齊琳琳,吉　微,安　潔

(空軍裝備研究院航空氣象防化研究所,北京　100085)

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基于區(qū)域?qū)嶋H大氣的紅外制導波段目標背景對比度變化特性數(shù)值計算

齊琳琳,吉微,安潔

(空軍裝備研究院航空氣象防化研究所,北京100085)

摘要:紅外制導武器對目標的發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤主要依據(jù)目標與背景的紅外輻射特性及其對比特性, 目標背景對比特性研究是紅外制導武器研制過程中的必要環(huán)節(jié)。依據(jù)目標背景對比度定義,采用基于既定區(qū)域?qū)嶋H觀測大氣數(shù)據(jù)構(gòu)建大氣參數(shù)廓線并嵌入成熟、通用的大氣輻射傳輸模型計算的方式,探討了紅外波段實際大氣目標背景對比度變化特征,及其與標準大氣下的目標背景對比度差異。結(jié)果表明,影響目標背景對比度的主要因素為大氣透過率,實際大氣目標背景對比度與標準大氣的存在一定偏差,偏差與季節(jié)和波段均有關(guān),可直接影響到紅外波段實際應用中的目標識別能力。

關(guān)鍵詞:紅外波段;實際大氣;目標背景對比度

修回日期： 2015-11-02

吉微(1981-),女,碩士,工程師。

安潔(1979-),女,博士,工程師。

觀察一定距離外的目標物是否清晰,是否能夠從大氣背景中被分辨出來,是研究目標背景對比度的目的。紅外制導武器對目標的發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤主要依據(jù)目標與背景的紅外輻射特性及其對比特性,對其進行深入研究是紅外制導武器研制過程中的必要環(huán)節(jié)[1-2]。目標與背景的紅外輻射特性經(jīng)過大氣的傳輸最終到達紅外導引頭, 紅外輻射信號在大氣中傳輸受到大氣的衰減,同時大氣或太陽的輻射又會構(gòu)成一定的背景輻射。隨著紅外偵察和紅外制導技術(shù)的廣泛應用,對紅外波段目標背景對比度開展研究有助于最大限度分析利用戰(zhàn)場氣象環(huán)境確保武器作戰(zhàn)性能的充分發(fā)揮。然而,基于實際大氣條件下的紅外目標背景對比度研究尚不多見。因此,探討了紅外波段實際大氣目標背景對比度變化特征,及其與標準大氣下的差異,對于有效掌握實際大氣應用中的紅外波段的目標識別能力,進而評估出實際大氣環(huán)境對紅外制導武器攻擊效能的影響具有重要意義。

1目標背景對比度和輻射傳輸計算

目標背景對比度是目標可識別的判定標準之一。根據(jù)Purkinje效應可知,在觀察物體時,視覺上起決定作用的是物體和背景的亮度差異,所以目標識別與探測的理論一般都是基于目標與背景的亮度對比展開的。目標背景對比度定義為

(1)

式中，Io是被觀測的目標物的亮度;Ib是目標物背景亮度; Cob為目標背景對比度。如果Io為被觀測的目標物的固有亮度, Ib為目標物所在處的背景亮度,則Cob為目標背景的固有對比度,用C0表示。

目標背景對比度與目標物形態(tài)、發(fā)光或反射特性、大氣傳輸特性和人眼或儀器的接收特性等因素密切相關(guān)。其中,最復雜多變且影響最大的是大氣特性[3],即目標與背景的紅外輻射特性經(jīng)過大氣傳輸最終到達導引頭過程中會受到大氣中各種因素的影響而衰減。

目標物所發(fā)出的光和背景光(反射天空散射光、太陽光,人工光源發(fā)出的光或自身發(fā)光) 傳輸?shù)接^察者過程中會經(jīng)歷大氣的消光作用(包括散射和吸收),以及受到太陽光、地面反射光、多次散射形成的天空散射光的影響。觀察者實際接收到的目標和背景的亮度均為視亮度,一般可根據(jù)大氣輻射傳輸方程求解得到。

假定觀察者向上觀察,如圖1所示。

圖1　輻射傳輸幾何關(guān)系示意圖

-μ(μ=cosθ)方向為向上傳輸,+μ方向為向下傳輸。大氣層頂處的光學厚度τ=0,目標所在處τ=τt,地面處τ=τ0。觀察者的天頂角為θ,太陽天頂角為θ0。觀察者的方位角為φ,太陽方位角為φ0。

輻射傳輸方程的一般形式為

(2)

(3)

(4)

如果目標亮度為0,則C0=1。

由此可見,根據(jù)輻射傳輸方程推導出的目標背景對比度只與目標幅射亮度(簡稱O)和觀測者所看到的背景輻射亮度(簡稱B)的比值L,以及觀察路徑的大氣透過率T有關(guān)。

