复杂大气条件下红外系统作用距离的估算
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
GAO Si蛳feng1, WU Ping2, HE Man蛳li1, WANG Xiao1, ZHANG Ming1
（1.College of Science, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China; 2.College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China ）
关 键 词 ：红 外 系 统 ； 作 用 距 离 ； 大 气 衰 减 ； MRTD 中 图 分 类 号 ：TN216 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276(2008)06-0941-04
Estimation on the operating range of infrared system under complex atmosphere condition
Key words:Infrared system; Operating range; Atmosphere attenuation; MRTD
0引言
在红外热成像系统研制过程中，系统的作用距离 是评价系统性能的重要指标，其估算对于提高红外系 统设计水平、降低成本、缩短研制和生产周期都有非
常重要的作用。 目标红外成像探测的影响因素较多， 如：目标的特性（信噪比、对比度、尺寸、运动速度等）、 大气环境因素、显示器的性能、热成像系统的特性、观 察 者 视 觉 特 性 等 [1]， 加 之 发 展 的 历 史 较 短 ， 估 算 尚 不 成熟。 此文综合考虑了不同大气能见度、红外传输受
1 大气对红外传输的影响
1.1 大气对红外辐射的吸收衰减 大气中对辐射能吸收起主要作用的成分是水蒸
气、二氧化碳和臭氧。 臭氧虽有强烈的吸收，但因它通 常分布于较高的大气层，只有当辐射在竖直方向穿过 较厚大气层时才需考虑。 因此，主要考虑水蒸气和二 氧化碳的吸收作用， 对于两者在大气中含量的计算， 分别采用可降水分和等效海平面路程长度来表示。
(5)
式中：β=0.45/km；Xe (z1 )=X0 R·exp(-0.059 38z1 )为海拔 z1 处与斜程 R 同样长路径上等效可降水分，X0 表示海平面 上每千米大气的水蒸气含量，由相对湿度可得。
对于二氧化碳， 由于在对流层内是充分混合的， 修正因素主要是高度修正，用同样方法可以得出等效 海平面路程长度为：
第 37 卷第 6 期 Vol.37 No.6
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2008 年 12 月 Dec. 2008
复杂大气条件下红外系统作用距离的估算
高 思 峰 1, 吴 平 2, 何 曼 丽 1, 王 晓 1, 张 明 1
（1.中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 理 学 院 ，江 苏 南 京 211101； 2.南 京 航 空 航 天 大 学 理 学 院 ，江 苏 南 京 210016）
dλ·R
(10)
低能见度时，平均散射透过率为：
· 乙 λ λ · 3～5
τs (λ)=exp
-
1 5-3
5 3.91 3 Rv
0.55 λ
1/3
0.585RV
dλ·R
(11)
· 乙 λ λ · 8～13
τs (λ)=exp
-1 13-8
13 3.91 8 Rv
0.55 λ
1/3
0.585RV
dλ·R (12)
· 乙 λ λ · 3～5
τs (λ)=exp
-
1 5-3
5 3.91 3 Rv
1.3
0.55 λ
dλ·R
(9)
第6期
高思峰等：复 杂 大 气 条 件 下 红 外 系 统 作 用 距 离 的 估 算
943
· 乙 λ λ · 8～13
τs (λ)=exp
-1 13-8
13 3.91 8 Rv
1.3
0.55 λ
由于影响吸收的大气分子密度、气压和温度均随 海拔变化，所以，当路径为一定海拔或者斜程时需要 进行修正。 根据参考文献[3]中的方法，进行高度和斜 程修正后可得：海拔从 z1 至 z2 ，斜程长度为 R，天顶角 为 θ 的倾斜路程上的等效可降水分为：
Xe
=Xe
(z1
)
1-exp[-(β+0.059 38)Rcosθ] (β+0.059 38)Rcosθ
平 面 上 ，温 度 2 ℃，相 对 湿 度 50%大 气 条 件 下 ，当 天 顶
角 θ=45°，3～5 、8～13 μm 大气窗口对应的 3 种能见度：
Rv =80 km （ 高 能 见 度 ）、Rv =20 km （ 中 等 能 见 度 ）、Rv =
3 km（低能见度）总透过率，如图 1、图 2 所示。
度时的散射透过率。
高能见度时，平均散射透过率为：
· 乙 λ λ · 3～5
τs (λ)=exp
-
1 5-3
5 3.91 3 Rv
1.6
0.55 λ
dλ·R
(7)
· 乙 λ λ · 8～13
τs (λ)=exp
-
1 13-8
13 3.91 8 Rv
1.6
0.55 λ
dλ·R
(8)
中等能见度时，平均散射透过率为：
942
红外与激光工程
