CN108375554A - 水平红外大气光谱透过率评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平红外大气光谱透过率测量方法，可实现任意距离下水平红外大气光谱透过率测量。近距离水平红外大气光谱透过率测量采用现场直接测量的方法，即在确保红外辐射靶板充满红外光谱辐射计视场条件下，移动红外辐射靶板，采集红外光谱辐射计测量测试距离下红外辐射靶板的红外辐射信号，将该辐射信号值与“零”距离采集的红外辐射信号值相比，从而得到该距离的水平红外大气光谱透过率值；由于收到测量仪器、信噪比等影响，实际测量的方法只适合于有限远距离，为实现远距离水平红外大气光谱透过率评估，本发明在近距离水平红外大气光谱透过率的测量方法，测量多个测量点的大气光谱透过率值，再对这些数据进行指数函数拟合，从而实现远距离水平红外大气光谱透过率评估。

Description

水平红外大气光谱透过率评估方法

技术领域

本发明涉及一种水平红外大气光谱透过率的评估方法，尤其涉及一种任意水平距离(3-5)um和(8-12)um两个红外大气窗口大气光谱透过率的评估方法。

背景技术

红外大气光谱透过率是指目标发出的红外辐射，经过大气衰减后的红外辐射与入射辐射能量的比值。红外大气光谱透过率主要用于红外遥感、红外探测和红外隐身技术等方面。由于大气中含有大量的水、二氧化碳等物质，其对红外辐射有吸收作用，当采用红外探测器仪器对目标的红外辐射探测时，目标的辐射会发生衰减，距离越长，辐射衰减越大，大气光谱透过率越低，这种透过率同时受到环境温度、湿度、压力等环境条件的影响，因此，不同时间、不同地点的大气光谱透过率均不相同，为了准确获得目标的红外辐射，就需要现场对不同距离的大气光谱透过率进行评估。

红外大气光谱透过率分为斜程大气光谱透过率和水平大气光谱透过率。斜程光谱大气光谱透过率主要用于红外遥感、空中目标红外探测方面，如卫星上的红外探测仪器对地物、云层的红外测量，用于自然灾害预防、资源探测和天气预报等，地面红外探测仪器对空中飞机等目标的测量，飞机对地面目标的探测等都需要评估斜程大气光谱透过率。

水平的红外光谱大气光谱透过率主要应用于水平方向目标辐射亮度、强度测量和辐射温度测量方面。主要用于红外隐身、地面目标探测等方面，如红外探测仪器对红外隐身目标的测量、对地面坦克和装甲的探测等都需要对水平红外大气光谱透过率准确测量，尤其是在红外隐身技术研究方面，国内外通过将飞机等隐身目标固定在地面上，采用红外光谱辐射计测量不同方位角的红外辐射强度，来评估对隐身目标采用不同隐身措施后的隐身效果。

目前，不管斜程大气光谱透过率，还是水平大气光谱透过率的评估，国内外大都采用软件计算的方法评估红外大气光谱透过率，最常用软件为美国的LOWTRAN和MOTRAN软件，计算时需要输入测试条件参数如吸收气体含量、温度、湿度、压力、海拔、气溶胶和能见度等的影响，输入测试条件不同，模拟计算结果也不同，但由于有些输入条件很难测试，但这些测试条件对模拟计算结果影响又非常大，导致大气光谱透过率软件计算结果与实际大气光谱透过率有很大的差异。更重要的是，有些特殊条件无法输入，如雾霾，据研究雾霾对水平大透过率的影响大于40％，因此采用软件模拟计算大气光谱透过率误差较大，严重影响了对目标的红外辐射侧准确测量。

发明内容

针对目前采用软件模拟计算方式在水平大气光谱透过率评估过程中存在的误差较大的不足，本发明提出了一种任意水平距离下(3-5)um和(8-12)um两个红外大气窗口的水平红外大气光谱透过率评估方法，解决水平红外大气光谱透过率的评估和现场测试问题，为红外目标特性研究和红外辐射定量测量提供保障。