目前,采用離散縱標法(Discrete Ordinate Method——DOM) 的DISORT軟件包是國內(nèi)外廣泛應用求解輻射傳輸方程穩(wěn)定、精確的數(shù)值算法[4]。DISTORT軟件包是Stamnes等1988年最早發(fā)展的[5-6],現(xiàn)已嵌套到MODTRAN大氣輻射傳輸模型中[7],在目標背景對比度研究中廣泛應用且準確度較高。其采用離散縱坐標法求解輻射傳輸方程,可求解垂直或非均勻、各向異性并含熱源的平面平行介質(zhì)中的輻射傳輸問題,波譜可覆蓋紫外至微波波段。而對于MODTRAN輻射傳輸模型,已有研究結(jié)果表明[8-10],其可有效用于分析3μm-5μm 、8μm-12μm波段上的紅外輻射特征和背景輻射、大氣透過率,且較傳統(tǒng)算法中用常數(shù)或者擬合函數(shù)來代替大氣透過率的方法更可信,數(shù)值計算仿真結(jié)果也具有可行性。因此,本文基于其開展區(qū)域?qū)嶋H大氣的紅外制導波段目標背景對比度變化特性數(shù)值計算研究,是具有可信度的。

通常,利用輻射傳輸模型計算目標背景對比度時均作如下簡化假設(shè):

1)假設(shè)目標為黑體,即εt=1;

2)求解背景天空亮度時,只考慮大氣對太陽輻射的散射以及大氣本身的熱輻射的影響。

目標取為絕對黑體,即目標亮度為0,這樣做的目的是忽略目標對太陽、大氣、地表的反射的影響,簡化分析中影響因素,從而可以更好地針對大氣條件對目標輻射亮度強弱及其識別影響開展研究。

2紅外波段實際大氣中目標背景對比度特征分析

考慮到本文作者早前已完成基于我國實際大氣參數(shù)的輻射傳輸模型構(gòu)建,并針對紅外制導波段詳細分析了實際大氣狀態(tài)下的透過率,及其與引入模型自帶大氣參數(shù)的計算誤差[11]。故本文將在此基礎(chǔ)上,著重分析實際大氣狀態(tài)下的目標背景對比度,以期進一步推進戰(zhàn)場氣象環(huán)境對武器作戰(zhàn)性能的影響研究。

2.1年平均實際大氣下的目標背景對比度

研究區(qū)域仍為南海及沿岸地區(qū)(108°E～120°E,15°N～25°N)。圖2—4分別給出了采用該區(qū)域?qū)嶋H測站多年逐日00UTC探空數(shù)據(jù)得到的年平均大氣壓力、溫度和濕度廓線及模型自帶標準大氣和中緯度冬季、夏季大氣分布。

圖2　00UTC實際大氣及模型自帶大氣氣壓冬、夏季分布圖

圖3　00UTC實際大氣及模型自帶大氣溫度冬、夏季分布圖

圖4　00UTC實際大氣及自帶大氣濕度冬、夏季分布圖

可以看出,圖2中實際大氣與模型自帶的大氣氣壓廓線相差不大,但圖3、4的溫濕廓線還是存在較明顯的差異。這說明實際大氣的地域性、季節(jié)性均更強,簡單地采用模型大氣用于目標背景度計算會給結(jié)果可信度造成差異,必須開展實際大氣條件變化對紅外波段目標背景對比度的影響分析評估。為此,本文針對3μm-5μm和8μm-12μm開展了計算研究。

計算中不考慮云雨、氣溶膠影響,地面有植被覆蓋,目標物高度5km,考慮多次散射,氣象能見距離23km,觀察者天頂角θ=30°,太陽天頂角θ0=60°,觀察者與太陽方位角差|φ-φ0|=60°。為了說明實際大氣和模型自帶大氣對目標背景對比度計算的差異,圖5給出了斜程路徑傳輸各類大氣條件下的目標背景對比度分布。

圖5　五類大氣條件下紅外波段目標背景對比度分布圖

由圖可知,無論是實際夏、冬大氣還是模式自帶大氣,對于3μm-5μm和8μm-12μm兩個紅外波段而言,均是夏季的目標背景對比度小于冬季的,且對相同季節(jié)兩個波段的目標背景對比度而言,也始終是冬季3μm-5μm波段的小于8μm-12μm波段的,夏季則相反或相近。對比實際夏、冬大氣與中緯度夏、冬大氣可知,夏季實際大氣與模式大氣的兩波段目標背景對比度絕對值分別相差0.07和0.15,而冬季均相差0.03左右。而夏、冬實際大氣與標準大氣下兩波段的目標背景對比度均是夏季實際大氣下的小于標準大氣的,而冬季相反。其中3μm-5μm波段夏、冬大氣與標準大氣的目標背景對比度絕對值相差0.08和0.03,8μm-12μm波段則相差0.17和0.03,這說明目標背景對比度分析中如直接采用標準大氣,會造成在夏季高估而冬季低估情況出現(xiàn),且這種誤差對于8μm-12μm波段夏季更為明顯。

