海上目標(biāo)紅外輻射特性測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張衛(wèi)國,張則劍,賈 娜

(91550部隊(duì)42分隊(duì)，遼寧 大連 116023)

1 引 言

目標(biāo)紅外輻射特性測量為目標(biāo)識(shí)別提供目標(biāo)輻射亮度、輻射溫度及輻射強(qiáng)度等重要特征信息,同時(shí)為目標(biāo)探測與識(shí)別設(shè)備的波段優(yōu)化設(shè)計(jì)和探測能力分析提供依據(jù),為此國內(nèi)外對目標(biāo)紅外輻射特性測量技術(shù)的研究高度重視,研究工作主要有仿真計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)兩種手段,國外在目標(biāo)紅外輻射特性研究中進(jìn)行得較早。在仿真計(jì)算方面[1],歐美國家在空中目標(biāo)紅外輻射特性的研究上已有了較完整的模擬軟件；在現(xiàn)場試驗(yàn)方面,美國、歐洲等國裝備了多臺(tái)大口徑地基紅外望遠(yuǎn)鏡用于空間目標(biāo)的紅外輻射特性測量,在獲得目標(biāo)形體特征的同時(shí),還可得到目標(biāo)的溫度分布圖和測量精度優(yōu)于10%的輻射強(qiáng)度分布圖。國外目標(biāo)紅外輻射特性測量以及大氣傳輸修正模型建立上已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。國內(nèi)已開展紅外輻射特性相關(guān)研究,配置了多臺(tái)紅外輻射特性測量設(shè)備,這些紅外輻射特性測量設(shè)備多布站在內(nèi)陸地區(qū),采集了大量的內(nèi)陸地區(qū)氣象參數(shù)并進(jìn)行了相應(yīng)的紅外輻射特性測量試驗(yàn),取得了一定的技術(shù)積累[2],但是海洋氣候條件下的目標(biāo)紅外輻射特性測量相關(guān)研究開展得較少,鑒于后續(xù)對紅外目標(biāo)特性測量的需求,因此開展海洋環(huán)境下紅外輻射特性測量研究十分必要。

海域環(huán)境對目標(biāo)紅外輻射特性測量的影響更為突出[3],主要影響因素有:紅外輻射測量系統(tǒng)熱穩(wěn)定性、大氣輻射傳輸特性、海域背景的雜散輻射等,因此研究測量數(shù)據(jù)分析處理方法,設(shè)計(jì)海上動(dòng)態(tài)目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)顯得尤為重要。本文在國內(nèi)紅外輻射定標(biāo)方法、試驗(yàn)海域大氣輻射傳輸修正方法、試驗(yàn)海域背景雜散輻射研究的基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計(jì)了海上動(dòng)態(tài)目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng),用于完成海上目標(biāo)紅外輻射測量數(shù)據(jù)的綜合分析與處理,為海上飛行目標(biāo)紅外輻射特性測量系統(tǒng)建設(shè)提供關(guān)鍵的技術(shù)支持,為后續(xù)紅外輻射特性測量體系建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理功能；

(2)紅外測量系統(tǒng)的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理功能；

(3)海域大氣環(huán)境光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)處理功能；

(4)紅外輻射特性數(shù)據(jù)分析處理功能；

(5)紅外輻射特性數(shù)據(jù)處理結(jié)果回放與輸出功能；

(6)系統(tǒng)管理功能。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成包括數(shù)據(jù)預(yù)處理分系統(tǒng)、紅外輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、紅外輻射大氣傳輸數(shù)據(jù)修正分系統(tǒng)、試驗(yàn)海域背景雜散輻射修正分系統(tǒng)、紅外輻射特性數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)及系統(tǒng)管理模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)用于完成外部數(shù)據(jù)的格式化及預(yù)先檢查等工作,主要包括圖像命名、目標(biāo)彈道的格式、輻射定標(biāo)文件的命名、大氣光學(xué)測量數(shù)據(jù)的整理等。

