趙 煜，吳 平，孫文芳

（南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京211100）

引言

紅外系統(tǒng)在預(yù)警探測領(lǐng)域中的作用日益重要。當(dāng)某一距離上所接收的目標(biāo)輻射剛好能達(dá)到預(yù)期的使用效果時(shí)，則此距離即為紅外系統(tǒng)的作用距離。影響紅外系統(tǒng)作用距離的主要因素有大氣的傳輸特性、探測系統(tǒng)的性能和目標(biāo)的紅外輻射特性等［1］。其中，紅外輻射在傳輸過程中受大氣環(huán)境和傳輸距離的影響很大［2－3］，因此大氣透過率的計(jì)算成為紅外系統(tǒng)作用距離計(jì)算的重要部分。一般來說大氣透過率計(jì)算途徑有2種：1）利用專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行精確計(jì)算；2）利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略計(jì)算。專業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算精度較高但使用復(fù)雜，且難以在紅外系統(tǒng)仿真軟件中直接調(diào)用其計(jì)算結(jié)果，而經(jīng)驗(yàn)公式無法描述復(fù)雜的大氣情況［4］。文中將介紹通過利用 MODTRAN軟件生成的不同波長的大氣透過率，配合紅外距離探測模型，建立紅外探測距離計(jì)算系統(tǒng)，能夠通過簡潔的參數(shù)操作，實(shí)現(xiàn)了紅外系統(tǒng)作用距離實(shí)時(shí)計(jì)算。

1 紅外系統(tǒng)作用距離計(jì)算

紅外系統(tǒng)的最大作用距離是評價(jià)紅外探測系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。紅外輻射在大氣傳輸過程中，因?yàn)榇髿夥肿拥倪x擇性吸收、氣溶膠的散射、氣象條件和海拔及天頂角等因素，使得大氣透過率τ成為與波長、傳輸距離以及大氣條件等因素有關(guān)的復(fù)雜參量，難以準(zhǔn)確地用函數(shù)表示出來，且作用距離是其自身的隱函數(shù)，這使得計(jì)算過程存在很大困難［5－6］。采用光譜間隔等分法，可得到紅外系統(tǒng)探測距離［7］：

式中：τλi（λi，R）為預(yù)估距離為R 時(shí)，波長為λi對應(yīng)的大氣透過率；A0為光學(xué)入瞳面積；At為目標(biāo)在探測方向的有效投影面積；Lλt、Lλb分別為目標(biāo)和背景的光譜輻射亮度；τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率，因?yàn)殡S波長變化很小，通常用常數(shù)表示；D＊（λ）為歸一化探測度；Ad為探測元響應(yīng)面積；Δf為測量電路的帶寬；VS／Vn為紅外系統(tǒng)的信噪比。

2 紅外系統(tǒng)作用距離計(jì)算系統(tǒng)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)按照紅外系統(tǒng)作用距離的模型分成了5個(gè)部分：紅外探測模塊、探測目標(biāo)模塊、大氣傳輸、模型計(jì)算部分、結(jié)果顯示模塊。

探測目標(biāo)模塊包括紅外目標(biāo)的溫度、投影面積、背景溫度等參數(shù)。紅外探測模塊主要包含紅外探測系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)。大氣傳輸模塊主要根據(jù)探測系統(tǒng)所處環(huán)境、探測路徑等條件建立出相應(yīng)的大氣模型，從而得到不同波長在傳輸過程中的平均大氣透過率。模型計(jì)算程序把獲取的各項(xiàng)參數(shù)代入到（1）式中，按照逐次逼近的方法求出最優(yōu)解。結(jié)果顯示模塊可以顯示系統(tǒng)計(jì)算出的紅外系統(tǒng)作用距離，并畫出在此次探測路徑下的波長－大氣透過率圖。

圖1 紅外系統(tǒng)作用距離計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Calculating system structure of operating distance for infrared system

3 大氣傳輸模塊

3.1 大氣傳輸模塊的組成

大氣傳輸模塊主要由MODTRAN軟件、MODTRAN模型配置程序和大氣透過率配置文件獲取程序構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 大氣傳輸模塊Fig.2 Atmospheric transmission module

計(jì)算程序?qū)h(huán)境參數(shù)及探測路徑參數(shù)寫入MODTRAN輸入配置文件tape5中，并調(diào)用MODTRAN程序，MODTRAN軟件計(jì)算并生成相應(yīng)的大氣透過率配置文件tape6，計(jì)算程序自動獲取大氣透過率配置文件中所需的參數(shù)信息。

