長(zhǎng)春理工大學(xué) 賈光亮 宋雨宸

1 引言

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外輻射在大氣中的傳輸研究越來(lái)越受到關(guān)注。而紅外輻射的重要參數(shù)是大氣透過(guò)率。但在復(fù)雜環(huán)境條件下紅外輻射大氣透過(guò)率的計(jì)算問(wèn)題比較復(fù)雜，沒(méi)有所對(duì)應(yīng)的曲線及數(shù)據(jù)庫(kù)作為參照，所以需要進(jìn)行深入探討。

為了準(zhǔn)確計(jì)算和模擬大氣紅外輻射特征，我們需要建立準(zhǔn)確的大氣輻射傳輸模型。本課題研究的基于MODTRAN的紅外大氣透過(guò)率計(jì)算方法的研究，分析不同氣候條件下對(duì)熱紅外大氣透過(guò)率的影響，找到影響大氣透過(guò)率的關(guān)鍵因素，解決大氣透過(guò)率精確計(jì)算的問(wèn)題，對(duì)紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能評(píng)估具有參考價(jià)值。

2 方案設(shè)計(jì)

理論分析大氣對(duì)紅外輻射傳輸?shù)挠绊懀?jì)算不同參數(shù)下的紅外大氣透過(guò)率，構(gòu)建不同參數(shù)所對(duì)應(yīng)的紅外大氣透過(guò)率曲線。

2.1 紅外大氣透過(guò)率計(jì)算的理論基礎(chǔ)

大氣對(duì)紅外輻射的減弱過(guò)程稱為衰減。輻射衰減是大氣對(duì)紅外系統(tǒng)最主要的影響。紅外輻射衰減主要與以下三種因素有關(guān)：①大氣中水、二氧化碳分子的吸收；②大氣中的不同大分子結(jié)構(gòu)、氣溶膠顆粒以及其他微粒的散射；③不同氣象條件(雪雨霧云天氣)的衰減。輻射后通過(guò)的大氣透過(guò)率τ表示為：

其中：(1)式中σ為衰減系數(shù)，χ為紅外輻射傳輸路徑的長(zhǎng)度。大多數(shù)情況下，衰減由多種情況構(gòu)成：

其中：(2)式中α為吸收系數(shù)；而γ為散射系數(shù)，主要是大氣中氣體分子、氣溶膠顆粒的散射。散射系數(shù)α和吸收系數(shù)γ均與波長(zhǎng)有關(guān)。

2.2 影響大氣透過(guò)率的因素分析及計(jì)算

大氣中的二氧化碳、水蒸氣和臭氧是對(duì)紅外輻射影響最大三種元素。由于臭氧在大氣層的成分很低，通常不予考慮。

①大氣中存在水蒸氣對(duì)紅外大氣透過(guò)率的影響

用matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)線性擬合和處理，每多對(duì)數(shù)據(jù)擬合出一條函數(shù)曲線，當(dāng)次數(shù)過(guò)高時(shí)曲線波動(dòng)會(huì)增大。從而得出在任何范圍內(nèi)的水蒸汽含量和大氣透過(guò)率的關(guān)系。

②大氣中二氧化碳吸收影響下的紅外大氣透過(guò)率

③大氣中氣溶膠散射的影響下紅外大氣透過(guò)率

對(duì)于任意波長(zhǎng)λ，光譜散射系數(shù)為：

在式(7)、(8)中：λ0為探測(cè)氣象能見(jiàn)度是所用的波長(zhǎng)；q為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，當(dāng)大氣能見(jiàn)度好時(shí)q=1.6；對(duì)于中等能見(jiàn)度天氣，q=1.3；對(duì)于霧霾天氣下能見(jiàn)度：

④氣象條件影響下的紅外大氣透過(guò)率

有關(guān)云、霧、霾等的影響已經(jīng)在氣溶膠對(duì)紅外大氣透過(guò)率的影響中探討，而在下雨的環(huán)境下會(huì)明顯出現(xiàn)熱輻射衰減，所以需要考慮降雨天氣對(duì)紅外輻射大氣透過(guò)率的影響。

雨滴對(duì)對(duì)應(yīng)的紅外輻射衰減系數(shù)為α。衰減系數(shù)取決于降雨強(qiáng)度。雨滴的衰減系數(shù)可以被表示為：

其中：在3-5um紅外波段，a的取值為0.336、b的取值0.577；在8-12um紅外波段范圍內(nèi)，a一般為0.444、b一般情況下為0.525；定義降雨強(qiáng)度為J。則可以根據(jù)雨量的大小，所以，由降雨所導(dǎo)致的紅外大氣透過(guò)率可以表示為：

經(jīng)過(guò)理論分析，通過(guò)查表及數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出不同參數(shù)下的紅外輻射在大氣中的透過(guò)率。并利用matlab軟件進(jìn)行線性擬合，觀察擬合效果。

