臨近空間對地探測目標與背景紅外特性研究

楊佳佳，周方方，崔立山，周 紀

（1.電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611731；2.中國空空彈研究院，河南 洛陽 471009；3.中國人民解放軍93307 部隊，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

目標與背景的紅外輻射特性對紅外探測系統(tǒng)的目標識別具有重要影響。研究地面目標的紅外輻射特性時，需要考慮的影響因素有：地面背景的復(fù)雜性、大氣狀況變化、目標與周圍復(fù)雜背景的輻射特性與二者間的差異[1]。同時，目標與背景的紅外輻射特性差異在很大程度上影響著紅外隱身與紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的精度[2]。臨近空間是指介于航空與航天之間，包括大氣平流層、中間層和部分熱層區(qū)域的空域[3]。根據(jù)國際航空聯(lián)合會（The Fédération Aéronautique Internationale, FAI）的定義，臨近空間的高度范圍確定在23～100 km，我國將其定義為20～100 km[4]。由于大氣的影響，普通航空器與衛(wèi)星均無法在該空域運行，臨近空間飛行器因其持續(xù)時間長、分辨率高和高效快速等優(yōu)勢，能夠提高對目標的監(jiān)視與探測能力[5]。

現(xiàn)有的臨近空間紅外輻射特性研究中，大多數(shù)是地基、空基或臨近空間平臺對臨近空間目標的探測，或是基于反臨近空間武器來研究臨近空間導(dǎo)彈的紅外輻射特性[6]。相比衛(wèi)星對地探測目標紅外輻射分析，臨近空間對地探測目標紅外輻射特性的研究相對匱乏。目標與背景的紅外輻射差異與對比特性是進行目標識別與跟蹤的主要依據(jù)，其中，大氣狀況的影響不可忽略，因此開展不同大氣條件下的紅外輻射特性研究，對于提高紅外探測系統(tǒng)的性能具有重要意義[7]。Niu等于2019年通過研究臨近空間中高超音速飛行器在不同攻角下的紅外輻射特性，發(fā)現(xiàn)攻角的變化對紅外輻射影響很大[8]。張芳等于2017年對不同地域大氣對紅外輻射的影響進行研究，分析不同地域、不同波段以及有無氣溶膠影響下的目標與背景對比度[9]。但是，針對臨近空間對地探測目標與背景紅外輻射特性還需要深入研究。

本文致力于研究臨近空間對地探測目標與背景的紅外輻射特性，選用全球典型區(qū)域的探空數(shù)據(jù)集構(gòu)建先驗知識庫，利用MODTRAN5 模型進行輻射傳輸仿真，仿真過程中，著重開展典型區(qū)域的研究，分析不同狀況下目標與背景的輻射特性差異、傳感器最優(yōu)探測波段與紅外輻射特性的影響因素，以期為臨近空間航空武器的發(fā)展提供支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 熱紅外輻射傳輸原理

臨近空間熱紅外傳感器對地探測時，其接收到的能量包括：大氣上行輻射、地物自身熱輻射經(jīng)大氣被吸收和散射后到達傳感器的部分及大氣下行輻射經(jīng)地表反射后通過大氣到達傳感器的部分，可用以下輻射傳輸方程表示[10]：

式中：λ為波長；Ts為地表溫度；Lλ為傳感器所接收到的光譜輻亮度，W·m－2·sr－1·μm－2；B(λ,Ts)為溫度為Ts時的黑體光譜輻亮度；ελ為地表發(fā)射率；τλ為地面與傳感器之間的大氣透過率；、分別為大氣上行輻射和大氣下行輻射。

根據(jù)Planck 方程，可將Lλ轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的亮溫Tb：

式中：h為Planck 常數(shù)（6.626×10－34J·s－1）；k為玻爾茲曼常數(shù)（1.3806×10－23J·K－1）；c為光速（2.998×108m·s－1）。本文基于亮溫Tb分析目標與背景的紅外輻射特性。