3.2 大氣模型參數(shù)的寫入

MORTRAN計(jì)算不同環(huán)境的大氣透過率，為用戶參數(shù)選擇留有寫入接口，即寫入配置文件tape5。tape5文件里的配置參數(shù)有大量和本系統(tǒng)不相關(guān)的選項(xiàng)，為了簡捷輸入，紅外系統(tǒng)探測距離實(shí)時(shí)計(jì)算程序主要輸入的配置參數(shù)有大氣模型、探測方式、大氣環(huán)境等，計(jì)算程序所需的參數(shù)如表1所示。

表1 MODTRAN輸入配置文件tape5Table 1 MODTRAN configuration file tape5

大氣模型參數(shù)配置完畢，調(diào)用MODTRAN目錄中mod371.exe計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)束會自動生成輸出結(jié)果文件：tape6.txt。

3.3 大氣透過率配置文件信息獲取

MODTRAN軟件可以計(jì)算出在一定的大氣條件下，不同距離各波長的大氣透過率，并生成輸出結(jié)果文件。因?yàn)榇髿馔高^率本身就是距離R的函數(shù)，所以在計(jì)算紅外系統(tǒng)作用距離時(shí)，首先需預(yù)設(shè)探測系統(tǒng)的作用距離為R，通過讀取大氣透過率配置文件中的預(yù)設(shè)距離R1及其所對應(yīng)的波長和大氣透過率值，代入后續(xù)計(jì)算模型才能計(jì)算出相應(yīng)的作用距離R2［8－9］。當(dāng)R1，R2誤差在允許誤差范圍之內(nèi)時(shí)，此時(shí)計(jì)算出的紅外系統(tǒng)作用距離即系統(tǒng)最終顯示的距離。

要獲得所需的數(shù)據(jù)，首先需要定位查找出所需數(shù)據(jù)，將其按一定方式存放。主要流程如圖3所示。

整個(gè)定位獲取過程分為4個(gè)步驟：

1）程序開始，首先定位判斷探測方式，因?yàn)樗教綔y和傾斜探測配置表頭格式不同，因此定位方式不同。

2）定位獲取相應(yīng)探測方式下的探測預(yù)設(shè)距離。

3）定位獲取相應(yīng)預(yù)設(shè)距離下的波長及大氣透過率。

4）定位判斷預(yù)設(shè)距離是否獲取完畢，如完畢，定位獲取下一預(yù)設(shè)距離，即返回步驟2。

數(shù)據(jù)信息獲取完畢后，數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)見表2。

圖3 核心定位程序流程圖Fig.3 Flow chart of core positioning program

表2 提取出的預(yù)設(shè)距離、波長、大氣透過率的存儲結(jié)構(gòu)Table 2 Storage structure of extracted preset distance，wavelength and atmospheric transmittance

利用表2所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以方便程序調(diào)用，用于后續(xù)計(jì)算。

4 紅外系統(tǒng)作用距離顯示系統(tǒng)界面及功能

紅外系統(tǒng)作用距離顯示系統(tǒng)界面如圖4所示。通過配置大氣透過率（圖5）、輸入探測目標(biāo)參數(shù)及探測系統(tǒng)參數(shù)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出紅外系統(tǒng)作用距離。為了便捷輸入、快速計(jì)算，系統(tǒng)預(yù)設(shè)了一些典型的參數(shù)供選取。為了直觀地反映計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)可以顯示大氣透過率與波長的關(guān)系曲線，如圖6、圖7、圖8所示。通過系統(tǒng)畫出的大氣透過率－波長圖，可以清楚的看到不同預(yù)估距離下大氣透過率隨波長的變化。

圖4 紅外系統(tǒng)作用距離實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的主界面Fig.4 Main interface of real-time display system for operating distance of infrared system

圖5 配置大氣透過率界面Fig.5 Interface for atmospheric transmittance configuration

圖6 顯示當(dāng)前計(jì)算大氣透過率圖界面Fig.6 Display interface for current atmospheric transmittance figure

通過此系統(tǒng)可以快速方便地計(jì)算出采用紅外探測系統(tǒng)在不同視距高度水平探測目標(biāo)的距離。圖9為該系統(tǒng)計(jì)算的Catherine-GP熱像儀在不同高度、不同地理位置的紅外目標(biāo)最大探測距離，其中探測方式為水平探測，目標(biāo)投影面積為30m2，目標(biāo)溫度為308K。

圖7 顯示當(dāng)前計(jì)算大氣透過率中水分子透過率隨波長的變化圖Fig.7 Display interface for variation tendency chart of water molecular transmittance with wavelength

圖8 顯示當(dāng)前計(jì)算大氣透過率中臭氧透過率隨波長的變化圖Fig.8 Display interface for variation tendency chart of ozone transmittance with wavelength

圖9 高緯度夏天、中緯度夏天，不同高度紅外系統(tǒng)作用距離的變化趨勢Fig.9 Variation trend chart of infrared system operating distance in summer in high latitudes and mid latitudes with different heights

