CN113533262B - 一种大气气溶胶红外散射透过率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气气溶胶红外散射透过率计算方法。红外辐射在大气中传播时大气气溶胶散射是能量衰减的原因之一。通过考虑气溶胶密度随高度变化，结合大气能见度参数，建立了在水平均匀传播和斜程传播两种情况下红外线的大气气溶胶散射透过率工程计算方法。水平均匀传输下，在中长波波段对大气气溶胶散射透过率采用常规积分求均值方法计算，与采用波长中值的工程计算方法对比，表明后者具有足够的工程精度；对于斜程传播情况，通过对高度积分得到大气气溶胶红外散射透过率的斜程传播计算公式。本发明对于建立大气透过率精确计算模型，构建红外探测器对红外目标探测性能计算方法以及分析大气透过率的影响因素等具有重要意义。

Description

一种大气气溶胶红外散射透过率确定方法

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶红外散射透过率确定方法。

背景技术

大气散射衰减是大气分子散射、云和雾的颗粒以及气溶胶颗粒散射造成的红外辐射衰减。对于红外波段来说，在研究大气对红外辐射的散射衰减时，只需考虑颗粒散射的影响。大气中的各种颗粒对红外线的散射作用称为粒子散射或米氏(Mie)散射，其影响除了由云和雾这些不确定的气象因素所造成外，更为常见的是由大气中广泛存在的气溶胶颗粒所造成。为区别于表征大气吸收衰减作用的大气吸收透射率，将气溶胶颗粒散射所引起的衰减用大气气溶胶散射透射率来衡量。

国内外针对于大气气溶胶吸收作用影响的研究有许多文献，但是一方面，水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率的计算需要对波长进行积分，才能得到其波段透过率；另一方面，没有给出斜程传播的计算公式以及高度影响的规律。国内外研发的大气背景红外辐射的多种计算软件，如LOWTRAN、MODTRAN、FAS-CODE、CART等是建立在大量观测数据的基础上，有较高的可信度，但这些封装的计算模型对于用户来说是不可见的，不利于问题的分析研究以及实际应用的借鉴和利用。总之，考虑红外辐射在斜程传播中高度变化影响的研究较少，模型不透明，影响参数有哪些、影响程度如何也不甚清晰。

现代红外探测与制导武器发展迅速，各种地面、舰载、预警机及战斗机搭载的红外探测器应用日趋普遍。因此在分析地面红外探测器探测中高空目标以及机载红外探测器下视探测红外目标时，必须考虑高度、波长、能见度等因素对于大气透过率的影响，构建实用的大气气溶胶散射透射率计算模型。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种大气气溶胶红外散射透过率确定方法，其特征在于包括：

A)确定水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率，具体包括：

对于仅含散射物质(即无吸收物质)的均匀大气中传播，把通过距离x的纯散射的介质透过率τ_λ(x)表征为：

其中，P_λ(0)、P_λ(x)分别为经过x距离前、后的光谱辐射功率，μ(λ)为散射系数，

把在某一海拔高度h处薄层大气中红外辐射水平传播距离x的大气气溶胶散射透过率表征为：

其中，N(0)为海平面的气溶胶浓度；K(λ)为散射效率因子，对于单粒径均匀粒子而言，它为散射截面和粒子几何截面之比，与气溶胶颗粒的半径、介质的折射率、波长λ有关；r为散射粒子的半径；h*为标高，它与地面能见度大小有关，当能见度为2～6km时h*取值范围为0.8～1km，当能见度为6～25km时h*取值范围为1～1.4km；τ_λ(0,x)是海平面传播距离x的大气气溶胶散射透过率，

把海平面处散射系数与能见度关系表示为：

式中，V为大气能见度；λ₀为大气吸收谱线的波长，取值范围是0.55μm或0.61μm；q为经验系数，当大气能见度特别好(V≥60km)时取q＝1.6，中等能见度时取q＝1.3，能见度很差即V≤6km时取q＝0.585V^1/3，由此，把水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率表征为：