1.2 全球大氣廓線數(shù)據(jù)與輻射傳輸模型

大氣狀況對臨近空間對地探測目標與背景的紅外特性具有重要的影響。在對地探測領(lǐng)域，大氣狀況一般可用大氣廓線定量表征。大氣廓線是指大氣中風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和濕度等氣象要素垂直分布的曲線。主要參數(shù)包括：地理位置信息、地面海拔高度以及各分層氣壓、大氣溫濕度和臭氧等相關(guān)參數(shù)。大氣廓線是輻射傳輸仿真的重要輸入?yún)?shù)，研究大氣輻射傳輸過程、仿真和分析不同大氣狀況下的目標與背景紅外特性等均需要具有良好代表性的大氣廓線數(shù)據(jù)。因此，篩選具有代表性的大氣廓線樣本構(gòu)建先驗知識庫有利于分析典型情況下目標的紅外輻射特性。目前國際上常用的大氣樣本庫有多個版本，如法國動力氣象實驗室建立的大氣廓線數(shù)據(jù)庫TIGR（Thermodynamic Initial Guess Retrieval Database）[11]、大氣紅外探測儀（atmospheric infrared sounder, AIRS）的AIRX2SUP 產(chǎn)品[12]等。

本文采用美國威斯康星大學(xué)發(fā)布的SeeBor V5.0數(shù)據(jù)集，SeeBor 數(shù)據(jù)集或其子集已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星對地探測紅外輻射傳輸仿真領(lǐng)域，由其生成的仿真數(shù)據(jù)集對全球范圍內(nèi)的大氣狀況具有良好的代表性，得到的結(jié)果具備高可信度。例如，美國宇航局發(fā)布的MODIS 等多種衛(wèi)星遙感產(chǎn)品大多基于其生成的仿真數(shù)據(jù)集。由于SeeBor V5.0 數(shù)據(jù)集中存在部分冗余廓線，且開展輻射傳輸仿真需要大量的計算機資源。因此，在對廓線相似性、參數(shù)分布、季節(jié)等綜合考慮的基礎(chǔ)上，從中篩選出全球范圍內(nèi)的549 條大氣廓線形成全球大氣狀況先驗知識庫。其中，大氣水汽含量（Column Water Vapor，CWV）的范圍分布為0.014～7.939 g·cm－2，近地表氣溫（Ta）的分布范圍為225.25～331.92 K。這549 條大氣廓線能夠較好地反映全球可能出現(xiàn)的大氣狀況，已成功地應(yīng)用于研發(fā)全球NOAA AVHRR、Terra/Aqua MODIS 和Sentinel-3 SLSTR 紅外地表溫度產(chǎn)品[12]。

利用學(xué)術(shù)界廣泛使用的MODTRAN 模型（第5版）進行仿真。MODTRAN 由美國空軍研究實驗室（USAir Force Research Laboratory，AFRL）與光譜科技公司聯(lián)合研制，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。MODTRAN模型在計算大氣參數(shù)時充分考慮了水蒸氣、二氧化碳、臭氧等物質(zhì)對紅外輻射的衰減作用，以及大氣溫濕度、海拔高度、能見度、觀測路徑以及傳播距離等因素造成的影響[14]。利用MODTRAN模型結(jié)合大氣廓線進行對地探測紅外輻射仿真在衛(wèi)星紅外領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相關(guān)技術(shù)已趨于成熟。目前，隨著多種臨近空間飛行器試驗成功并投入使用，發(fā)揮大氣輻射傳輸方面積累的優(yōu)勢，盡快對臨近空間對地探測紅外輻射特性開展相關(guān)研究，將是臨近空間領(lǐng)域的一個重要研究方向。

1.3 仿真方案設(shè)計

輻射傳輸仿真針對每條大氣廓線進行，本文的紅外輻射仿真流程如圖1所示。仿真方案的設(shè)計應(yīng)盡可能多地考慮所有可能出現(xiàn)的情況，同時也需要考慮仿真的速度與消耗的計算機資源。針對臨近空間傳感器不同高度、不同地表溫度范圍、不同目標與背景等多變量進行仿真。其中包括單點仿真與圖像仿真，單點仿真針對目標或背景為全像元的情況，仿真目標或背景的紅外輻射特征；全圖像仿真采用“天宮一號”高光譜數(shù)據(jù)，利用其空間分辨率為10 m 的熱紅外波段影像作為背景場，反映復(fù)雜環(huán)境下目標與背景的紅外輻射特性。據(jù)此，本文設(shè)計如下仿真方案：