(2)紅外輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)用于處理紅外探測器外場試驗(yàn)環(huán)境條件下的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù),以確定紅外探測器的輻射響應(yīng)度及系統(tǒng)內(nèi)部自身的熱輻射。

(3)試驗(yàn)海域紅外輻射大氣傳輸修正分系統(tǒng)

試驗(yàn)海域紅外輻射大氣傳輸修正模塊用于處理試驗(yàn)海域的大氣環(huán)境參數(shù),構(gòu)建大氣輻射模式,進(jìn)而獲取彈道路徑上的大氣透過率和大氣程輻射。

(4)試驗(yàn)海域背景雜散輻射修正分系統(tǒng)

試驗(yàn)海域背景雜散輻射修正模塊用于處理試驗(yàn)海域海洋環(huán)境參數(shù)和海面物性參數(shù),構(gòu)建多尺度海面幾何模型,進(jìn)而獲取海面自身紅外輻射及海面對陽光、大氣輻射的散射。

(5)紅外輻射特性數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)用于對目標(biāo)紅外圖像進(jìn)行處理,獲取目標(biāo)圖像灰度,通過反演計(jì)算,結(jié)合大氣傳輸修正和海面雜散輻射修正,獲得目標(biāo)的溫度、輻射強(qiáng)度及輻射亮度等紅外輻射特性。

(6)系統(tǒng)管理

軟件系統(tǒng)的運(yùn)行配置管理由系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn),負(fù)責(zé)用戶管理、權(quán)限管理、日志管理、系統(tǒng)參數(shù)管理等功能。

2.3 系統(tǒng)工作原理

目標(biāo)紅外輻射特性測量在紅外系統(tǒng)輻射定標(biāo)和大氣環(huán)境光學(xué)參數(shù)修正的基礎(chǔ)上,利用紅外測量系統(tǒng)獲得的目標(biāo)紅外圖像,通過輻射反演算法計(jì)算出目標(biāo)溫度、強(qiáng)度和亮度等輻射特性數(shù)值。具體實(shí)施步驟如下:

任務(wù)前,利用紅外輻射定標(biāo)分系統(tǒng)對紅外跟蹤測量系統(tǒng)進(jìn)行黑體輻射定標(biāo),獲得黑體的輻亮度與紅外圖像灰度值之間的線性關(guān)系即紅外系統(tǒng)的輻射響應(yīng)度以及紅外系統(tǒng)內(nèi)部的雜散輻射大小。

任務(wù)時(shí),紅外跟蹤測量系統(tǒng)捕獲跟蹤目標(biāo)并記錄圖像,完成測量任務(wù)段落,同時(shí)利用大氣環(huán)境光學(xué)特性測量分系統(tǒng)實(shí)時(shí)測得試驗(yàn)海域的大氣環(huán)境光學(xué)參數(shù)。

任務(wù)后,再次利用紅外輻射定標(biāo)分系統(tǒng)對紅外跟蹤測量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo),記錄數(shù)據(jù)。事后對所獲得大氣數(shù)據(jù)和定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,再通過對紅外圖像反演計(jì)算獲得目標(biāo)的紅外輻射亮度、強(qiáng)度和溫度等輻射特性。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)外部輸入數(shù)據(jù)來源不一,數(shù)據(jù)定義、格式規(guī)范并不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)預(yù)處理分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)外部輸入數(shù)據(jù)的規(guī)范化,形成可供系統(tǒng)使用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)用于以下數(shù)據(jù)的規(guī)范化:

(1)紅外圖像:主要提供紅外圖像命名格式的規(guī)范化,以便于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程中的圖像檢索。

