輻射和散射輻射[1]。海天背景的特性和天空光傳輸是由大氣參數(shù)的垂直分布加以確定,可利用大氣傳輸模型M odtran軟件進(jìn)行計(jì)算。

海天背景紅外輻射特性數(shù)據(jù)[2,3],不僅是海上各種目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的關(guān)鍵[4],同時(shí)也是海上目標(biāo)進(jìn)行紅外隱身設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1 太陽(yáng)輻射特性

太陽(yáng)是最強(qiáng)的自然紅外輻射源。太陽(yáng)在地球大氣層外產(chǎn)生的總輻射照度為1 353 w/m2。利用黑體輻射的玻爾茲曼定理可以求出,此時(shí)太陽(yáng)等效的黑體輻射溫度約為5 900 K。太陽(yáng)的光譜從波長(zhǎng)為10 nm一直延伸到100 m的無(wú)線電波。在離太陽(yáng)平均日-地距離處,大氣層外測(cè)得太陽(yáng)的能量有99.9%是集中在(0.217～10.94)μm的波段,其中約有50%的能量約在紅外區(qū)域,40%的能量在可見光部分,9%的能量在紫外波段。隨著太陽(yáng)天頂距離的增加,到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能量的紅外輻射相對(duì)成分也增加。

利用M odtran計(jì)算了地理觀測(cè)位置(N 25,E120),觀測(cè)時(shí)間(8月1日),中午12:00晴天無(wú)云時(shí)在(3～5)μm和(8～12)μm兩個(gè)波段不同觀測(cè)高度、不同天頂角時(shí)太陽(yáng)光譜輻照度,如圖1和圖2所示。

圖1 地面太陽(yáng)光譜輻照度隨天頂角的變化(高度:0 km)

圖2 空中某高度處太陽(yáng)光譜輻照度隨天頂角的變化(高度:3 km)

由于大氣層內(nèi)接收到的太陽(yáng)輻照度是太陽(yáng)經(jīng)過(guò)大氣層的路徑衰減后的結(jié)果,觀測(cè)結(jié)果與衰減路徑緊密相關(guān)。如圖1和圖2所示,太陽(yáng)天頂角越大,其輻照度越小,而觀測(cè)高度越高,太陽(yáng)輻照度越大,但天頂角對(duì)太陽(yáng)輻照度的影響相對(duì)減弱。這是由于隨著太陽(yáng)天頂角的增大,陽(yáng)光所傳播的路徑變長(zhǎng),衰減越多,所接收的太陽(yáng)輻射也隨之減少;同理,觀測(cè)高度越高,太陽(yáng)輻射路徑越短,衰減越少,所接受的太陽(yáng)輻射也隨之越多,而氣溶膠大都分布在3 km以下的大氣層內(nèi),隨著觀測(cè)高度的增大,斜程路徑引起的衰減減弱,使得天頂角對(duì)太陽(yáng)輻照度的影響也隨之減弱。另外,由于太陽(yáng)輻射為短波輻射,其輻射主要能量集中于可見光和近紅外波段,正如圖1和圖2所示,無(wú)論在地面還是在空中某高度觀測(cè),陽(yáng)光在(3～5)μm波段的輻照度值都比其在(8～12)μm波段的值大,且相差兩個(gè)量級(jí)左右。

2 天空背景輻射特性

天空大氣輻射可分為晴天和有云兩種情況,晴天無(wú)云時(shí),天空的紅外輻射由散射的太陽(yáng)光和大氣熱輻射組合;有云時(shí),要考慮云對(duì)太陽(yáng)的散射和云自身的輻射。

理論和實(shí)驗(yàn)表明:

a)對(duì)太陽(yáng)光的散射和大氣熱輻射在光譜分布上是不同的,在 3μm以下,以散射太陽(yáng)光為主;

圖3 天空背景光譜輻射亮度隨天頂角的變化(高度:0 km)

b)在5μm以上,以大氣熱輻射為主;

c)在(3～5)μm之間,天空的紅外輻射最小。

夜間,因不存在散射的太陽(yáng)光,天空的紅外輻射為大氣的熱輻射,此時(shí)的天空大氣輻射取決于大氣的發(fā)射率和大氣溫度,而大氣的發(fā)射率取決于水蒸氣、二氧化碳和臭氧的含量,如在潮濕的海面環(huán)境,其發(fā)射率較高。本文只考慮晴天無(wú)云的情況。