通過圖9可以清楚地看到紅外系統(tǒng)作用距離隨著探測高度增加不斷變大，其中高度區(qū)域1km～3km范圍內(nèi)，探測距離變化明顯。探測高度5km之上，探測距離變化很小。同樣探測高度時(shí)，高緯度地區(qū)探測距離要大于低緯度地區(qū)的探測距離，這個(gè)差距在探測高度6km以上時(shí)，逐漸趨于0。

利用MODTRAN建立復(fù)雜的大氣條件模型，配合作用距離計(jì)算系統(tǒng)，可以方便地繪制出一些極端條件下紅外探測距離變化趨勢圖。圖10是在不同降雨量條件下紅外系統(tǒng)作用距離的變化趨勢圖。可以看出降雨對紅外系統(tǒng)作用距離影響明顯，但隨著降雨強(qiáng)度的增大，紅外系統(tǒng)作用距離的變化率是逐漸變小的。

10 紅外系統(tǒng)作用距離隨降雨強(qiáng)度的變化趨勢圖Fig.10 Variation trend chart of infrared system operating distance with rainfall intensity

4 結(jié)論

本文介紹的紅外系統(tǒng)作用距離實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)能夠方便地配置、調(diào)用MODTRAN生成大氣模型，解決了大氣軟件計(jì)算結(jié)果難以在紅外仿真軟件中調(diào)用的問題。比傳統(tǒng)的方法更簡便，快捷。通過系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果可知水平探測時(shí)，探測高度的變化對于紅外系統(tǒng)作用距離有比較明顯的影響，其中在1km～3km探測高度范圍內(nèi)，探測距離變化尤為明顯。降雨對于紅外系統(tǒng)作用距離影響巨大。降雨強(qiáng)度為1mm／h時(shí)，紅外系統(tǒng)作用距離衰減為無降雨時(shí)的50%。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于3mm／h時(shí)，作用距離趨于穩(wěn)定。

［1］ 巢時(shí)宇，李桂祥，李志淮，等.紅外系統(tǒng)距離方程與作用距離分析［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（5）：318-321.CHAO Shi-yu，LI Gui-xiang，LI Zhi-huai，et al.A-nalysis of distance equation and operating range of infrared system［J］.Journal of Air Force Radar Acade-my，2011，25（5）：318-321.（in Chinese with an English abstract）

［2］ 張鵬，吳平，賈全濤，等.基于新型 MRTD模型研究掃描型紅外熱像儀的視距［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32（5）：998-1002.ZHANG Peng，WU Ping，JIA Quan-tao，et al.New MRTD model for range prediction of scanning thermal imager［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（5）：998-1002.（in Chinese with an English abstract）

［3］ 郝繼平，黃平華，杜成功.紅外搜索設(shè)備作用距離等效分析與應(yīng)用［J］.應(yīng)用光學(xué)，2004，25（4）：41-44.HAO Ji-ping，HUANG Ping-hua，DU Cheng－gong.Application and equivalent analysis of detection distance of infrared surveillance equipment［J］.Journal of Applied Optics，2004，25（4）：41-44.（in Chinese with an English abstract）

［4］ 王充，汪衛(wèi)華.紅外輻射大氣透過率研究綜述［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8（4）：73-76.WANG Chong，WANG Wei-hua.Summarization on atmospheric transmittance of infrared radiation［J］.Equipment Environmental Engineering，2011，8（4）：73-76.（in Chinese with an English abstract）

［5］ BEIER K，GEMPERLEIN H.Simulation of infrared detection range at fog conditions for enhanced vision systems in civil aviation［J］.Aerospace Science and Technology，2004，8：63-71.

［6］ BUSKILA K，TOWITO S，SHMUEL E，et al.Atmospheric modulation transfer function in the infrared［J］.Appl.Opt.，2004，43：471-482.

［7］ 馬鶴，吳平，趙煜.一種基于離散光譜透過率的紅外探測距離模型研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2013，34（3）：532-536.MA He，WU Ping，ZHAO Yu.An infrared detection range model based on discrete spectral atmosphere transmittance［J］.Journal of Applied Optics.，2013，34（3）：532-536.（in Chinese with an English abstract）

［8］ MARKIN V A.Temperature-sensitivity limits of thirdgeneration thermal viewers［J］.Opt.Technol.，2010，77：119-125.

［9］ 賈全濤，吳平，馬鶴.利用光譜等分法對紅外系統(tǒng)作用距離的計(jì)算［J］.紅外與激光工程，2012，41（10）：2600-2603.JIA Quan-tao，WU Ping，MA He.Calculation of operating range of infrared system using spectrum interval bisection method［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（10）：2600-2603.（in Chinese with an English abstract）