(2)目標(biāo)彈道:數(shù)據(jù)處理過程中,涉及到的目標(biāo)彈道參數(shù)主要包括目標(biāo)的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù),其中位置參數(shù)來自外彈道處理結(jié)果,而姿態(tài)參數(shù)來自內(nèi)彈道處理結(jié)果,這兩個(gè)結(jié)果分別來自不同的文件,為方便使用,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和量綱的轉(zhuǎn)換,形成統(tǒng)一的目標(biāo)彈道文件。

(3)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù):主要針對不同裝備定標(biāo)時(shí)采用的結(jié)果文件命名格式的差異,對輻射定標(biāo)結(jié)果文件進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范命名,同時(shí)預(yù)先檢查定標(biāo)數(shù)據(jù)的合理性,對不符合定標(biāo)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

3.2 輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)紅外測量系統(tǒng)自身雜散輻射計(jì)算、輻射定標(biāo)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算、定標(biāo)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析處理等。主要功能包括:

(1)紅外相機(jī)溫度亮度對應(yīng)關(guān)系計(jì)算；

(2)紅外圖像各波段飽和點(diǎn)計(jì)算；

(3)紅外系統(tǒng)輻射線性響應(yīng)區(qū)間計(jì)算；

(4)紅外圖像非均勻校正計(jì)算；

(5)紅外系統(tǒng)自身雜散輻射量計(jì)算；

(6)為其他分系統(tǒng)提供定標(biāo)結(jié)果接口。

3.3 紅外輻射大氣傳輸修正分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外輻射大氣傳輸修正分系統(tǒng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)海域大氣環(huán)境光學(xué)測量數(shù)據(jù)的分析處理,并按統(tǒng)一結(jié)果格式為其他分系統(tǒng)提供大氣環(huán)境光學(xué)特性數(shù)據(jù)服務(wù)。主要功能包括:

(1)大氣模式構(gòu)建,主要實(shí)現(xiàn)逐月平均的氣溶膠消光系數(shù)路徑分布、當(dāng)?shù)刂鹪缕骄臍馊苣z榮格指數(shù)、試驗(yàn)海域分時(shí)段的能見度、試驗(yàn)海域分時(shí)段的平均溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向參數(shù)、分時(shí)段水汽總量和氣溶膠光學(xué)厚度等大氣參數(shù)的計(jì)算。

(2)大氣透過率計(jì)算,實(shí)現(xiàn)海面大氣水平非均勻分布情況下海上目標(biāo)紅外輻射的大氣透過率計(jì)算。

(3)大氣程輻射計(jì)算,主要實(shí)現(xiàn)大氣對太陽輻射的單次散射、大氣對熱輻射和太陽輻射的多次散射及大氣自身熱輻射計(jì)算。

(4)為其他分系統(tǒng)提供環(huán)境光學(xué)結(jié)果接口。

3.4 海面雜散輻射修正分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海面雜散輻射修正分系統(tǒng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)海域海面雜散輻射測量數(shù)據(jù)的分析處理,并按統(tǒng)一結(jié)果格式為其他分系統(tǒng)提供海面雜散輻射結(jié)果數(shù)據(jù)服務(wù)。主要功能包括:

(1)海面雜散輻射計(jì)算,主要實(shí)現(xiàn)海面自身熱輻射、海面對天空背景輻射的散射、海面對太陽輻射的散射和海面上空大氣路徑輻射計(jì)算；

(2)為其他分系統(tǒng)提供環(huán)境光學(xué)結(jié)果接口。

3.5 紅外輻射特性數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對目標(biāo)及背景環(huán)境的紅外輻射特性數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與計(jì)算、結(jié)果的輸出與回放等,由基本設(shè)置模塊、信息顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結(jié)果回放模塊等構(gòu)成。主要功能包括:

(1)基本設(shè)置功能,主要對數(shù)據(jù)處理所需的試驗(yàn)信息、裝備信息、目標(biāo)信息、定標(biāo)信息、大氣環(huán)境信息、海面雜散輻射信息及結(jié)果輸出信息等進(jìn)行初始設(shè)置。