另外,為弄清目標背景對比度與透過率的相關(guān)性,圖6給出了相應條件下斜程路徑傳輸各類大氣條件下的透過率分布。

圖6　五類大氣條件下紅外波段大氣透過率分布圖

可以看出,透過率的分布特征和變化與相應波段、相應大氣條件下目標背景對比度的基本一致。模式自帶中緯度夏季大氣3-5μm波段的平均透過率比冬季小0.11左右,而8μm-12μm波段則小0.24左右。而采用實際大氣兩波段的夏、冬季平均透過率分別相差0.06和0.11左右。而對比夏、冬季實際大氣與模式大氣的透過率可知,3-5μm波段夏、冬實際大氣與模式大氣透過率相差分別為0.08 、0.03,而8μm-12μm波段相差分別為0.17、0.04。可以看出同季節(jié)兩個波段的平均透過率,均是冬季3μm-5μm波段的小于8μm-12μm波段的,夏季則相反或相近。另外,對比夏冬實際大氣與標準大氣下兩波段透過率不難看出,盡管兩波段均是夏季實際大氣透過率小于標準大氣的,而冬季實際大氣透過率大于標準大氣的,但這種差異在兩波段透過率量值上還是有所不同的。其中,3μm-5μm波段夏冬大氣透過率與標準大氣的相差0.005和0.05,而8μm-12μm波段夏冬大氣透過率與標準大氣的相差0.02和0.07,由此可以說,透過率分析中如直接采用標準大氣參數(shù),會造成在夏季高估而冬季低估情況出現(xiàn),且這種誤差對于8μm-12μm波段更為明顯。

上述分析表明,實際大氣與模式自帶大氣透過率的計算偏差可以直接影響到目標背景對比度中,差異隨不同波段和不同季節(jié)而不同。同時也反映出大氣透過率是影響目標識別的主導因素,必須在計算中充分考慮不同季節(jié)、地域等實際大氣的影響。

2.2月平均實際大氣下的目標背景對比度

為進一步深入分析該區(qū)域?qū)嶋H大氣條件下的紅外波段的大氣透過特性和目標背景對比度,本文還開展了月平均大氣的影響研究。圖7-9給出了該地區(qū)逐月實際大氣溫壓濕廓線分析。不難看出,10km內(nèi)氣壓隨高度呈指數(shù)遞減,遞減情況與年平均氣壓從1012.76hPa降至287.08hPa的基本一致,且各月氣壓變化基本一致,即一定地域上的氣壓分布與年代月份基本無關(guān)。而各月溫度分布趨勢基本一致,也均隨高度遞減。但在4km以下各月氣溫分布還是存在一定差異,如1月逆溫層最為突出,2-9月基本無逆溫層存在。相比而言,各月濕度的分布雖然總體上也均是隨高度遞減,在2km-5km濕度垂直減率相對最大,但各月濕度曲線形態(tài)差異還是很大的,表現(xiàn)出十分明顯的隨月份、季節(jié)變化。最底層濕度最大可達90%(6-8月),最小也就70%(12月),而5km以上濕度最大可維持在30-60%(7月),最小也就5%-15%(2月)。這說明濕度受季節(jié)等的影響更加明顯,地域性、時間性更強,計算大氣透過率、目標背景對比度時忽視實際大氣中的這些特點勢必會造成計算誤差。

圖7　00UTC實際大氣氣壓逐月平均分布圖

圖8　00UTC實際大氣溫度逐月平均分布圖

圖9　00UTC實際大氣濕度逐月平均分布圖

可以看出,無論是實際大氣還是自帶模式大氣,對于冬夏季3μm-5μm和8μm-12μm兩個紅外波段而言,均是能見距離23km氣溶膠條件下的平均透過率好。而相同能見距離氣溶膠條件下,均是夏季的平均透過率比冬季的小。另外,相同能見距離氣溶膠條件下,采用實際大氣,夏季3μm-5μm的平均透過率比8μm-12μm波段的或略大或相近,而冬季則相反。采用模式大氣,則是夏季3μm-5μm的平均透過率明顯大于8μm-12μm的,而冬季兩者則或是相近或是相反。再者,相同能見距離氣溶膠條件下,兩波段均是實際大氣透過率好于模式大氣,且8μm-12μm差異更為明顯。由此可見,一方面能見距離是影響大氣透過特性的關(guān)鍵因素,同類氣溶膠不同能見距離情況下,大氣透過特性存在明顯差異。另一方面,相同能見距離氣溶膠條件下,采用實際大氣計算的紅外透過率和用模型自帶大氣計算的結(jié)果有明顯差異,且差異與波段、季節(jié)有很大關(guān)系。