2.3 構(gòu)建紅外大氣透過(guò)率曲線

根據(jù)公式(1)～(13)，通過(guò)查表及數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出不同環(huán)境的參數(shù)下紅外輻射在大氣中透過(guò)率，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到不同環(huán)境參數(shù)下的紅外大氣透過(guò)率曲線圖。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

數(shù)據(jù)用利用MODTRAN軟件仿真，給出仿真結(jié)果和分析，構(gòu)建所對(duì)應(yīng)的大氣透過(guò)率曲線，建立紅外大氣模型，計(jì)算紅外大氣透過(guò)率。

在中緯度某農(nóng)村，能見(jiàn)度為5km的夏季氣象條件，水平路程為20km的范圍內(nèi)，分別研究了不同海拔高度時(shí)總的大氣透過(guò)率如圖1所示。

圖1 不同海拔高度時(shí)總的大氣透過(guò)率

從圖1可以看出，紅外輻射的大氣透過(guò)率隨著海拔高度的增加而迅速逐漸增加，當(dāng)達(dá)到定高度后，透過(guò)率變化逐漸變慢。

圖2 水蒸氣對(duì)3～5μm(左)8～12μm(右)紅外輻射水平傳輸透過(guò)率光譜曲線

圖3 不同海拔高度時(shí)二氧化碳對(duì)3-5um(左)8-12um(右)紅外輻射水平傳輸透過(guò)率的作用光譜曲線

圖4 不同天頂角對(duì)紅外輻射透過(guò)率的光譜曲線

從圖2所示中可以清晰的看出水蒸氣對(duì)紅外輻射的衰減作用隨著海拔高度的增加而明顯減弱。這是因?yàn)榈孛嫠终舭l(fā)后在上升氣流的作用下運(yùn)輸?shù)娇罩?，隨著上升距離的增加，水蒸氣密度減小。

從圖3所示可以看出二氧化碳在中心譜線4.3 um附近有強(qiáng)烈的吸收，基本全部吸收。由此可以考慮到二氧化碳分了與此波段內(nèi)的紅外光譜區(qū)域的振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)共振頻率比較相符。

從圖4所示中可以看出，當(dāng)天頂角從0增加，在一定天頂角度數(shù)范圍內(nèi)變化時(shí)，其透過(guò)率變化不大。但總體而言，當(dāng)天頂角增大時(shí)其對(duì)應(yīng)的斜程距離也相應(yīng)增加，在每一層通過(guò)的距離也隨之增加，因此每一層中分了與其振一轉(zhuǎn)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的光譜作用時(shí)問(wèn)變長(zhǎng)、次數(shù)變多，同時(shí)氣溶膠的散射也會(huì)加強(qiáng)，所以紅外輻射大氣透過(guò)率隨著天頂角的增加而降低，當(dāng)天頂角超過(guò)一定度數(shù)時(shí)會(huì)迅速衰減。

4 總結(jié)

通過(guò)MODTRAN的紅外大氣透過(guò)率計(jì)算，從理論計(jì)算和軟件仿真兩方面進(jìn)行對(duì)比，確定影響大氣透過(guò)率的關(guān)鍵因子。

[1]A.G.Rao,S.P.Mahulikar,Effect of atmospheric transmission and radiance on aircraft infrared signatures,J.Aircraft 42(4)(2005):1046-1054.

[2]J.R.Pardo,J.Cernicharo,E.Serabyn,Atmospheric transmission at microwaves(ATM):an improved model for millimeter/submillimeter applications,antennas propagation,IEEE Trans.49(12)(2001):1683-1694.

[3]張新安.GD10-021大氣紅外吸收機(jī)理探討[C].全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì),2012.

[4]王歡.大氣窗口主要分子紅外吸收光譜特性研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院,2010.

[5]齊衛(wèi)紅,尉昊赟,陰麗娜.大氣成分探測(cè)紅外光譜儀系統(tǒng)指標(biāo)分析[J].航天返回與遙感,2013,34(5):36-45.

[6]溫迪施.大氣輻射傳輸原理[M].高等教育出版社,2014.

[7]石廣玉.大氣輻射傳輸學(xué)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1991,6(5):71-73.

[8]張肇先,疏小舟,褚君浩,等.762nm氧分子吸收帶在非均勻大氣中不同投射角的大氣透過(guò)率準(zhǔn)確模型[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2012,31(3):203-209.

[9]馬力.大氣輻射傳輸軟件MODTRAN5的性能分析[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2016.

[10]張肇先,疏小舟,褚君浩,等.762nm氧分子吸收帶在非均勻大氣中不同投射角的大氣透過(guò)率準(zhǔn)確模型(英文)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2012,31(3):203-209.