如圖3和圖4用M odtran軟件計(jì)算了觀測(cè)位置(N25,E120),觀測(cè)時(shí)間為8月1日中午12:00晴天無(wú)云時(shí)在(3～5)μm和(8～12)μm兩個(gè)波段天空背景輻射亮度。

圖4 天空背景光譜輻射亮度隨天頂角的變化(高度:3 km)

如圖3和圖4所示,天空背景輻射亮度隨觀測(cè)高度和觀測(cè)天頂角的增大稍有減小。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,在文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中,通常利用觀測(cè)天頂角為 45°的背景輻射來(lái)代替平均天空背景輻射,即

3 海背景輻射特性

海面總的紅外輻射由海面自身紅外輻射和海面對(duì)太陽(yáng)、天空紅外輻射的反射等共同組成的:

a)在(8～12)μm波段中,天空大氣輻射比太陽(yáng)輻射大一個(gè)量級(jí),因此在計(jì)算中主要考慮天空大氣輻射的影響,太陽(yáng)輻射的影響可以忽略不計(jì);

圖5 海面背景光譜輻射亮度隨天頂角的變化(高度:0 km)

b)在(3～5)μm波段,太陽(yáng)紅外輻射比天空大氣輻射要大1～2個(gè)量級(jí),其影響不可忽略。

另外,海面紅外輻射還受風(fēng)速、空氣濕度、地球溫度等氣象因素的影響。

圖5和圖6用M odtran軟件計(jì)算了觀測(cè)位置(N25,E120),觀測(cè)時(shí)間為8月1日中午12:00晴天無(wú)云時(shí)在(3～5)μm和(8～12)μm兩個(gè)波段海面背景輻射亮度。

由圖可知,在(3～5)μm 和(8～12)μm 波段,在海面反射的環(huán)境輻射中,太陽(yáng)輻射不可忽略。

圖6 海面背景光譜輻射亮度隨天頂角的變化(高度:3 km)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要利用M odtran軟件對(duì)太陽(yáng)光譜輻射、天空背景輻射、海背景輻射進(jìn)行了計(jì)算。從計(jì)算中可以看出,太陽(yáng)天頂角越大,其輻照度越小,而觀測(cè)高度越高,太陽(yáng)輻照度越大,但天頂角對(duì)太陽(yáng)輻照度的影響相對(duì)減弱,陽(yáng)光在(3～5)μm波段的輻照度值都比其在(8～12)μm波段的值大,且相差兩個(gè)量級(jí)左右;天空背景輻射亮度隨觀測(cè)高度和觀測(cè)天頂角的增大稍有減小,但變化都不大,通常利用觀測(cè)天頂角為45°的背景輻射來(lái)代替平均天空背景輻射;在海面反射的環(huán)境輻射中,太陽(yáng)輻射不可忽略。通過(guò)研究,為紅外制導(dǎo)武器提供了數(shù)據(jù)支撐。

[1] 姚連興,仇維禮,王福恒.目標(biāo)和環(huán)境的光學(xué)特性[M].北京:宇航出版社,1995:15-58.

[2] P.A.Jacobs.Therma l Infrared Charac terization of G round Target and Backgrounds[M].Bellingham,W ashington, USA, EPIE Op tics Engineering Press,1996,12(4):34-39.

[3] K.Y.e.al.Thermal Radiative and Reflective Characteristics of a Wind Roughened Water Surface[J].JOSA,1994,11(6):1186-1993.

[4] 劉海波,馬治國(guó),王軍生,?？毡尘跋聦?dǎo)彈的紅外輻射特性分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)技術(shù),2007,29(1).

[5] 韓玉閣,宣益民.目標(biāo)與背景的紅外輻射特研究及應(yīng)用[J].紅外技術(shù).2002,24(4):16-19.

[6] 孫毅義,董浩,畢朝輝,等.大氣輻射傳輸模型的比較研究[J].強(qiáng)激光與粒子束.2004,16(2):149-153.