通过对波长积分得λ₁～λ₂波段的大气气溶胶散射透过率为：

上述公式需要对波长进行积分，作为简化，可以采用拉格朗日中值定理把上述积分的工程算法表示为：

式中，C_λ为波段系数，其中

λ^*为所选波段的中值波长；

B)确定斜程传输下的大气气溶胶散射透过率，具体包括：

把在高度h处红外辐射传播距离为dx的大气气溶胶散射波段透过率表征为：

利用

把探测器到目标之间总的大气气溶胶散射波段透过率表征为：

式中，h_a为探测器高度，h_t为目标高度，θ为探测器视线仰角，即红外线与水平面的夹角。

本发明的优点和有益效果：

通过引入波段系数，得到了红外辐射在水平均匀传输下的和斜程传输下的大气气溶胶散射透过率的工程计算公式，其方法简单而且计算精度高，不必采用对透过率进行谱线积分的方法进行复杂的运算，便于工程上的应用，也便于建立独立的红外探测器对目标的探测性能计算模型，摆脱各种计算软件的束缚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明具体实例中的大气气溶胶散射透过率积分算法(波长8～14μm，能见度10km)的示意图。

图2为本发明具体实例中的大气气溶胶散射透过率积分算法(波长3～5μm，能见度10km)的示意图。

图3为本发明具体实例中的大气气溶胶散射透过率工程算法(波长11μm，能见度10km)的示意图。

图4为本发明具体实例中的大气气溶胶散射透过率工程算法(波长4μm，能见度10km)的示意图。

图5为本发明具体实例中的视线仰角对大气气溶胶散射透过率影响(波长8～14μm，能见度10km)的示意图。

图6为本发明具体实例中的视线仰角对大气气溶胶散射透过率影响(波长3～5μm，能见度10km)的示意图。

图7为本发明具体实例中工程算法计算的大气气溶胶散射波段透过率随仰角变化图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例的大气气溶胶红外散射透过率确定方法包括：

步骤A)：确定水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率，和

步骤B)：确定斜程传输下的大气气溶胶散射透过率。

具体地，上述步骤A)包括：

对于仅含散射物质(即无吸收物质)的均匀大气中传播，把通过距离x的纯散射的介质透过率τ_λ(x)表征为

其中，P_λ(0)、P_λ(x)分别为经过x距离前、后的光谱辐射功率，μ(λ)为散射系数，把在某一海拔高度h处薄层大气中红外辐射水平传播距离x的大气气溶胶散射透过率表征为

其中，N(0)为海平面的气溶胶浓度；K(λ)为散射效率因子，对于单粒径均匀粒子而言，它为散射截面和粒子几何截面之比，与气溶胶颗粒的半径、介质的折射率、波长λ有关；r为散射粒子的半径；h*为标高，它与地面能见度大小有关，当能见度为2～6km时h*取值范围为0.8～1km，当能见度为6～25km时h*取值范围为1～1.4km；τ_λ(0,x)是海平面传播距离x的大气气溶胶散射透过率。

把海平面处散射系数与能见度关系表示为

式中，V为大气能见度；λ₀为大气吸收谱线的波长，取值范围是0.55μm或0.61μm；q为经验系数，当大气能见度特别好(V≥60km)时取q＝1.6，中等能见度时取q＝1.3，能见度很差即V≤6km时取q＝0.585V^{1 /3}，由此，把水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率表征为

