大气传输中目标红外辐射可视化分析与计算

[7]
Y轴
190mm
X轴
Z轴
700mm
图 1 尖锥模型示意图 图 2 3 m 5 m 大气透过率 Fig.1 Geometric Model Fig.2 3 m 5 m Transmittance of atmosphere 图 2 和图 3 为用 LOWTRAN7 计算出的波段范围内的大气透过率以及大气背景辐射与波 长的关系曲线。利用（9）式和（ 10）式可以计算出对应的平均大气透过率和总的大气辐射。 利用可视化红外辐射分析仿真系统计算目标红外辐射结果如图 4-6 所示：
图 5 零视距亮度分布图 Fig.5 Infrared image of target
图 6 考虑大气影响亮度分布图 Fig.6 Infrared image transferred in atmosphere
从以上的计算结果可知， 对目标的光谱辐射量和辐射量在计入大气辐射传输后均有明显 变化。因此,在目标红外辐射特性的研究过程中考虑大气衰减以及大气程辐射是必要的。 4 结束语 文中研究分析了大气辐射传输对目标红外辐射的影响， 将 LOWTRAN7 引入仿真分析系 统实现目标辐射经过大气辐射传输后的计算以及计算过程的实时可视化显示。 给出一种可视 化的目标红外辐射经过大气传输的计算方法， 为工程人员提供了一种更方便更实用的目标红 外特性计算开发平台。 参考文献
2
1
和总大气辐射为： （ 7） （8）
a
2 1
2 1
1来自百度文库
a ( ) d
Ba ba ( )d
将积分形式变为求和形式，则
a
n 1 d 1 [ ( a (1 ) a (2 )) a (1 i d )] 2 i 1
（9） （10）
Ba ba (1 i d ) d
i 0
n
式中， 2 1 ； d 为光谱间隔，即求和间隔； n / d 应为正整数。将数据代入（9） 式及（10）式，可以求出平均透过率 a 及波段内总的大气程辐射 Ba 。 通常未考虑大气影响的目标自身红外辐射亮度称为零视距辐射亮度（ L ） ，而经过大气
L Li ( )d
1
2
（ 2）
目标的光谱辐射强度（ I ）通过光谱辐射亮度在面积上积分求得即所有可见像素辐射 贡献值求和
I
2 大气透过率及大气辐射计算
pixels
L ( )
i
（ 3）
红外辐射在大气中传输不仅受到大气的衰减， 同时大气自身辐射也会构成一定的背景辐 射。在某些条件下，大气的衰减很大或大气程辐射很强，将使目标被完全淹没而无法识别， 因 此 ， 分 析 大 气 传 输 对 目 标 红 外 辐 射 特 性 的 影 响 具 有 重 要 意 义 。 目 前 LOWTRAN 、 MODTRAN 及 FASCODE 等大气辐射传输数值计算实用软件已得到广泛应用。 LOWTRAN7 是由美国地球物理实验室开发的单参数带模式的低分辨率的大气辐射传 输模型，适用于从紫外、可见、红外到微波乃至更宽的电磁波谱范围内，包括云、雾、雨等 多种大气状况的大气透过率及大气背景辐射。 它以 20cm1 的光谱分辨率的单参数带模式计算 1 1 从 0cm 到 5000cm （ 0.2cm 到无穷）的大气透过率、大气背景辐射、单次散射的阳光和月光 辐射亮度以及太阳直射辐照度。 本文采用 LOWTRAN7 单参数带模式方法计算分子吸收透过率：
图 3 3 m 5 m 大气辐射 图 4 光谱辐射强度对比曲线 Fig.3 3 m 5 m Atmosphere radiation Fig.4 Spectral radiance intensity curve 图 4 为波段内光谱辐射强度对比曲线， 由于不同波长的大气透过率及大气辐射不同， 对 计算结果产生的影响差别很大， 对于透过率较小的波段经过大气辐射传输后计算结果差异较 大，所以，对于光谱辐射量的计算大气辐射传输的影响不可忽视。 图 5 和图 6 中采 用相 同的量 化基 准来 显示 目标的 辐射 亮度 计算 结果（ 单 位为： ，从图中可以直观的判断出目标的辐射亮度计算结果的变化，经大气辐射 W m2 sr 1 m1 ） 传输目标的辐射亮度减小， 所以， 对于目标总的辐射的计算大气辐射传输的影响也是不可忽 视的。
[4-7]
式中， 、 和 A 由逐线计算和测量得到， C ( ) 为 LOWTRAN7 吸收系数 。 利用 LOWTRAN7 求出各波长对应的大气透过率 a (1 ) 、……、 a (2 ) 及大气辐射
ba (1 ) 、……、 ba (2 ) ，则平均大气透过率
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a (1 ) exp(W AC A ())
径分布，并考虑了路径上温度和压力以及不同波段的影响。 s T P W ( s)( 0 ) ( ) ds T P 0 s
2 1
（ 5）
式中，W 为等价吸收量，是路径 S S 2 S1 中分子吸收的总量，它决定于吸收气体含量的路 （ 6）
传输探测器所接收到的辐射亮度为 LD （考虑大气影响） ，二者关系 为： LD L a Ba （11） 由上式可求出经过大气传输后最终到达探测器的辐射亮度。 对于求解经过大气传输的辐 射强度与辐射亮度求解过程相近， 而对于经过大气传输的光谱辐射强度的求解只需将对应波 长的 a ( ) 和 ba ( ) 代入即可。 3 仿真结果与分析 本文以 3 m 5 m 波段为例对图 1 所示的尖锥进行目标红外辐射特性分析。设定尖锥表 面温度为 600k、辐射系数为 0.35，尖锥侧滚角 30°；大气模式为 1976 标准大气，大气溶胶 在对流层为地面能见度 23km 的农村气溶胶模式、平流层为背景平流层气溶胶，垂直高度为 1km ，斜程为 50km ，天顶角为 10°。