(2)信息顯示功能,主要根據(jù)基本設(shè)置,顯示數(shù)據(jù)處理時(shí)需要用到的各類信息,主要包含紅外測量裝備詳細(xì)信息、目標(biāo)詳細(xì)信息、定標(biāo)相關(guān)信息、大氣環(huán)境信息及海面雜散輻射信息等。

(3)數(shù)據(jù)處理功能,主要根據(jù)用戶選擇的處理模式、目標(biāo)提取方式,實(shí)現(xiàn)紅外圖像的紅外輻射特性處理,并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前圖像的結(jié)果信息及所有已處理圖像的結(jié)果列表信息。

(4)處理結(jié)果包括圖像時(shí)間、幀頻、焦距、目標(biāo)位置、目標(biāo)灰度信息、背景信息及紅外特性等。

①數(shù)據(jù)回放功能,主要實(shí)現(xiàn)處理結(jié)果的回放與進(jìn)度控制,以便用戶可以方便的查看數(shù)據(jù)目錄中的任意圖像信息。

②結(jié)果輸出功能,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的輸出和保存。

3.6 分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流程

各分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流程

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 海域紅外輻射定標(biāo)技術(shù)

首先基于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ),確定輻射定標(biāo)的方法,其次采用內(nèi)、外定標(biāo)相結(jié)合的方法,制定內(nèi)、外定標(biāo)實(shí)驗(yàn)方案,在實(shí)驗(yàn)室與外場(海域)條件下選擇典型環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),積累定標(biāo)數(shù)據(jù)；最后,通過分析系統(tǒng)定標(biāo)精度的影響因素,構(gòu)建定標(biāo)誤差修正的數(shù)學(xué)模型并驗(yàn)證。

紅外系統(tǒng)輻射定標(biāo)按工作環(huán)境分為:實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)及外場定標(biāo)兩種方式。其中實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定環(huán)境下進(jìn)行,定標(biāo)數(shù)據(jù)重復(fù)穩(wěn)定性好。外場定標(biāo)是指在外場環(huán)境下,目標(biāo)圖像采集前或采集后進(jìn)行的輻射定標(biāo),外場定標(biāo)數(shù)據(jù)包含了外場環(huán)境影響,操作過程復(fù)雜。定標(biāo)的方法分內(nèi)定標(biāo)、外定標(biāo)以及內(nèi)外相結(jié)合的定標(biāo)。外定標(biāo)部分主要由高精度面源黑體(常溫～150 ℃)、支撐機(jī)構(gòu)(具有升降、平移及鎖緊功能)以及配套設(shè)備組成；內(nèi)定標(biāo)部分由高溫腔型黑體(常溫～1200 ℃)、切換反射鏡以及配套設(shè)備組成,通過移入和移出切換反射鏡實(shí)現(xiàn)高溫腔型黑體的輻射能引出及引入紅外光學(xué)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)紅外系統(tǒng)工作狀態(tài)和定標(biāo)狀態(tài)的切換。在溫度重合段(常溫～150 ℃),利用內(nèi)定標(biāo)和外定標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算得到主、次鏡透過率和輻射常數(shù),再利用所得主、次鏡透過率和輻射常數(shù)對內(nèi)定標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,使用修正后的定標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)、全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輻射定標(biāo)。

外定標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為:

(1)

內(nèi)定標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為:

(2)

定標(biāo)實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)與外場定標(biāo),獲取不同環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為定標(biāo)精度分析和定標(biāo)模型修正奠定基礎(chǔ)。其中實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)將紅外系統(tǒng)和黑體都放入高、低溫箱內(nèi),黑體放置在紅外系統(tǒng)前,充滿紅外系統(tǒng)的視場,設(shè)置高、低溫箱的溫度范圍0～50 ℃,以5 ℃為間隔,在不同環(huán)境溫度下對紅外系統(tǒng)進(jìn)行輻射定標(biāo)。同時(shí)使用溫度傳感器(溫度精度為0.1 ℃)監(jiān)測高、低溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度,由于高、低溫箱存在溫控誤差,以溫度傳感器顯示的溫度值為高、低溫箱內(nèi)部溫度基準(zhǔn)值。室外定標(biāo)選擇不同季節(jié)典型外場使用環(huán)境條件,用標(biāo)準(zhǔn)面源黑體進(jìn)行大量定標(biāo)實(shí)驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),同時(shí)記錄環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速,太陽高角)。