第 37 卷
海拔及目标天顶角的影响、目标高宽比、探测器自身 性能、探测概率等因素。 将大气对红外辐射衰减的实 验数据进行拟合，并进行高度及斜程修正，同时也考 虑了目标尺寸、空间频率受传输距离的影响等，得出 对应不同探测概率的红外扩展源目标发现、 认清、识 别作用距离表达式，并以具体实例进行编程分析。
-X 20.847
97
+
λ λ 0.615
51exp
-
X 573.925
36
(2)
拟 合 度 为 0.997 17。 公 式(1)、(2) 均 有 较 高 的 拟 合 度 ， 所 以 在 可 降 水 分 200 mm 的 范 围 内 ， 可 以 根 据 公 式 (1)、(2) 计 算 出 不 同 可 降 水 分 对 应 的 水 蒸 气 吸 收 透 过 率。
拔 z1 处，距离探测器斜程为 R、天顶角为 θ 的红外目 标大气吸收透过率的数学表达式，为 R 和 θ 的函数。
1.2 大气对红外辐射的散射衰减
辐射在大气中传输时， 除因吸收引起辐射衰减
外，大气中的分子和各种悬浮微粒的散射作用也会导
致 辐 射 衰 减 。 根 据 气 象 学 距 离 法 [4]， 可 得 到 不 同 能 见
λ λ 3~5
τH2 O =0.368
48exp
-
X 10.342
98
+
λ λ 0.568
47exp
-
X 444.059
55
(1)
拟 合 度 为 0.994 73； 在 8～13 μm 大 气 窗 口 ， 水 蒸 气 吸 收透过率与可降水分 X 的关系满足：
λ λ 8~13
τH2 O =0.391
Baidu Nhomakorabea
33exp
图 1 3～5 μm 波 段 总 透 过 率 与 传 输 距 离 关 系 曲 线 Fig.1 Relationship between transmission coefficient and
Abstract:By fitting the corresponding atmospheric transmittance data of the contents of water vapor and carbon dioxide, the relationships between water vapor absorption transmittance and precipitable water vapor, and between the carbon dioxide absorption transmittance and sea 蛳level distance were presented respectively in atmospheric window 3 -5 μm and 8 -13 μm. According to the related references, the altitude and slant path were modified.The infrared scattering attenuation and total attenuation in atmosphere were analyzed. Based on MRTD and Johnson criteria, the expression of the operating range of infrared system for expanded target was presented. The factors of target size, atmospheric visibility, altitude, target′ s zenith angle, spatial frequency, and detection probability and so on were also had been considered.At last, the actual example and results were shown.
参 考 文 献 [2] 列 出 了 对 应 3~5 μm 和 8~13 μm 两 个 波 段 ， 可 降 水 分 200 mm 的 范 围 内 ， 海 平 面 上 部 分 水蒸气含量对应的大气平均透过率。 对该数据进行拟 合 ， 得 出 在 3～5 μm 大 气 窗 口 ， 水 蒸 气 吸 收 透 过 率 与 可降水分 X 的关系：
Le
=Le
(z1
)
1-exp[-0.178Rcosθ] 0.178Rcosθ
(6)
式 中 ：L e (z 1 ) =R·exp (-0.178z 1 ) 为 海 拔 z 1 处 与 斜 程 R
相同路径长度的等效海平面路程长度。
用 公 式(5)中 的 Xe 替 换 公 式(1)、(2)中 的 X，用 公 式(6)中 的 Le 分 别 替 换 公 式(3)、(4)中 的 L，可 得 在 海
摘 要：通过对海平面上水蒸气、二氧化碳含量对应大气吸收透过率的数据进行拟合，得出在 3～ 5 μm 和 8～13 μm 大 气 窗 口 ，水 蒸 气 吸 收 透 过 率 与 可 降 水 分 ，二 氧 化 碳 吸 收 透 过 率 与 海 平 面 路 程 长 度 的关系。 并依据相关文献进行高度和斜程修正。 分析了大气对红外辐射的散射衰减以及总衰减。 在此 基 础 上 基 于 MRTD 法 和 约 翰 逊 准 则 给 出 了 扩 展 源 目 标 红 外 辐 射 作 用 距 离 的 估 算 方 程 。 综 合 考 虑 了 目 标形状、大气能见度、海拔高度、目标天顶角和空间频率以及探测概率等多种因素对热成像系统作用 距离的影响，给出了作用距离估算实例及结果。
