摘 要: 红外辐射的大气透过率计算作为红外仿真系统中不可缺少的一部分,要求同时兼顾准确性和实时性。文中以CIRTRAN软件包为基础,进行了基于VC++平台的移植,并针对红外仿真系统进行了集成和优化。通过在不同条件下的大气透过率计算和在红外仿真中的集成运用,证明该模块的可行性。
0 引言
对于以实现模拟真实场景为目的的红外仿真系统,红外辐射的大气透过率计算是非常重要的组成部分。对于动态的场景,更应实现实时的大气透过率计算。目前,常用的大气透过率计算途径有两种[1]:一是利用LOWTRAN, MODTRAN,DISORT等专用软件进行精确计算;二是利用经验公式进行粗略估算。虽然利用专用软件可以计算出较高精度的大气透过率,但此类软件使用过程复杂,且难以在红外系统仿真软件中直接调用其计算结果,针对红外仿真系统的移植和兼容也较困难,不仅会增加仿真程序结构的复杂度,也会对实时性产生不利的影响。与之相对,采用经验公式计算大气透过率则相对简单,而且与红外系统仿真软件的兼容较灵活,处理速度较快。但是现有经验公式未能综合考虑倾斜路程以及高度等工程因素的影响,具有一定的局限性。因此,在保证一定算法精度的基础上,简化算法,提高实时性是很有必要的。
1 大气辐射传输理论
电磁辐射在大气传输过程中将与大气发生相互作用,大气的吸收和散射效应将导致辐射能量的衰减,使得辐射强度、频率、传播方向及偏振状态发生变化。这种辐射衰减的程度由透过率决定,大气光谱透过率τ(λ)用下式确定[2]:
1.1 大气气体分子吸收的光谱透过率
大气的吸收效应主要起因于大气中某些气体分子如CO2,H2O,O3,O2等对电磁辐射的选择性吸收作用。在辐射波谱的红外区和微波区,它将使辐射在大气中传输时随传输路程增大而减小,被吸收的辐射能将转化为热能,其衰减程度与辐射波长,大气的温度、压强及吸收气体含量有关。采用双指数经验公式计算特定气体平均透过率:
其中,经验参数c(λ),α,β,a由逐线计算和实验测量得到。在大气中多种成分同时有吸收波段时,假定各种气体吸收不相关,则总透过率为各成分透过率之积。
1.2 大气散射造成的大气透过率
大气的散射效应主要起因于大气中悬浮的气溶胶粒子,即大气中所含的分子和悬浮的微粒(广义而言也包括云和降水粒子),它们对电磁辐射的散射作用。这种散射作用将使辐射在大气中传输时改变方向,散射过程中辐射能量将在空间被重新分配,分配方式与辐射波长,粒子尺度和形状、粒子的折射率、大气状态等有关。由于粒子属性的不同,表现出的对辐射能量的散射效应也有所不同,相应地也采用不同的计算方法进行计算。这里将由尺寸相对红外波长较小的粒子所引起的散射,归为大气散射。尺度相对大的粒子所引起的散射,归为气象衰减。大气散射造成的大气透过率为:
其中,Dv/km为气象能见度,λ/μm为波长,q的取值与能见度有关,R为传输距离。
1.3 气象衰减
气象(雾、雨、雪)粒子的尺寸通常比红外波长大得多,其产生的衰减为非选择性辐射散射。其衰减系数与波长关系不大,可由下式计算因气象制约衰减的大气透过率:
其中,JR、JS分别为降雨、降雪的强度,单位为mm/h,R为传输距离。
1.4 大气平均透过率
分别求出τ1(λ),τ2(λ)和τ3(λ)后,由式(1)求出大气光谱透过率τ(λ),然后根据下式计算λ1~λ2波段范围内的平均大气透过率:
2 CIRTRAN简介
CIRTRAN是由中国科学院安徽光机所开发的红外辐射大气透过率计算软件[3],包括1~14μm的波段,所用大气模式除常用的6种标准大气外,还建立有我国若干地点的标准大气。该软件采用LOWTRAN7的单参数带模式方法,考虑了对红外辐射有主要影响的气体,如水汽,CO2,O3,CH4,N2O以及微量气体,如NH3,SO2,NO,CO等。并且将0~100 km内的大气分成33层,每层分别给出大气的温度、压强、总密度、水汽密度和臭氧密度,在计算过程中再进行插值运算。对于气溶胶消光,在0~2 km高度内,采用乡村型、城市型、海洋型和沙漠型;2~9,9~30,30~100 km高度内,分别采用对流层、平流层和流星尘埃气溶胶模型。CIRTRAN软件的计算结果与LOWTRAN7的结果相当。