圖1 紅外輻射仿真流程圖Fig.1 Flowchart of infrared radiation simulati on

1）通過設(shè)定不同的地表溫度（Ts）與近地表氣溫（Ta）的差值（Ts－Ta）來表征不同的地表熱狀況。設(shè)置Ts－Ta范圍為－16～20 K，步長為4 K，即將地表溫度設(shè)置為Ta－16K、Ta－12K、Ta－8K、Ta－4K、Ta、Ta＋4K、Ta＋8K、Ta＋12K、Ta＋16K、Ta＋20K，共計10個地表溫度。

2）目標與背景的發(fā)射率采用美國The Johns Hopkins University（JHU）光譜庫作為依據(jù)，選取金屬（汽車）、混凝土建筑物、土壤和草地4種典型地物，其發(fā)射率取值分別為0.624、0.930、0.949和0.984。

3）傳感器高度設(shè)置為20～100km變化，步長為5km，共設(shè)置17個高度。

4）大氣能見度設(shè)置為5～30 km變化，步長為5 km，共設(shè)置6個能見度。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 大氣透過率變化

通過全球大氣狀況先驗知識庫仿真得到全球范圍內(nèi)多變量影響下的大氣透過率。大氣透過率是研究紅外輻射傳輸過程的重要因子，大氣透過率受到海拔高度、天頂角、路徑長度、波數(shù)間隔、大氣水汽等的影響，造成在不同條件下大氣透過率的變化[15]-[16]]。由于仿真時考慮了不同地氣溫差、不同目標、不同背景、不同高度與不同能見度下的情形，在分析時選取某種情形下的仿真結(jié)果進行說明（傳感器探測高度20 km，能見度23km），雖然不同情形下得出的值的大小會產(chǎn)生略微的差異，但總體趨勢是不變的，且得出的結(jié)果具有普適性規(guī)律。圖2展示了仿真獲得的全球大氣透過率隨波長的變化情況，由549條大氣廓線統(tǒng)計的規(guī)律反映出在3.5～4μm、8～9.5μm 和10.5～11 μm范圍內(nèi)的大氣透過率較高，大氣透過率值在熱紅外波段（8～14μm）的變化較為顯著。

圖2 全球大氣透過率隨波長的變化（注：中間的實線代表549條廓線仿真的大氣透過率均值，陰影范圍代表透過率最大-最小值范圍）Fig .2 Variation of the global atmospheric transmittance with wavelength (Note:The solid line in the middle represents the atmospheric transmittanceaverage of 549 profile simulations,and the shaded range represents the maximum and minimum transmittance ranges)

基于全球仿真結(jié)果的分析，分別選取了中國周邊兩個典型地區(qū)的仿真結(jié)果進行詳細分析，包括太平洋西部地區(qū)（記為地區(qū)a）和印度洋附近地區(qū)（記為地區(qū)b）。其中，前者的經(jīng)緯度范圍為30°N～45°N、130°E～145°E，后者的經(jīng)緯度范圍為：8°N～36°N，68°E～97°E。以下是基于這兩個典型地區(qū)的分析。

2.1.1 大氣透過率隨波長和高度的變化

選取位于地區(qū)a 的CWV 和Ta較低的冬季廓線（月份：1月；CWV：0.88 g·cm－2）與位于地區(qū)b的CWV和Ta較高的夏季廓線（月份：7月；CWV：6.29 g·cm－2）的單點仿真結(jié)果進行展示（傳感器探測高度20km，能見度23 km）。圖3展示了兩個地區(qū)不同大氣狀況下大氣透過率隨波長的變化情況，從圖中可以看出冬季大氣窗口明顯比夏季的寬，大氣透過率要高。大氣透過率受大氣溫濕狀況影響顯著，水汽對大氣傳輸?shù)挠绊懞艽?，有研究表明水汽體積混合比值20%的變化可引起大氣透過率15%的變化[17]，這一現(xiàn)象在8～14 μm區(qū)間范圍內(nèi)表現(xiàn)尤為明顯。