收 稿 日 期 ：2008-02-08 ； 修 订 日 期 ：2008-05-24 作 者 简 介 ： 高 思 峰 （1980- ） ， 男 ， 山 东 青 岛 人 ， 助 教 ， 硕 士 ， 主 要 研 究 方 向 为 红 外 辐 射 与 探 测 。 Email:gaosifeng@163.com
λ λ 8~13
τCO2 =0.232
21exp
-
L 53.130
72
+
λ λ 0.767
26exp
1
L 177.699
02
(4)
拟 合 度 为 0.999 98。 在 海 平 面 路 程 长 度 200 km 的 范 围 内 ，可 以 根 据 公 式 (3)、(4) 计 算 出 不 同 海 平 面 路 程 长 度对应的大气窗口二氧化碳透过率。
式 中 ：Rv 为 气 象 学 距 离 。
1.3 大气对红外辐射的总衰减
综合考虑大气吸收、散射产生的总透过率：
τ(λ)=τH2 O (λ)·τCO2 (λ)·τs
(13)
在特定大气条件下（温度、湿度、海拔高度等），只
要给定天顶角 θ 就能表示出各大气窗口水蒸气和二
氧化碳的吸收透过率与传输距离 R 的关系。计算在海
同 理 ， 得 出 在 3～5 μm 大 气 窗 口 ， 二 氧 化 碳 吸 收 透过率与海平面路程长度 L 之间的关系：
λ λ 3~5
τCO2 =0.097
29exp
-
L 3.337
98
+
λ λ 0.781
44exp
-
L 897.348
04
(3)
拟 合 度 为 0.984 61； 在 8～13 μm 大 气 窗 口 ， 二 氧 化 碳 吸收透过率与海平面路程长度 L 满足：
（1.College of Science, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China; 2.College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China ）
关 键 词 ：红 外 系 统 ； 作 用 距 离 ； 大 气 衰 减 ； MRTD 中 图 分 类 号 ：TN216 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276(2008)06-0941-04
Estimation on the operating range of infrared system under complex atmosphere condition
Key words:Infrared system; Operating range; Atmosphere attenuation; MRTD
0引言
在红外热成像系统研制过程中，系统的作用距离 是评价系统性能的重要指标，其估算对于提高红外系 统设计水平、降低成本、缩短研制和生产周期都有非
常重要的作用。 目标红外成像探测的影响因素较多， 如：目标的特性（信噪比、对比度、尺寸、运动速度等）、 大气环境因素、显示器的性能、热成像系统的特性、观 察 者 视 觉 特 性 等 [1]， 加 之 发 展 的 历 史 较 短 ， 估 算 尚 不 成熟。 此文综合考虑了不同大气能见度、红外传输受
1 大气对红外传输的影响
1.1 大气对红外辐射的吸收衰减 大气中对辐射能吸收起主要作用的成分是水蒸
气、二氧化碳和臭氧。 臭氧虽有强烈的吸收，但因它通 常分布于较高的大气层，只有当辐射在竖直方向穿过 较厚大气层时才需考虑。 因此，主要考虑水蒸气和二 氧化碳的吸收作用， 对于两者在大气中含量的计算， 分别采用可降水分和等效海平面路程长度来表示。
(5)
式中：β=0.45/km；Xe (z1 )=X0 R·exp(-0.059 38z1 )为海拔 z1 处与斜程 R 同样长路径上等效可降水分，X0 表示海平面 上每千米大气的水蒸气含量，由相对湿度可得。
对于二氧化碳， 由于在对流层内是充分混合的， 修正因素主要是高度修正，用同样方法可以得出等效 海平面路程长度为：
第 37 卷第 6 期 Vol.37 No.6
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2008 年 12 月 Dec. 2008
复杂大气条件下红外系统作用距离的估算
高 思 峰 1, 吴 平 2, 何 曼 丽 1, 王 晓 1, 张 明 1
（1.中 国 人 民 解 放 军 理 工 大 学 理 学 院 ，江 苏 南 京 211101； 2.南 京 航 空 航 天 大 学 理 学 院 ，江 苏 南 京 210016）
dλ·R
(10)
低能见度时，平均散射透过率为：
· 乙 λ λ · 3～5
τs (λ)=exp
-
1 5-3
5 3.91 3 Rv
0.55 λ
1/3
0.585RV
dλ·R
(11)
· 乙 λ λ · 8～13
τs (λ)=exp
-1 13-8
13 3.91 8 Rv
0.55 λ
1/3
0.585RV
dλ·R (12)
· 乙 λ λ · 3～5
τs (λ)=exp
-
1 5-3
5 3.91 3 Rv
1.3
0.55 λ
dλ·R
(9)
第6期