3 基于VC++的CIRTRAN移植与系统集成
由于CIRTRAN软件是用VB与Turbo C编写的,不能被建立于VC++平台的红外仿真系统很好地调用与兼容,因此首先要对该软件进行基于VC++的移植,并针对红外仿真系统采取进一步的系统集成和优化。采用面向对象的编程方法,将CIRTRAN软件的主干部分,用C++语言封装成一个计算大气透过率的对象类Atmod。类中包含有有关气体特性和气象条件的各种参数,以及读入特定气象条件文件和计算平均大气透过率等的函数。该类对外部只实现有限的数据接口,接受如气象条件,传输距离等有限的参数,在内部完成气体吸收系数、大气散射透过率等的计算,并可实现对特定气体分子透过率的图表显示功能。
针对在实时红外仿真系统中的应用,仍需进一步的集成和优化Atmod类。由于红外仿真系统要求输出连续视频,对每一帧都要调用大气透过率计算,因此将原程序中每次计算都要读入特定常数,改为在实例初始化时读入,之后都根据这些常数进行计算。在红外仿真系统的应用中,Atmod类不接受传输距离,计算波段范围等参数的人工输入,这些参数只通过主程序根据实际模拟的目标状态和探测器参数给出,但该类仍可接受气象条件、气体参数的人工输入。大气条件的参数可采用软件包中自带的多个地区的大气参数文件,也可在当地进行相应测试后,将所获数据编写成规定格式的大气参数文件。针对红外仿真系统只需求解特定条件、特定波段的平均大气透过率的要求,也同时去除了原软件中图表显示的部分。
4 实验结果
4.1 CIRTRAN移植后在VC++平台上的运行设定大气模式为上海大气,气溶胶为城市型。进行斜程透过率计算,最高海拔为80 km,最低海拔为0 km,天顶角为30°,地面能见度为10 km,计算波段为3~5μm,波段间隔为0.02μm。结果如图1,2。
4.2 Atmod类在红外仿真系统中的实际应用
大气模式为上海平均大气模式,气溶胶为城市型。进行斜程透过率计算,最高海拔为目标所在的高度,即1 km,最低海拔为探测器所在高度,即0km,目标距探测器水平距离为1 km。地面能见度为10 km,计算波段为探测器探测波段8~12μm,波段间隔为0.02μm。计算结果为:0.728 3(图3的大气透过率)。在相同大气条件下,当目标的海拔高度改变0.5 km后,平均大气透过率计算结果为:0.747 3(图4的大气透过率)。大气透过率变化的直接影响就反映在探测器统接收到的来自目标红外辐射的能量大小变化上。飞行目标在相同的高度以相同飞行状态飞行时,可以认定其表面的温度分布大致相同,图3(a)与(b)的灰阶细微差异(图3(b)中目标各部分都要比图3(a)更亮)正是大气透过率不同所造成的。在仿真系统中,若设定不同的大气条件,即可以自动计算该大气条件下的大气透过率,并直接反映在红外能量数值和相应图像的灰阶上。
5 结论
该大气透过率计算模块,经由CIRTRAN软件进行VC++的移植,可以对特定大气、气象条件,计算特定波段范围内的大气透过率,其计算结果与LOWTRAN软件计算的结果基本近似,充分保证了计算的精度和准确度。并且通过模块化封装和针对红外仿真系统的集成与优化,更方便于红外仿真系统的实时调用,在保证计算精度与准确度的基础上,只是较小地增加了系统的开销,就大大缩短了计算程序的调用时间,更有利于满足红外仿真系统的实时性要求。
参考文献:
[1] 唐 嘉.外辐射大气透过率的工程计算[J].飞行器测控学报,2007,26(3):26-29.
[2] 吴晓迪,黄超超,同武勤.红外成像实时仿真中大气透射率的计算与分析[J].红外,2006,27(10):24-28.
[3] 魏合理,宋正方.红外辐射大气透射率的计算[J].红外与毫米波学报,1995,14(2):159-160.
作者简介:李惠萍(1981-),女,上海人,博士生,主要从事红外目标与背景的软件仿真。