本发明的水平红外大气光谱透过率评估方法主要包括两个步骤，第一步是近距离水平红外大气光谱透过率测量；第二步是远距离水平红外大气光谱透过率评估。

(1)近距离水平红外大气光谱透过率测量方法

本发明根据大气光谱透过率测量定义，要实现水平红外大气光谱透过率测量，需要提供两个设备：高稳定性的红外辐射目标和性能优良红外辐射探测仪器。红外辐射探测仪器测量在红外辐射目标l距离的红外辐射信号V(l)，以及“0”位置的红外辐射信号V(l₀)，将这两个测量值相比，即可得到测试距离l下的水平红外大气光谱透过率：

本发明采用的测量原理如图1所示。根据红外目标大小和测量仪器视场的匹配情况，分为图1.a和图1.b两种情形。若采用图1.a，即红外辐射靶板未充满红外光谱辐射计视场的原理，根据红外探测辐射理论，红外光谱辐射计输出V(l)为：

V(l)＝β_大气(l)τ_辐射计L_靶板·A_靶板·Ω_靶板 (2)

其中

公式(2)中β_大气是大气光谱透过率，τ_辐射计是红外光谱辐射计的光谱响应率，L_靶板是靶板的光谱辐射亮度，A_靶板靶板的面积，D_辐射计为辐射计的入瞳口径，l为测试距离，Ω_靶板是辐射计相对于靶板所张立体角。

L_靶板的值由红外辐射靶板性能参数，τ_辐射计、A_辐射、D_辐射计为红外光谱辐射计参数，均与测试距离l无关。但由公式(3)可知，当测试距离l发生变化时，Ω_靶板会随之变化，由公式(1)知V_辐射计就会发生变化。换句话说，计算辐射计V_辐射计除与大气光谱透过率的β_大气(l)有关，还会随着测试距离l的变化而变化，最重要的是，红外光谱辐射计视场均匀性较差，Ω_靶板变化会造成较大的测量误差。

若采用如图1.b测量原理，红外辐射靶板辐射面充满红外光谱辐射计的视场，公式(3)代入公式(2)化简得到：

公式(4)中由红外光谱辐射计的视场角决定，不会随测试距离l变化而变化；L_靶板、τ_辐射计、A_辐射、D_辐射计与测试距离l无关，令C即为常数，公式(4)变为：

V(l)＝Cβ_大气(l) (5)

公式(5)中，红外光谱辐射计的输出V_辐射计只随β_大气(l)的变化而变化，与其它参数无关。根据公式(5)，只要提供一个辐射稳定、亮度均匀的大面积红外辐射源，并保证其充满红外光谱辐射计的视场，则只要测试距离为“0”，是信号值V(l₀)，然后测量某距离l下大面积红外辐射源的信号值V(l)，将测量结果代入公式(1)即可实现水平红外大气光谱透过率测量。

因此，本发明选用图1.b的原理测量红外水平红外大气光谱透过率。

大气光谱透过率与红外辐射计的波长有关，可以是单波长，也可以是某个波段的大气光谱透过率值，测量选择的波长不同，大气光谱透过率测量结果也不尽相同。

本发明采用测量方法的关键是要求红外辐射靶板的辐射面充满红外光谱辐射计的视场。但由于红外辐射靶板有效辐射面不可能无穷大，辐射计的视场也不可能无限小，如辐射计采用5mrad的镜头，靶板辐射面直径为1米时，则测量距离最远为1/0.005＝200米才能保证充满视场，并且随着测量距离增加，红外辐射计信号变小，信噪比降低，也影响测量误差。因此，通过现场实际测量的方法只能实现有限距离水平红外大气光谱透过率测量。

(2)远距离水平红外大气光谱透过率评估方法

本发明采用(1)的方法，只实现了近距离水平红外大气光谱透过率测量。但目标红外辐射特性研究几百米时不够的，有的达到十几公里，尤其在红外半实物仿真研究方面。

本发明采用数据指数拟合的方法，计算远距离下水平红外大气光谱透过率值。

远距离水平红外大气光谱透过率评估的前提是假定测量时间内大气条件稳定，测量时间段内大气光谱透过率均匀，这样可认为测量现场任意位置水平红外大气光谱透过率相同，在这种情况下，可采用近距离水平红外大气光谱透过率的测量方法，得到多个测量点的大气光谱透过率值，然后对这些数据进行拟合，从而实现远距离水平红外大气光谱透过率评估。

根据大气衰减的布格尔定律：

1＝1₀·e^-β·l (6)