采用上述同樣計算條件,圖10給出了斜程路徑傳輸逐月實際大氣和標準條件下的目標背景對比度分布?？梢钥闯?兩波段的目標背景對比度整體變化趨勢均是隨月份逐漸減小而后再逐漸增大,但各月中8-12μm的目標背景對比度均明顯小于3-5μm的。其中,以夏季相對最小,最小值出現(xiàn)在6月,分別為0.64、0.36。而冬季最大,最大值均出現(xiàn)在1月,分別為0.79、0.77。對比各月大氣濕度廓線分布不難看出,6月的目標背景度最小應該與該月濕度基本是全年最大有關(guān)。此外,相比標準大氣的而言,兩波段各月的目標背景對比度均明顯偏小。其中,6月3μm-5μm的偏小0.19,而8μm-12μm的則偏小0.49。由此可見,在實際大氣目標判識過程中,如始終以標準大氣作為輸入,冬季造成的誤判影響相對還好些,但夏季的誤判效果卻很嚴重,尤其是目前精確制導中常用8μm-12μm波段,會對其目標識別造成嚴重誤差。

圖10　逐月實際大氣與標準大氣下紅外波段

目標背景對比度分布圖

同樣,各月實際大氣和標準大氣透過率變化趨勢與目標背景對比度的具有非常好的一致性(圖11)。兩波段各月T相比標準大氣的均明顯小了許多,且兩波段大氣透過率最大月、最小月與標準大氣的差值也與目標背景對比度的基本一致,即3μm-5μm的6月和1月與標準大氣透過率相差0.2、0.04,而8μm-12μm的相差則為0.51和0.08。這進一步說明大氣透過率是影響目標判識的最根本因素,實際大氣中由于各月大氣狀態(tài)參數(shù)的不同直接導致大氣透過率的不同,這種差異必須在實際波段目標識別中加以重視。

圖11　逐月實際大氣與標準大氣下紅外波段

通過上述分析可以知道,紅外波段大氣透過率和目標背景對比度計算中采用模型自帶大氣計算可造成與實際情況存在較大差異,這種差異與月份、波段、區(qū)域等均有關(guān),尤其是8μm-12μm紅外波段的差異更是不容忽視。

3結(jié)束語

本文通過提取既定區(qū)域?qū)嶋H觀測大氣數(shù)據(jù)構(gòu)建年、月平均大氣參數(shù)廓線并嵌入成熟、通用的大氣輻射傳輸模型中,探討了紅外波段實際大氣目標背景對比度的變化特征及其與大氣透過特性間的關(guān)系,并分析了用模型自帶大氣近似可能帶來的差異?；谖覈乩砦恢玫膹碗s性決定了我國的大氣條件千差萬別,因此,紅外導引頭目標識別設(shè)計和使用中,如簡單套用引進模型會給計算可信度造成不同層面的影響,故大氣透過率和目標背景的準確計算必須考慮實際大氣。本文計算方法和分析結(jié)果對于紅外制導武器大氣環(huán)境影響論證和試驗訓練分析評估等有重要參考意義,為精確制導武器紅外波段目標識別實際大氣應用奠定了數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。但也需要指出的是,本文結(jié)論是在忽略了大氣中云、氣溶膠等影響下得出的,因此后續(xù)還將持續(xù)深入開展相關(guān)影響的探索研究。

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Characteristic of Target-background Contrast of Actual Atmospheric Infrared Band

QI Lin-lin, JI Wei, AN Jie

(Institute of Aeronautical Meteorology, Equipment Academy of Air Force, Beijing 100085， China)

Abstract:Along with the development of infrared technology and extensive application on military affairs, more and more attentions are focused on the study of infrared radiation transmission of target and background. Target-background contrast is one of the important parameter for detection and indentification of target. Using the area actual atmosphere on infrared atmospheric transmittance which is embeded in the common atmospheric radiative transfer model, the characteristics of target-background contrast of the infrared band are analyzed. On the basis of these, the differences between actual and standard atmosphere are also investigated. The results show that the atmospheric transmittance is the main influence factor for the target-background contrast. The actual atmosphere must be considered for the better estimations of the infrared atmosphere transmittance and target-background contrast. It is significant for the infrrared-guided weapons to improve the precision and the adaptation of environment.

Key words:infrared band; actual atmosphere; target-background contrast

作者簡介：齊琳琳(1973-),女,遼寧沈陽人,博士,高級工程師,研究方向為軍事氣象保障。

收稿日期：2015-10-18

中圖分類號:TN216；E917

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.01.025

文章編號：1673-3819(2016)01-0116-06