圖3 大氣透過率隨波長的變化Fig.3 Variation of atmospheric transmittance with wavelength

通過仿真不同高度處傳感器的觀測情況，分析隨著傳感器高度的增加大氣透過率隨波長的變化情況，如圖4所示。圖4表明，隨著傳感器的高度增加，大氣透過率在9～10.5μm 范圍內(nèi)波動相對劇烈，且隨著傳感器高度的增加，大氣透過率降低，在40km 之后，傳感器高度的變化不再引起大氣透過率的明顯變化，這是由于高度增加到一定值后，大氣相對稀薄，對大氣透過率的影響趨于穩(wěn)定。

圖4 大氣透過率隨高度的變化Fig.4 Variation of atmosp heric transmittance with different altitudes

2.1.2 最優(yōu)透過率波段分析

以建立的全球大氣狀況先驗知識庫仿真得到的結(jié)果作為樣本庫，分析3～14μm 的最優(yōu)透過率波段。計算每條廓線在各波長處的大氣透過率平均值，來表征大氣透過率的總體變化趨勢；為對比，給出549條廓線中在各波長處透過率最小的廓線對應(yīng)仿真結(jié)果（記為最小值）。如圖5所示，平均值與最小值兩條曲線的趨勢總體一致，由于大氣廓線中存在水汽含量較高的廓線，造成在8～14μm 范圍內(nèi)大氣透過率較低。在3～5μm 范圍內(nèi)，最優(yōu)透過率波段出現(xiàn)在3.5～4μm；在8～14μm 范圍內(nèi)，最優(yōu)透過率波段出現(xiàn)在8～9.5μm、10.5～11μm。

圖5 最優(yōu)透過率波段Fig.5 The optimal transmittance band

549條大氣廓線按不同大氣水汽含量區(qū)間劃分，分析不同大氣水汽含量下3～5μm 和8～14μm 波段范圍內(nèi)的高透過率值τmax與最優(yōu)透過率波長值λcentre。由表1可知：在低水汽含量地區(qū)大氣透過率值要高于高水汽地區(qū)；隨著大氣水汽含量的增加，大氣透過率減小，熱紅外波段（8～14μm）的透過率值變化尤為顯著；最優(yōu)透過率波長值隨大氣水汽含量的增加趨于穩(wěn)定。傳感器的探測波段可以基于研究區(qū)的大氣狀況，根據(jù)表中給出的λcentre與所需的波段寬度進行設(shè)置。

表1 不同大氣水汽含量下最優(yōu)透過率波段Table 1 The optimal atmospheric transmission band under different atmospheric water vapor content

2.2 目標與背景的紅外輻射特性

2.2.1 單點仿真結(jié)果

目標與背景的紅外輻射差異是探測和識別目標的基礎(chǔ)。本文對兩種不同目標與兩種不同背景進行仿真。分析不同組合情景下的亮溫差異，組合情形分別有：建筑物與草地、建筑物與土壤、金屬目標與草地、金屬目標與土壤。結(jié)果如圖6所示（此時仿真方案中設(shè)置的地表溫度與氣溫的差值為：金屬8K；建筑4K；草地4K；土壤4K）。

圖6表明，對于同一目標而言，背景的變化造成亮溫差的變化在0.3～1.1K 之間；對于同一背景而言，目標的變化造成的亮溫差變化在1.7～8.2K 之間，這表明背景的變化對亮溫差影響較小，亮溫差主要取決于目標的輻射特性。大氣狀況相對干冷的情況下目標與背景的亮溫差異更大，如當(dāng)目標與背景為金屬與草地時，亮溫差可達9.9 K（雖然選取不同地表溫度與氣溫的差值下的仿真結(jié)果會改變亮溫差的大小，但不會影響得出的變化規(guī)律）。不同背景（草地與土壤）相比，當(dāng)背景為草地時，目標與背景的亮溫差異較大；不同目標（金屬與建筑）相比，當(dāng)目標為金屬時，目標與背景的亮溫差異更大。隨著傳感器高度的增加，目標與背景的亮溫差逐漸較小，當(dāng)高度增加到40 km后趨于穩(wěn)定。其原因可能是由于隨著高度的增加，大氣越來越稀薄，造成對亮溫的影響逐漸變小直至穩(wěn)定。