其中，β为比例系数，称为光谱衰减系数，与波长、介质密度、压力等有关；l为距离，单位为km。

可知，目标的光谱辐射强度随距离的衰减指数规律变化，根据这个理论，因而本发明拟采用指数函数拟合的方法实现远距离水平红外大气光谱透过率测量。为提高拟合精度，采用两个指数函数叠加。

本发明采用的指数拟合函数为：

τ(l)＝a·e^-l·b+c·e^-7·d (7)

当一个指数函数贡献为零，或者接近零时，相当于一个布格尔指数函数。通过数据拟合，可得到公式(7)的拟合系数a、b、c和d，将这些拟合系数代入(7)式，就可以得到远距离下水平大气光谱透过率计算公式，根据该公式，可以的任意远距离的水平红外大气光谱透过率值。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种水平红外大气光谱透过率评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采用红外辐射靶板、红外光谱辐射计和激光测距机，通过现场试验方式进行近距离水平红外大气光谱透过率测量，要求红外辐射靶板的辐射面充满红外光谱辐射计的视场；

步骤2：重复步骤1，获得若干组距离l与大气光谱透过率τ(l)的关系，将其带入公式

τ(l)＝a·e^-l·b+c·e^-l·d

拟合得到参数a、b、c和d；得到远距离下水平大气光谱透过率计算公式；

步骤3：根据远距离下水平大气光谱透过率计算公式计算任意远距离的水平红外大气光谱透过率。

有益效果

采用本发明可实现任意距离下水平红外大气光谱透过率测量。近距离水平红外大气光谱透过率测量采用现场直接测量的方法，即在确保红外辐射靶板充满红外光谱辐射计视场条件下，移动红外辐射靶板，采集红外光谱辐射计测量测试距离下红外辐射靶板的红外辐射信号，将该辐射信号值与“零”距离采集的红外辐射信号值相比，从而得到该距离的水平红外大气光谱透过率值；由于收到测量仪器、信噪比等影响，实际测量的方法只适合于有限远距离，为实现远距离水平红外大气光谱透过率评估，本发明在近距离水平红外大气光谱透过率的测量方法，测量多个测量点的大气光谱透过率值，再对这些数据进行指数函数拟合，从而实现远距离水平红外大气光谱透过率评估。

附图说明

图1：水平红外大气光谱透过率测量原理；

图2：近距离水平红外大气光谱透过率测量原理；

图3：远距离水平红外大气光谱透过率评估测量原理；

图4：l＝0.2km处水平红外大气3-5um透过率测量结果。

具体实施方式

本发明所基于的原理是首先采用近距离水平红外大气光谱透过率测量方法，然后采用指数函数拟合的方法，实现远距离水平红外大气光谱透过率的评估。在近距离水平红外大气光谱透过率测量中，为了得到某水平距离下的大气透过率值，在确保红外辐射靶板充满红外光谱辐射计视场条件下移动红外辐射靶板，采用红外光谱辐射计测量不同距离下红外辐射靶板的红外辐射信号，通过与“零”距离采集到红外辐射信号相比，从而得到该距离水平红外大气光谱透过率值；在距离水平红外大气光谱透过率的评估方法中，首先采用近距离水平红外大气光谱透过率的测量方法，得到多个测量点的大气光谱透过率值，然后对这些数据进行拟合，从而实现远距离水平红外大气光谱透过率评估。，

本发明具体实施过程如图2和图3。图2为近距离水平红外大气光谱透过率测量实施过程；图3为远距离水平红外大气光谱透过率的评估实施过程。

本发明近距离水平红外大气光谱透过率测量实施过程中红外辐射靶板采用上海光机所研制的HYFY1688型大面积红外辐射靶板，红外光谱辐射计选用美国BOMEN公司研制MR254型的红外光谱辐射。其中HYFY1688型大面积红外辐射靶板由大面积靶板辐射面、高精度温度控制***、稳定支撑装置组成红外辐射靶板采用上，该靶板采用三块拼接而成。该采用在靶板背面通过传导的方式加热，靶板背面加工成均匀的沟槽结构，将加热丝均匀分布在该沟槽内，靶板的侧面埋有高精度温度传感器用于测试其温度，靶板正面是红外辐射面，表面进行毛化处理，然后涂敷高发射率涂料，以保证辐射面有较高的发射率，涂敷工艺采用喷溅的方式，以保证涂料的均匀。辐射面尺寸达到1.2米×1.2米，该辐射靶温度范围为(环境温度+5～120)℃；面均匀性优于±2.0℃。MR254型的红外光谱辐射光谱辐射计采用光谱分光的形式，测量光谱范围2-14um，满足光谱测量的需求；最小视场镜头为2.5×10^-3rad镜头。

