雨天中波紅外探測(cè)距離指標(biāo)分析

李宏剛 陳曉

摘 要 紅外探測(cè)器廣泛應(yīng)用于試飛測(cè)量中，但是紅外受到降雨的影響也比較突出，對(duì)雨天中波紅外探測(cè)距離指標(biāo)的分析關(guān)系到使用范圍的大小。

關(guān)鍵詞 紅外探測(cè)器;距離模型;使用范圍

1 紅外探測(cè)器作用距離數(shù)學(xué)模型

紅外成像系統(tǒng)作用距離可以依據(jù)約翰遜法則來(lái)進(jìn)行計(jì)算，假定在某一距離，接收的目標(biāo)輻射能量剛好能達(dá)到預(yù)期的使用效果，則這個(gè)距離稱為探測(cè)系統(tǒng)的最大作用距離，也就是探測(cè)目標(biāo)的最大距離。

當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入紅外系統(tǒng)入瞳中心的張角小于系統(tǒng)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)角時(shí)，即目標(biāo)在探測(cè)器上的成像理論上小于一個(gè)像素時(shí)，但由于大氣散射和光學(xué)系統(tǒng)影響，目標(biāo)通常在10個(gè)像元左右，即

大小。假設(shè)經(jīng)過(guò)衰減后的目標(biāo)輻射亮度為，輻射面積為，經(jīng)過(guò)衰減后的均勻背景的輻射亮度為，背景面積為;紅外光學(xué)系統(tǒng)的入瞳面積為，目標(biāo)到探測(cè)器的有效距離為，如圖16所示：

圖16 均勻背景下小目標(biāo)輻射的關(guān)系

紅外成像系統(tǒng)作用距離的數(shù)學(xué)模型如下式所示：

其中，R為目標(biāo)到系統(tǒng)的作用距離，m;為信號(hào)提取因子;為目標(biāo)的有效輻射面積，cm2;為目標(biāo)的輻射亮度，

;為目標(biāo)在焦平面上所占的像元數(shù)：

為背景輻射亮度，

;為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積，m2;為大氣透過(guò)率;為工作時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率;為探測(cè)器單個(gè)像元面積，cm2;為工作時(shí)的積分時(shí)間，s;為波段有效探測(cè)度，cmHz1/2/W;SNR為探測(cè)器輸出的、可探則的最低信噪比[1]。

2 雨雪氣象天氣對(duì)探測(cè)距離的影響

2.1 大氣透射率

雨雪天氣對(duì)紅外探測(cè)距離的主要影響體現(xiàn)在對(duì)大氣透過(guò)率的影響上。

光波在大氣中的傳播有明顯的衰減過(guò)程，大氣對(duì)飛機(jī)目標(biāo)紅外輻射的衰減主要來(lái)自于大氣氣體分子（H2O、CO2等）的吸收衰減、氣溶膠粒子的散射衰減以及霧雨雪等氣象因素引起的衰減。

溫度為T、相對(duì)濕度為r、降雨強(qiáng)度為Jr 、降雪強(qiáng)度為Js的氣象條件下，紅外輻射在傾斜路程（距離為S、仰角為θ、海拔高度為H0）大氣透過(guò)率τa （λ） 的近似計(jì)算公式為：

式中：、 分別為在大氣溫度為5℃、相對(duì)濕度為100% 時(shí)水蒸氣和二氧化碳的光譜吸收系數(shù);f為溫度為T 時(shí)飽和空氣中的水蒸氣質(zhì)量。因而，在知道大氣溫度、相對(duì)濕度、降雨/雪強(qiáng)度，就可獲得距離為S、仰角為θ、海拔高度為 H0的傾斜路程的大氣透過(guò)率。

2.2 氣象衰減

氣象（霧、雨、雪）粒子的尺寸通常比紅外波長(zhǎng)大得多，由米氏理論，其產(chǎn)生的衰減為非選擇的輻射散射。雨、雪與其強(qiáng)度相關(guān)的散射衰減系數(shù)可采用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中： Jr和Js為與氣象條件有關(guān)的降雨、降雪強(qiáng)度，單位為 mm/h 。

由雨、雪造成的氣象衰減透射率為：

3 下雨對(duì)紅外探測(cè)距離的影響

通常說(shuō)的小雨、中雨、大雨、暴雨等，一般以日降雨量衡量。其中小雨指日降雨量在10毫米以下;中雨日降雨量為10～25毫米;大雨降雨量為25～50毫米;暴雨降雨量為50～100毫米;大暴雨降雨量為100～250毫米;特大暴雨降雨量在250毫米以上。

通過(guò)計(jì)算晴天、小雨、中雨、大雨條件下、大氣透過(guò)率。

在能見度20km，溫度25℃，濕度≤60%前提下的晴天、小雨、中雨、大雨，對(duì)于3μm～5μm中波波段紅外探測(cè)器，透過(guò)率以及探測(cè)距離數(shù)值估算如下。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立紅外探測(cè)器作用距離數(shù)學(xué)模型，計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)指標(biāo)條件下的雨天紅外探測(cè)距離，此計(jì)算結(jié)果可以應(yīng)用于試飛測(cè)量環(huán)境的分析中。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮云松，金偉，路遠(yuǎn)，等.紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)某型隱身飛機(jī)的作用距離分析[J].火力與指揮控制，2014，（1）：153-156.