高思峰等：复 杂 大 气 条 件 下 红 外 系 统 作 用 距 离 的 估 算
943
· 乙 λ λ · 8～13
τs (λ)=exp
-1 13-8
13 3.91 8 Rv
1.3
0.55 λ
由于影响吸收的大气分子密度、气压和温度均随 海拔变化，所以，当路径为一定海拔或者斜程时需要 进行修正。 根据参考文献[3]中的方法，进行高度和斜 程修正后可得：海拔从 z1 至 z2 ，斜程长度为 R，天顶角 为 θ 的倾斜路程上的等效可降水分为：
Xe
=Xe
(z1
)
1-exp[-(β+0.059 38)Rcosθ] (β+0.059 38)Rcosθ
平 面 上 ，温 度 2 ℃，相 对 湿 度 50%大 气 条 件 下 ，当 天 顶
角 θ=45°，3～5 、8～13 μm 大气窗口对应的 3 种能见度：
Rv =80 km （ 高 能 见 度 ）、Rv =20 km （ 中 等 能 见 度 ）、Rv =
3 km（低能见度）总透过率，如图 1、图 2 所示。
度时的散射透过率。
高能见度时，平均散射透过率为：
· 乙 λ λ · 3～5
τs (λ)=exp
-
1 5-3
5 3.91 3 Rv
1.6
0.55 λ
dλ·R
(7)
· 乙 λ λ · 8～13
τs (λ)=exp
-
1 13-8
13 3.91 8 Rv
1.6
0.55 λ
dλ·R
(8)
中等能见度时，平均散射透过率为：
942
红外与激光工程
第 37 卷
海拔及目标天顶角的影响、目标高宽比、探测器自身 性能、探测概率等因素。 将大气对红外辐射衰减的实 验数据进行拟合，并进行高度及斜程修正，同时也考 虑了目标尺寸、空间频率受传输距离的影响等，得出 对应不同探测概率的红外扩展源目标发现、 认清、识 别作用距离表达式，并以具体实例进行编程分析。
-X 20.847
97
+
λ λ 0.615
51exp
-
X 573.925
36
(2)
拟 合 度 为 0.997 17。 公 式(1)、(2) 均 有 较 高 的 拟 合 度 ， 所 以 在 可 降 水 分 200 mm 的 范 围 内 ， 可 以 根 据 公 式 (1)、(2) 计 算 出 不 同 可 降 水 分 对 应 的 水 蒸 气 吸 收 透 过 率。
拔 z1 处，距离探测器斜程为 R、天顶角为 θ 的红外目 标大气吸收透过率的数学表达式，为 R 和 θ 的函数。
1.2 大气对红外辐射的散射衰减
辐射在大气中传输时， 除因吸收引起辐射衰减
外，大气中的分子和各种悬浮微粒的散射作用也会导
致 辐 射 衰 减 。 根 据 气 象 学 距 离 法 [4]， 可 得 到 不 同 能 见
λ λ 3~5
τH2 O =0.368
48exp
-
X 10.342
98
+
λ λ 0.568
47exp
-
X 444.059
55
(1)
拟 合 度 为 0.994 73； 在 8～13 μm 大 气 窗 口 ， 水 蒸 气 吸 收透过率与可降水分 X 的关系满足：
λ λ 8~13
τH2 O =0.391
Baidu Nhomakorabea
33exp
图 1 3～5 μm 波 段 总 透 过 率 与 传 输 距 离 关 系 曲 线 Fig.1 Relationship between transmission coefficient and
Abstract:By fitting the corresponding atmospheric transmittance data of the contents of water vapor and carbon dioxide, the relationships between water vapor absorption transmittance and precipitable water vapor, and between the carbon dioxide absorption transmittance and sea 蛳level distance were presented respectively in atmospheric window 3 -5 μm and 8 -13 μm. According to the related references, the altitude and slant path were modified.The infrared scattering attenuation and total attenuation in atmosphere were analyzed. Based on MRTD and Johnson criteria, the expression of the operating range of infrared system for expanded target was presented. The factors of target size, atmospheric visibility, altitude, target′ s zenith angle, spatial frequency, and detection probability and so on were also had been considered.At last, the actual example and results were shown.
