太陽、天空和海面自身輻射對海洋背景總體輻射影響分析

陳 瑜，胡云安，李海燕，耿寶亮

（海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì)；b.控制工程系，山東 煙臺 264001）

反艦導(dǎo)彈已經(jīng)成為水面艦艇面臨的主要威脅，世界各國都非常重視艦艇防空體系的建立。目前世界上許多國家都已經(jīng)裝備或者引進(jìn)了末端防御導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，其中美、俄、英、法、瑞典、以色列等國家獨(dú)立發(fā)展了艦載末端防御系統(tǒng)，典型的有美國的“拉姆(RAM)”系統(tǒng)、俄羅斯的“喀什坦”彈炮結(jié)合系統(tǒng)、英國的“海光”、法國“西北風(fēng)”等。海面背景的輻射特性研究對海面導(dǎo)彈紅外仿真和紅外探測、識別具有重要意義。一方面，導(dǎo)彈表面吸收和反射背景輻射，因而海面背景會對導(dǎo)彈表面的輻射場造成影響；另一方面，作為導(dǎo)彈紅外熱像的主要背景，海面背景與導(dǎo)彈目標(biāo)的紅外對比度(輻射亮度的差值)是分辨導(dǎo)彈目標(biāo)的主要依據(jù)。

文獻(xiàn)[1-3]分析了大氣傳輸對海面輻射的影響。文獻(xiàn)[4-6]分析了各個(gè)波段太陽輻射、天空輻射和海面輻射對紅外探測的影響，但在分析中只考慮了天空單次散射太陽光的情況，沒有考慮天空多次散射太陽光的情況，并且沒有對不同天頂角太陽的輻射情況進(jìn)行分析，也沒有考慮海面主探測器之間的大氣輻射的情況。本文針對這些問題進(jìn)行了分析，具體分析了在不同波段、不同天頂角和不同大氣模式下太陽輻照度及大氣對太陽輻照度的影響。對不同波段下太陽對天空輻射的影響進(jìn)行了具體分析，并詳細(xì)討論了在紅外波段下，天空輻射、海面自身輻射、海面至探測器之間的大氣輻射及海面反射輻射對紅外探測器的影響程度。

1 海背景紅外輻射的計(jì)算方法

海洋光輻射由海洋本身的熱輻射和它對環(huán)境輻射的反射組成，用探測器測量海背景的光輻射時(shí)(見圖1)，探測器接收到的海背景光輻射包括：海面的熱輻射；海面反射的天空(含太陽和云層)輻射；海面至探測器間光學(xué)路徑上的大氣輻射[7]。表達(dá)式為

式中：τλ為大氣光譜透過率；ρλ為海面光譜反射率；ελ為海面光譜發(fā)射率；LλbT(sea)為海面溫度的黑體光譜輻射亮度；Lλ(sky)為天空光譜輻射亮度；Lλ(air)為光學(xué)路徑上的大氣光譜輻射亮度。

圖1 海面輻射探測示意圖

2 簡化的海面輻射計(jì)算模型

計(jì)算模型的建立應(yīng)滿足的條件為[8]：

1)探測器探測海面時(shí)，有很大的海面為探測器視場角所包容；

2)將處于視場角內(nèi)的海面分為若干小塊，如圖2所示，則每小塊面積的輻射可以看成點(diǎn)源發(fā)射，可以按一般的遠(yuǎn)場理論進(jìn)行處理。

圖2 視場角內(nèi)的海面

設(shè)iE為探測器上的輻照度，Ii為海面的輻射強(qiáng)度，Miλ為海面的輻射出射度，iL為海面的輻射亮度，ΔAsi為海面上的小面積，cA為探測器孔徑面積，sA為海面面積，il為ΔAsi中心o與cA中心 o'的距離，于是海面的輻射功率為

式中：Ω為探測器孔徑面積cA 所對應(yīng)的立體角。

dΩ的值為

式中：cθ為cA法線cn與il的夾角。

則入射到探測器孔徑上的輻射照度為

又知

所以

式中：siθ為ΔAsi法線sn與il的夾角。

當(dāng)考慮大氣衰減，并假設(shè)海面到探測器足夠遠(yuǎn)，各小ΔAsi有相同的siθ和li，這里用sθ和l表示，于是探測器孔徑上所接受到的總功率為

式中：τ(λ)為透過率；Mλ為海面的輻射出射度。Mλ包括5部分：海洋本身的輻射；探測器與海面之間的大氣輻射；天空大氣照射到海面，經(jīng)海面反射進(jìn)到探測器的輻射；天空散射太陽光進(jìn)入到探測器的輻射；太陽照射到海面上經(jīng)反射進(jìn)到探測器的輻射。