通过对波长积分得λ₁～λ₂波段的大气气溶胶散射透过率为

通过对波长积分得λ₁～λ₂波段的大气气溶胶散射透过率为

上述公式需要对波长进行积分，作为简化，可以采用拉格朗日中值定理把上述积分的工程算法表示为

式中，C_λ为波段系数，用其取代

其取值分为三种情况：

1)大气能见度特别好(V≥60km)时，q＝1.6，对于8～14μm波段取中值波长11μm时，

对于3～5μm波段取中值波长4μm时，C_λ＝0.164；

2)中等能见度情况时，q＝1.3，对于8～14μm波段中值波长11μm，C_λ＝0.080，对于3～5μm波段中值波长4μm，C_λ＝0.30；

3)能见度很差(V≤6km)时，q＝0.585V^1/3，对于8～14μm波段中值波长11μm，

对于3～5μm波段中值波长4μm，

上述步骤B)包括：

把在高度h处红外辐射传播距离为dx的大气气溶胶散射波段透过率表征为

利用

把探测器到目标之间总的大气气溶胶散射波段透过率表征为

式中，h_a为探测器高度；h_t为目标高度；θ为探测器视线仰角，即红外线与水平面的夹角。

作为对本发明的效果的一个验证，在10Km能见度和水平均匀传输情况下，采用红外线大气气溶胶散射透过率的积分算法，计算出长波和中波波段透过率与距离关系曲线，分别如附图1、图2所示，对于两个波段采用工程算法(公式1)计算大气气溶胶散射波段透过率曲线，分别如附图3、图4所示，对比可见，采用工程算法与采用按光谱透过率积分精确算法的计算结果非常接近，误差很小。

作为对本发明的效果的一个进一步的验证，根据公式(2)，在长波和中波波段、10Km能见度情况下，计算出视线仰角对大气散射透过率与距离关系曲线的影响，分别如附图5、图6所示，这里探测器位于海平面高度，可见，大气散射透过率随着传播距离增大而减小，随视线仰角增大而增大，因此利用公式(1)和公式(2)这两个简单公式，可以计算得到两个波段情况下，大气气溶胶散射红外波段透过率随能见度、视线仰角、传输距离的变化(附图7)。

Claims (1)

1.一种大气气溶胶红外散射透过率确定方法，其特征在于包括：

A)确定水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率，具体包括：

对于仅含散射物质(即无吸收物质)的均匀大气中传播，把通过距离x的纯散射的介质透过率τ_λ(x)表征为：

其中，P_λ(0)、P_λ(x)分别为经过x距离前、后的光谱辐射功率，μ(λ)为散射系数，

把在某一海拔高度h处薄层大气中红外辐射水平传播距离x的大气气溶胶散射透过率表征为：

其中：

N(0)为海平面的气溶胶浓度；

K(λ)为散射效率因子，对于单粒径均匀粒子而言，它为散射截面和粒子几何截面之比，与气溶胶颗粒的半径、介质的折射率、波长λ有关；

r为散射粒子的半径；h*为标高，它与地面能见度大小有关，当能见度为2～6km时h*取值范围为0.8～1km，当能见度为6～25km时h*取值范围为1～1.4km；

τ_λ(0,x)是海平面传播距离x的大气气溶胶散射透过率，

把海平面处散射系数与能见度关系表示为：

式中：

V为大气能见度；

λ₀为大气吸收谱线的波长，取值范围是0.55μm或0.61μm；

q为经验系数，当大气能见度特别好即V≥60km时取q＝1.6，中等能见度时取q＝1.3，能见度很差即V≤6km时取q＝0.585V^1/3，

由此把水平均匀传输下大气气溶胶散射透过率表征为：

通过对波长积分得λ₁～λ₂波段的大气气溶胶散射透过率为：

作为对上述波长积分公式的简化，采用拉格朗日中值定理把上述积分的工程算法表示为：

式中，C_λ为波段系数，其中

λ^*为所选波段的中值波长，

B)确定斜程传输下的大气气溶胶散射透过率，具体包括：

把在高度h处红外辐射传播距离为dx的大气气溶胶散射波段透过率表征为：

利用

把探测器到目标之间总的大气气溶胶散射波段透过率表征为：

式中，h_a为探测器高度，h_t为目标高度，θ为探测器视线仰角，即红外线与水平面的夹角。

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