参 考 文 献 [2] 列 出 了 对 应 3~5 μm 和 8~13 μm 两 个 波 段 ， 可 降 水 分 200 mm 的 范 围 内 ， 海 平 面 上 部 分 水蒸气含量对应的大气平均透过率。 对该数据进行拟 合 ， 得 出 在 3～5 μm 大 气 窗 口 ， 水 蒸 气 吸 收 透 过 率 与 可降水分 X 的关系：
Le
=Le
(z1
)
1-exp[-0.178Rcosθ] 0.178Rcosθ
(6)
式 中 ：L e (z 1 ) =R·exp (-0.178z 1 ) 为 海 拔 z 1 处 与 斜 程 R
相同路径长度的等效海平面路程长度。
用 公 式(5)中 的 Xe 替 换 公 式(1)、(2)中 的 X，用 公 式(6)中 的 Le 分 别 替 换 公 式(3)、(4)中 的 L，可 得 在 海
摘 要：通过对海平面上水蒸气、二氧化碳含量对应大气吸收透过率的数据进行拟合，得出在 3～ 5 μm 和 8～13 μm 大 气 窗 口 ，水 蒸 气 吸 收 透 过 率 与 可 降 水 分 ，二 氧 化 碳 吸 收 透 过 率 与 海 平 面 路 程 长 度 的关系。 并依据相关文献进行高度和斜程修正。 分析了大气对红外辐射的散射衰减以及总衰减。 在此 基 础 上 基 于 MRTD 法 和 约 翰 逊 准 则 给 出 了 扩 展 源 目 标 红 外 辐 射 作 用 距 离 的 估 算 方 程 。 综 合 考 虑 了 目 标形状、大气能见度、海拔高度、目标天顶角和空间频率以及探测概率等多种因素对热成像系统作用 距离的影响，给出了作用距离估算实例及结果。
收 稿 日 期 ：2008-02-08 ； 修 订 日 期 ：2008-05-24 作 者 简 介 ： 高 思 峰 （1980- ） ， 男 ， 山 东 青 岛 人 ， 助 教 ， 硕 士 ， 主 要 研 究 方 向 为 红 外 辐 射 与 探 测 。 Email:gaosifeng@163.com
λ λ 8~13
τCO2 =0.232
21exp
-
L 53.130
72
+
λ λ 0.767
26exp
1
L 177.699
02
(4)
拟 合 度 为 0.999 98。 在 海 平 面 路 程 长 度 200 km 的 范 围 内 ，可 以 根 据 公 式 (3)、(4) 计 算 出 不 同 海 平 面 路 程 长 度对应的大气窗口二氧化碳透过率。
式 中 ：Rv 为 气 象 学 距 离 。
1.3 大气对红外辐射的总衰减
综合考虑大气吸收、散射产生的总透过率：
τ(λ)=τH2 O (λ)·τCO2 (λ)·τs
(13)
在特定大气条件下（温度、湿度、海拔高度等），只
要给定天顶角 θ 就能表示出各大气窗口水蒸气和二
氧化碳的吸收透过率与传输距离 R 的关系。计算在海
同 理 ， 得 出 在 3～5 μm 大 气 窗 口 ， 二 氧 化 碳 吸 收 透过率与海平面路程长度 L 之间的关系：
λ λ 3~5
τCO2 =0.097
29exp
-
L 3.337
98
+
λ λ 0.781
44exp
-
L 897.348
04
(3)
拟 合 度 为 0.984 61； 在 8～13 μm 大 气 窗 口 ， 二 氧 化 碳 吸收透过率与海平面路程长度 L 满足：