3 輻射傳輸算法及軟件分析

目前國內(nèi)外在大氣輻射傳輸模型方面的研究進(jìn)展，應(yīng)用最多并且效果較好的輻射傳輸模型是由美國空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的系列軟件[9-11]：LOWTRAN(包括PcLnWin)、MODTRAN(包括PcModWin)和FASCODE。

最直接和精確的方法是逐線積分法，最有代表性的大氣輻射程序是FASCODE，它是逐線計(jì)算單色大氣透過率，考慮所有對輻射傳輸產(chǎn)生影響的吸收線；即計(jì)算某一波數(shù)處的吸收系數(shù)，必須對全部有影響的吸收線在這一波數(shù)處的吸收系數(shù)求和。FASCODE模型雖然精確度較高，但需耗費(fèi)大量的時(shí)間求積分，不適于實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)性的要求，仍然主要作為實(shí)驗(yàn)室中的評測標(biāo)準(zhǔn)。

MODTRAN 由LOWTRAN代碼直接發(fā)展而來，實(shí)際上包含了全部LOWTRAN模型的選項(xiàng)，可以計(jì)算指定大氣路徑上的透過率和輻射。MODTRAN的有效電磁波譜范圍可以覆蓋0～50 000 cm-1(波長為0.2 μm～∞)，與LOWTRAN相比，改進(jìn)了LOWTRAN的光譜分辨率，將光譜半高寬度由LOWTRAN 7的20 cm-1減少到2 cm-1。它的主要改進(jìn)包括發(fā)展了一種2 cm-1光譜分辨率的分子吸收的算法和更新了對分子吸收的氣壓溫度關(guān)系的處理，同時(shí)維持了LOWTRAN 7的基本程序和使用結(jié)構(gòu)。

由以上分析，考慮到在艦載末端防御系統(tǒng)中對探測精度和實(shí)時(shí)性的要求，選擇MODTRAN 來分析海面光輻射和大氣輻射傳輸是最理想的。

4 海洋背景光輻射仿真分析

4.1 太陽輻射的仿真分析

太陽直接照射是目標(biāo)接收熱流的主要部分之一，太陽照射能量有99%的集中在0.275～0.5 μm 波段的范圍內(nèi)，輻照度最大值在0.48 μm 左右[12-13]。太陽輻射照度在傳輸?shù)倪^程中要經(jīng)過大氣的吸收和散射，會使到達(dá)海面的輻射照度減少，對海面整體輻射有較大的影響。圖3是在MODTRAN 中設(shè)定太陽天頂角一定，標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境，鄉(xiāng)村能見度為23 km下，在0.275～3 μm 波長范圍內(nèi)太陽輻射照度在大氣層內(nèi)外的比較。

圖3 大氣層內(nèi)外太陽輻照度比較

從圖3的仿真可以看出太陽輻射照度經(jīng)過大氣衰減后有較大的波動。主要是由于水蒸氣、二氧化碳、臭氧的吸收和氣溶膠的吸收與散射引起的。太陽輻射照度的減少會使海面反射太陽的輻射減少，相反，天空的輻射會因吸收和散射太陽的能量而增加。

太陽天頂角是影響太陽輻射照度的另一重要因素，這是由于當(dāng)天頂角不同時(shí)，太陽經(jīng)過大氣的傳輸路徑不同，會使到達(dá)海面的輻射照度和天空的輻射有所改變。圖4設(shè)定的大氣狀態(tài)和波段與圖3所設(shè)相同，太陽天頂角分別是為10、30、45、60和75 度時(shí)的大氣透過率的情況。

圖4 不同天頂角的大氣透過率比較

從圖4的仿真可以看出，太陽天頂角越大，大氣透過率越小，這是由于隨著太陽天頂角的增大，陽光所傳播的路徑變長，衰減越多，所接收的太陽輻射也隨之減少；同理，觀測高度越高，太陽輻射路徑越短，衰減越少，所接收的太陽輻射也隨之越多。

太陽光在可見光波段，輻射照度很大，紅外波段相比較而言很小，對海面的輻射的影響會有所降低。

圖5在MODTRAN 中設(shè)定的大氣狀態(tài)和太陽天頂角與圖3相同，波長在3～5 μm和8～14 μm 兩個(gè)紅外大氣窗口內(nèi)太陽輻射照度在大氣層內(nèi)外的比較。

圖5 3～5 μm和8～14 μm大氣層內(nèi)外太陽輻照度比較

從圖5可以看出，相比可見光波段，在紅外波段太陽輻射照度比較小，在紅外波段，3～5 μm的輻照度比8～14 μm 大兩個(gè)量級左右。

為了比較大氣對太陽輻射照度的影響，圖6設(shè)定太陽天頂角一定，大氣模式分別為中緯度夏季、冬季大氣和亞北極區(qū)夏季、冬季時(shí)，在0.275～0.5 μm波長范圍內(nèi)大氣透過率的比較。