对于目标红外辐射特性的研究， 首要涉及目标自身红外辐射的求解， 依据红外辐射理论 中的普朗克定律求解出每一像素的辐射出射度为：
M i ' M i
C1 （eC / T -1）
5
2 i
（1）
[1]
其中， ——目标表面材料的发射率， M i ——目标表面为黑体时的辐射出射度 。 在已知目标表面温度场分布和发射率的情况下， 代入上式可以求出目标每一像素的光谱 辐射出射度，再利用朗伯特定律求解出每一像素的光谱辐射亮度 Li ( ) 。 目标的辐射亮度（ L ）为：
Analysis and Calculation the Visual Infrared Radiation of Target Transferred in Atmosphere
Qi Zhengyun FangNing Wang Baofa （School of Electronic and Information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China） Abstract： The atmospheric transmission has a significant influence on the study of infrared radiation for targets. In order to analysis the influence of the atmospheric in different weather conditions, the computation of atmospheric transmission was embedded in the visual infrared radiation analysis simulation system which can compute the infrared radiation feature of the airborne targets through the atmospheric transmission. The simulation system took a pixel as an element unit. Utilizing the graphical processor and the infrared radiation theory, the infrared radiation feature of the targets can be computed by the simulation system. Also the atmosphere radiation and transmittance of atmosphere can be computed by LOWTRAN7 to revise the infrared radiation of every pixel. The infrared radiation of the airborne target can be obtained by adding the radiation of all the pixels. Keywords: Infrared radiation, Transmittance of atmosphere, Atmosphere radiation 目前， 红外大气的传输和辐射模型是红外成像制导系统仿真中的关键环节， 大气辐射和 传输衰减对红外传感器成像有很大影响。目标红外辐射在进入探测器之前需要依据大气模 [1-3] 式、天气现象和传播距离等因素计算大气透过率及大气程辐射 。 本文将 LOWTRAN7 引入可视化目标红外辐射分析系统， 利用 LOWTRAN7 计算出大气 透过率及大气辐射，将其计入到目标红外辐射计算中， 从而得到大气辐射传输的目标红外辐 射。 通过与原目标自身辐射计算结果的对比， 可直观地分析大气传输特性对目标红外辐射特 性的影响。 1 可视化目标自身红外辐射计算 可视化红外辐射分析仿真系统能够计算目标的红外辐射特性， 此系统的优点主要体现在 以下几点： （ 1）可以导入商用软件 Auto-CAD 绘制的目标几何外形模型（ 2）基于 OpenGL 图形规范实现目标模型及目标表面法矢获取的可视化（ 3）通过图形加速芯片完成目标红外 辐射计算中三维模型的旋转、平移、缩放等， CPU 只承担红外辐射的计算使得系统具有实 时计算的能力（ 4）以像素为基本单元使得计算结果更加准确。
大气传输中目标红外辐射可视化分析与计算
齐正云 方宁 王宝发
（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191） 摘 要：在目标红外辐射特性分析中，大气辐射传输的影响是不可忽视的。为了分析不 同气候条件下大气对目标红外辐射的影响， 在可视化红外辐射分析仿真系统中引入大气辐射 传输计算， 实现大气传输中目标红外辐射特性可视化计算。 空中目标可视化红外辐射分析仿 真系统利用图形处理器及红外辐射理论， 以像素为基本单元， 计算目标零视距红外辐射特性， 再通过 LOWTRAN7 给出大气背景辐射、大气透过率对每个像素辐射特性进行修正，最后，叠 加有贡献的像素辐射值从而得到空中目标的红外辐射。 关 键 词：红外辐射 大气透过率 大气程辐射 中图分类号：V474.2;O434.3 文献标志码：A