對應(yīng)于某紅外系統(tǒng),采用不同積分時(shí)間、不同的衰減片,選擇一定的溫度區(qū)間,在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行定標(biāo)實(shí)驗(yàn),對試驗(yàn)數(shù)據(jù),按照相同條件進(jìn)行歸類,并作數(shù)學(xué)擬合處理,得到定標(biāo)精度修正模型。設(shè)系統(tǒng)自身雜散輻射為RZ(Ti),室內(nèi)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)DNni(Ti),外場定標(biāo)實(shí)驗(yàn)等數(shù)據(jù)DNwi(Ti),其中Ti是環(huán)境溫度,修正量是三個(gè)量的綜合值,表達(dá)式如下:

Δ=RZ(Ti)+DNni(Ti)+DNwi(Ti)

(3)

4.2 海域紅外輻射傳輸修正模型

通過在試驗(yàn)海域布設(shè)兩套大氣輻射傳輸測量系統(tǒng),采集大氣光學(xué)參數(shù),以建立試驗(yàn)海域的大氣模式提供實(shí)測海面大氣數(shù)據(jù)(溫度、濕度、氣壓、能見度、氣溶膠榮格指數(shù)、消光系數(shù)路徑分布),基于中科院安徽光機(jī)所研制的通用大氣輻射傳輸軟件(CART)[4],進(jìn)行修正,得到觀測路徑上模型大氣透過率計(jì)算模型,并通過海域的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(1)大氣模式構(gòu)建

利用Mie散射激光雷達(dá)獲取氣溶膠消光系數(shù)的路徑分布,根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)得到逐月平均的氣溶膠消光系數(shù)路徑分布曲線；利用粒子計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)測量當(dāng)?shù)貧馊苣z譜分布的榮格指數(shù),統(tǒng)計(jì)得到當(dāng)?shù)刂鹪缕骄臍馊苣z榮格指數(shù)；利用水平能見度儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)?shù)啬芤姸?統(tǒng)計(jì)得到當(dāng)?shù)氐姆謺r(shí)段能見度；)利用全自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)測量當(dāng)?shù)氐牡孛鏆庀髤?shù),統(tǒng)計(jì)得到當(dāng)?shù)胤謺r(shí)段的平均溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向參數(shù)；)利用太陽輻射計(jì)測量整層大氣的氣溶膠光學(xué)厚度和水汽總量,統(tǒng)計(jì)得到分時(shí)段的水汽總量和氣溶膠光學(xué)厚度。

(2)大氣透過率計(jì)算[5]

單色大氣透過率的計(jì)算包括大氣分子吸收、分子連續(xù)吸收和輻射、氣溶膠衰減[6]的計(jì)算三部分。該模型的關(guān)鍵為大氣分子吸收模型和氣溶膠消光模型的建立。

大氣總的透過率為各部分透過率的乘積,即:

(4)

給定光譜響應(yīng)函數(shù)f(v),則波段范圍V1～V2的平均大氣透過率為:

(5)

4.3 海域紅外雜散輻射修正模型

海面對太陽散射大小與太陽對海面的輻射相關(guān),海面對天空的散射大小與天空對海面的輻射有關(guān),海面自身輻射可以通過黑體輻射理論進(jìn)行計(jì)算。海面上空路徑輻射以及所有散射輻射在海面上空路徑的衰減都可以通過上面的輻射傳輸特性軟件計(jì)算。通過建立基于面元結(jié)構(gòu)的海面模型,以及在其上設(shè)置的探測器與太陽、天空背景相對位置關(guān)系,便可算出探測器接收到的海面紅外輻亮度[7]。