圖6 不同目標與背景組合下亮溫隨高度的變化Fig.6 Brightnesstemperaturechangesfordifferent combinationsof target and background with altitude

2.2.2 圖像仿真結(jié)果

圖7展示了當(dāng)傳感器位于20 km、25 km、30 km、35 km、40 km和100 km處的圖像仿真結(jié)果。仿真結(jié)果為亮溫影像，模擬的亮溫分布情況與實際情況基本吻合。標準差能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，通過計算不同高度下圖像的標準差能夠反映出傳感器探測高度對地物輻射的影響。計算得出各高度下的標準差分別為2.44、2.43、2.42、2.41、2.41、2.41，當(dāng)傳感器的高度增加到40 km 之后，影像的標準差保持穩(wěn)定，這一點與前面單點仿真得到的結(jié)果一致。標準差從大到小變化意味著，傳感器高度增高，大氣效應(yīng)增大，削弱了傳感器接收到的地物自身熱輻射。

圖7 傳感器位于不同高度時的圖像仿真結(jié)果Fig.7 The simulated brightness temperatureimage observed by the sensor at differe nt altitudes

2.3 影響因素分析

2.3.1 目標與背景的紅外輻射特性差異隨季節(jié)的變化

季節(jié)的變化體現(xiàn)在氣溫與大氣水汽的變化，水汽與氣溫直接作用于輻射傳輸過程，影響傳感器接收到的亮溫。大氣吸收紅外輻射的主要因素是水汽，它主要集中在2～3 km 以下的大氣層內(nèi)，總含量可以在0%～2%之間變化[18]。對前述的地區(qū)a和地區(qū)b分別選擇兩條不同季節(jié)的大氣廓線，分析目標與背景的亮溫差隨季節(jié)的變化情況，廓線篩選原則上要求的CWV和Ta差異較大，基于此挑選的地區(qū)a 的廓線月份為1月和8月，地區(qū)b的廓線月份為4月和7月。圖8展示了4種目標與背景的亮溫差在地區(qū)a 和地區(qū)b不同季節(jié)的變化情況。

圖8表明，目標與背景的亮溫差異與所處地區(qū)、大氣水汽含量、氣溫等因素密切相關(guān)，同一目標與背景的亮溫差在同一地區(qū)不同季節(jié)下變化可達6.8K。同時，目標與背景的亮溫差還與它們自身屬性相關(guān)，當(dāng)二者的發(fā)射率相差較大時（如金屬與草地），亮溫差較大；當(dāng)二者發(fā)射率較為接近時（如建筑物與土壤），即使在大氣狀況差異很大的情況下，目標與背景的亮溫差變化也不明顯。

圖8 不同目標與背景的亮溫差在不同地區(qū)不同季節(jié)下的變化情況Fig.8 Variations of the brightness temperature difference fordifferentcombinati ons of target and background in different regionsand seasons

同一地區(qū)不同季節(jié)下，目標與背景的亮溫差異隨季節(jié)變化明顯，大氣狀況干冷的季節(jié)下，目標與背景的亮溫差異更大，原因可能是干冷季節(jié)下，大氣中水汽含量與微粒較少，傳感器接收到的亮溫大部分取決于物體自身的輻射特性；而濕熱環(huán)境下，大氣中的水汽含量與微粒增加，大氣吸收與散射效應(yīng)增大，削弱了傳感器接收到的地物自身輻射，造成目標與背景的亮溫差異減小。這表明目標與背景亮溫差受大氣中水蒸氣含量的影響很大。

2.3.2 目標與背景的紅外輻射特性差異隨大氣能見度的變化

大氣能見度是反映大氣透明度的一個重要指標，是表征光學(xué)性質(zhì)的常用要素。大氣能見度的高低取決于大氣中霧、霾、云、降水量以及大氣顆粒物粒徑大小等，是影響臨近空間飛行器對地探測目標與背景紅外輻射的重要氣象因子。利用MODTRAN 模型仿真大氣能見度從5～30 km變化的情況，以地區(qū)a的1月份廓線為例，仿真不同目標與背景組合情形下亮溫差隨大氣能見度的變化。圖9表明，目標與背景的亮溫差異隨著大氣能見度的增大而增大，大氣能見度增加到10 km之后變化幅度顯著減小。這表明，在大氣能見度高于10 km 時，獲得的臨近空間對地探測目標與背景的仿真結(jié)果結(jié)果是有效且準確的。