依据本发明的测量原理，红外大气光谱透过率测量时要求辐射源的辐射面充满红外辐射计的视场，所以测量前首先计算最远实测距离。HYFY1688靶板辐射面积最大直径为1.2米，MR254辐射计最小视场镜头为2.5×10^-3rad，则根据几何光学原理，最远距离不超过1.2/2.5×10-3＝480米。

测量某距离l处的大气透过率值时，如图2所示，首先确保红外光谱辐射计和红外辐射靶板的中心高一致，将红外光谱辐射计尽可能靠近红外辐射靶板，如图2a.所示，采用MR254采集光谱电压信号，即可得到距离l₀处红外辐射信号V(l₀)；在保持中心高不变，沿光轴方向移动红外辐射靶板，用激光测距机测量红外辐射靶板与红外光谱辐射计距离为l，则可得到距离l处红外辐射信号V(l)如图2.b.所示。将V(l₀)和V(l)代入公式(1),即可得到距离l处水平红外大气光谱透过率值。

图4为距离l＝0.2km处水平红外大气3-5um透过率测量结果，采用同样的方法可得到3-5um平均透过率为0.906。

根据本发明，为得到远距离水平红外大气光谱透过率值，需要实测近距离下多个点大气光谱透过率值，从而通过指数函数拟合得到远距离下的水平红外大气光谱透过率值。具体测量过程如下：

首先选取n个测试距离点，采用激光测距机确定测量位置，并做标记1、2，…i…n,如图3所示。

然后测量距离l₀处红外辐射信号V(l₀)；

然后将红外光谱辐射计移动到距离大面积红外辐射源l₁的位置“1”，其输出电压信号为V(l₁)，即可得到距离l₁处的大气光谱透过率值为：

接着将红外光谱辐射计移动到距离大面积红外辐射源l₂的位置“2”，其输出电压信号为V(l₂)，即可得到距离l₂处的大气光谱透过率值为：

依次类推：得到位置“i”，距离为l_i处的大气光谱透过率值为：

最后，得到位置“n”，最远测试距离为l_n处的大气光谱透过率值为：

最后将测量得到的l₁、l₂、l₃、…l_i…l_n下的大气光谱透过率值τ(l₁)、τ(l₂)、τ(l₃)、…τ(l_i)…τ(l_n)，采用Matlab 7.0的指数拟合函数进行拟合。

对表1的拟合结果如下：拟合系数为a＝＝0.2005；b＝-4.927；c＝0.7487；d＝-0.202。则远距离下大气光谱透过率估算公式为：

τ(l)＝0.2005·e^-4.927·l+0.7487·e^-0.202·l

根据该公式，可以计算远距离入2km、5km、10km的(3-5)um的平均大气光谱透过率。

τ(2)＝0.2005·e^-4.927·l+0.7487·e^-0.202·l＝0.499

τ(5)＝0.2005·e^-4.927·l+0.7487·e^-0.202·l＝0.273

τ(10)＝0.2005·e^-4.927·l+0.7487·e^-0.202·l＝0.10。

表1水平大气(3-5)μm透过率拟合数据

距离(Km)	透过率值
		0.0001	0.992
0.002	0.960
		0.005	0.942
0.01	0.925
		0.02	0.906
0.05	0.874
		0.1	0.840
0.15	0.815
		0.2	0.794
0.25	0.776
		0.3	0.760
0.35	0.745
		0.4	0.731

Claims (1)

1.一种水平红外大气光谱透过率评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采用红外辐射靶板、红外光谱辐射计和激光测距机，通过现场试验方式进行近距离水平红外大气光谱透过率测量，要求红外辐射靶板的辐射面充满红外光谱辐射计的视场；

步骤2：重复步骤1，获得若干组距离l与大气光谱透过率τ(l)的关系，将其带入公式

τ(l)＝a·e^-l·b+c·e^-l·d

拟合得到参数a、b、c和d；得到远距离下水平大气光谱透过率计算公式；

步骤3：根据远距离下水平大气光谱透过率计算公式计算任意远距离的水平红外大气光谱透过率。