從仿真可以看出，4種大氣模式下，大氣透過率幾乎不發(fā)生變化，以此可得季節(jié)和緯度的變化對太陽的輻照度影響不大，可以忽略，冬季比夏季透過率稍高一些。

圖6 4種大氣模式下大氣透過率比較

4.2 天空和海面自身輻射的仿真分析

白天，天空的紅外輻射是散射的太陽光和大氣熱輻射的組合。當(dāng)電磁波由方向Ω0前進(jìn)時(shí)，它被介質(zhì)散射過程包括單次散射和多次散射過程，散射過程如圖7所示。

圖7 單次散射和多次散射示意圖

為了分析天空輻射對探測器的影響作用，建立如圖8所示的一種紅外探測模型，選取有關(guān)參數(shù)為：紅外探測波段預(yù)定為覆蓋0.76～14 μm 范圍內(nèi)的光譜區(qū)間；紅外探測器在海面20 km的高度，反照率設(shè)為海洋反射率，卡片值SALE 設(shè)為?5；大氣模式選擇1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣；氣溶膠選擇海軍海洋型氣溶膠；設(shè)定太陽的天頂角為60°；探測器天頂角設(shè)為180°。

圖8 紅外探測模型

散射太陽光是天空紅外輻射的重要組成部分，并且這部分能量會對海面輻射有較大的影響，在近紅外波段尤為突出。在圖8所示模型的基礎(chǔ)上，在0.76～3 μm 波段范圍內(nèi)，圖9～10分別是天空多、單次散射太陽光時(shí)海面總體輻射的變化情況。

圖9 天空多次散射太陽光對海面總體輻射的影響

圖10 天空單次散射太陽光對海面總體輻射的影響

從仿真可以看出，在此波段內(nèi)探測器得到的海面總體輻射主要為天空散射太陽光的輻射和海面反射的輻射?？紤]傳輸過程中多次散射的情況下，太陽光到達(dá)探測器的能量是單次散射的3 倍。所以，在3 μm以下的天空輻射，必須考慮太陽光在傳播過程中多次散射的情況。

在中紅外和遠(yuǎn)紅外，太陽對天空輻射的影響會降低，太陽和天空對海面總體輻射的影響也隨之降低。圖11、12是在圖8模型的基礎(chǔ)上，分別在3～5 μm和8～14 μm 兩個(gè)紅外大氣窗波段范圍內(nèi)探測器接受海面總體輻射的情況。從仿真圖可以看出，在這兩波段內(nèi)，海面總體輻射主要由海面自身輻射、海面到探測器之間的大氣路徑輻射和海面反射天空的輻射組成，海面自身的輻射對最后的總體輻射影響最大，反射輻射最小。海面的熱輻射在8～14 μm波段比3～5 μm 波段的輻射大一個(gè)數(shù)量級左右。在3～5 μm的范圍內(nèi)，天空的紅外輻射最小，比在3 μm以下的波段的輻射小兩個(gè)數(shù)量級，比8～14 μm 波段的輻射小一個(gè)數(shù)量級。大氣路徑輻射在8～14 μm 波段比3～5 μm 波段的輻射大一個(gè)數(shù)量級左右。

圖11 3～5 μm探測器接收到的總體輻射的情況

圖12 8～14 μm探測器接收到的總體輻射的情況

5 結(jié)論

對影響海洋光輻射特性的太陽、天空及海面自身的熱輻射進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明：

1)天頂角對太陽輻射影響很大，天頂角越大，輻照度越小，在天頂角一定時(shí)，太陽輻照度主要集中在可見光波段，在紅外兩個(gè)大氣窗口3～5 μm和8～14 μm 下，輻照度相差2個(gè)數(shù)量級，季節(jié)和緯度的變化對太陽的輻照度影響不大。

2)在近紅外，天空的輻射以散射太陽光為主，并且對海面整體輻射影響很大。

3)在3～14 μm 內(nèi)海面自身的熱輻射對最后海面總體輻射影響最大，海面到探測器之間的大氣路徑輻射、海面反射天空的輻射對海面總體輻射的影響幾乎可以忽略，并且海面自身熱輻射在8～14 μm 波段比3～5 μm 波段的輻射大1個(gè)數(shù)量級左右。

必須指出，在關(guān)于海洋環(huán)境的影響作用方面，還應(yīng)包括云、雨、雪、霧等復(fù)雜氣象因素的影響，都需要在以后的研究中深入考慮。

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