圖9 目標與背景亮溫差隨大氣能見度的變化Fig.9 Variations of the brightness temperature difference for four combinations of target and background with differentatmospheric visibilities

2.3.3 目標與背景的紅外輻射特性差異隨傳感器觀測角度的變化

目標與背景的亮溫差不僅與大氣狀況有關(guān)，還受到傳感器觀測角度的影響。本文模擬了傳感器角度從垂直觀測（0°）～75°變化觀測，以5°為步長。圖10展示了位于地區(qū)a 的1月份廓線在白天時金屬目標與草地背景的亮溫差隨傳感器觀測角度的變化情況。圖10表明，目標與背景的亮溫差隨著角度的增加而減小。傳感器觀測角度在0°～40°間變化時，目標與背景的亮溫差變化較小，當(dāng)角度增加到約40°后，亮溫差變化逐漸加劇，繼續(xù)增大傳感器的觀測角度至70°時，傳感器角度5°的變化會引起目標與背景亮溫差約0.7 K 的變化。這是因為傳感器角度的變化導(dǎo)致視場角增大，觀測到的目標信息受到周圍地物輻射的影響，降低了目標自身的輻射信息。

圖10 目標與背景亮溫差隨傳感器觀測角度的變化Fig.10 Variation of the brightness temperature difference between target and background with different view zenith angles

3 結(jié)論

針對臨近空間對地探測紅外輻射特性研究相對匱乏的問題，基于全球大氣狀況先驗知識庫，實現(xiàn)了臨近空間多變量影響下目標與背景紅外輻射仿真，量化了目標與背景的紅外輻射差異、傳感器最優(yōu)透過率波段及影響因素。結(jié)果表明，干冷大氣下的大氣透過率高于濕熱大氣，且隨著傳感器高度增加，在9～10.5 μm波段范圍內(nèi)大氣透過率明顯下降；目標與背景的亮溫差隨著傳感器高度的增加逐漸較小，直至不變，在干冷大氣狀況下二者差異更大。

在3～14μm 區(qū)間內(nèi)，最優(yōu)透過率波段出現(xiàn)在3.5～4μm、8～9.5μm、10.5～11μm處。分析得出影響臨近空間目標與背景紅外輻射特性的3個因素：①季節(jié)因素：同一地區(qū)不同季節(jié)下，目標與背景的亮溫差隨季節(jié)變化明顯，干冷大氣狀況的季節(jié)下，目標與背景的亮溫差比濕熱大氣下更大，同一目標與背景在同地區(qū)不同季節(jié)下，亮溫差變化可達6.8 K。②大氣能見度：目標與背景的亮溫差隨大氣能見度增加而增大，大氣能見度由5km 增加到10 km，目標與背景的亮溫差增加可達0.79K，大氣能見度增加到10km后亮溫差變化幅度顯著減小。③傳感器觀測角度，目標與背景的亮溫差隨觀測角度增加而減小，傳感器的觀測角度增大到70°時，傳感器角度5°的變化會引起目標與背景亮溫差約0.7 K的變化。需要說明的是，上述紅外輻射差異與地物類型、發(fā)射率及溫度有關(guān)。

利用構(gòu)建的先驗知識庫與仿真方案可得出多變量影響下臨近空間對地探測目標與背景的紅外輻射特性，進而為臨近空間紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的目標識別和抗干擾提供理論和數(shù)據(jù)支持。進行臨近空間對地探測紅外輻射特性等方面的應(yīng)用研究，能為臨近空間領(lǐng)域的探索與臨近空間傳感器的研究和發(fā)展提供新的思路。

致謝

感謝中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心為本研究提供天宮一號高光譜成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品；感謝美國威斯康星大學(xué)提供的SeeBor V5.0 數(shù)據(jù)集。