海面在探測器上產(chǎn)生的光譜輻射總量Nt(λ)可以表示成如下形式:

Nt(λ)=τ(λ)ε(λ)Nbb(λ,Tsea)+τ(λ)ρ(λ)Nsky(λ)

+τ(λ)ρ(λ)Nsun(λ)+NA(λ)

(7)

式中,τ(λ)是海面與探測器間的大氣光譜透過率；ε(λ)是海面的光譜發(fā)射率；Nbb(λ,Tsea)是海面溫度為Tsea的黑體光譜輻射；ρ(λ)是海面的光譜反射率；Nsky(λ)是天空的光譜輻射；Nsun(λ)是太陽的光譜輻射；NA(λ)是探測器和海面之間的大氣路徑光譜輻射。

光譜段的平均值可以替代方程中的所有光譜項(xiàng),故得到方程:

(8)

其中,大氣路徑光譜輻射由輻射傳輸特性軟件計(jì)算。

(9)

(10)

計(jì)算探測器接收到的海面反射的太陽輻射亮度[8]:

(11)

假設(shè)太陽的天頂角為h0,太陽方位角為A0。根據(jù)反射線的天頂角和方位角以及太陽的天頂角和方位角就可以計(jì)算出小波面反射太陽輻射,計(jì)算探測器上接收的陽光反射亮度可以用公式:

(12)

海面反射天空輻射計(jì)算:天空背景輻射不同于太陽直射輻射,海面某處接受到的天空背景輻射來自整個(gè)半球空間。海面對天空背景輻射的反射計(jì)算時(shí),需要對入射的天頂角和反射角進(jìn)行積分,得到海面對整個(gè)半球天空背景輻射的反射值,即:

(13)

在計(jì)算出海面背景的各部分紅外輻射后,即可建立海面背景紅外雜散輻射模型。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)分兩部分內(nèi)容,系統(tǒng)外場標(biāo)校修正模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和大氣輻射傳輸衰減模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。其中系統(tǒng)外場標(biāo)校修正模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選擇春季、夏季和冬季三個(gè)季節(jié),實(shí)驗(yàn)日選擇早、中、傍晚三時(shí)間段進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用中波熱像儀與常溫黑體(25～100 ℃),實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在大連旅順海域,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在通常的氣象條件下,通過修正后海域環(huán)境下定標(biāo)精度能滿足10%要求。大氣輻射傳輸衰減模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),基于大連旅順海域一年氣象水文數(shù)據(jù)和太陽輻射計(jì)、激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)建立某局部海域的大氣模式,如圖4給出實(shí)驗(yàn)海域5月份10年氣象平均統(tǒng)計(jì)值,實(shí)驗(yàn)裝置為中波紅外熱像儀和中溫黑體(50～400 ℃),實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示。距離8 km,利用CART軟件進(jìn)行計(jì)算透過率與實(shí)測值進(jìn)行比較顯示:在通常的氣象條件下,CART軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測值。目前未完成海上雜散輻射模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖4 5月海域氣象統(tǒng)計(jì)圖

圖5 大氣輻射傳輸模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置圖

6 結(jié) 論

基于紅外輻射特性測量系統(tǒng)的外場標(biāo)校修正和大氣輻射傳輸衰減兩個(gè)模型,以及海上雜散輻射仿真計(jì)算[8-9],設(shè)計(jì)了海上動(dòng)態(tài)目標(biāo)紅外輻射測量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng),經(jīng)仿真研究驗(yàn)證系統(tǒng)功能可實(shí)現(xiàn),可提高海上動(dòng)態(tài)目標(biāo)紅外輻射測量精度,為后續(xù)的工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。