地面目标表面温度及红外辐射的计算

　　0 引 言

　　随着热像仪技术的日益发展和广泛应用, 目标红外热像模拟也受到了国内外越来越多的关注而成为研究热点之一, 它可以为各种红外系统和红外目标的研制、仿真和技术人员的培训提供一种十分经济和有效的手段。模拟红外目标的热像, 必须首先有效地计算目标的红外辐射。

　　由热辐射的基本规律可知[1], 物体的红外辐射是由表面温度和发射率决定的。通常情况下目标的表面材料一旦固定下来, 发射率也就随之确定, 然而物体的表面温度却会受到各种复杂因素的影响。因此如何确定目标的表面温度是计算红外辐射的关键。

　　目标的表面温度主要受背景和目标内部热源的影响。地面目标所处的背景非常复杂多变, 如何有效地弄清各种因素及其变化过程, 对计算精度有着重要的影响。从目前已发表的相关文献来看, 国内的方法大多是考虑的因素不够全面而过于粗糙, 所得结果准确度不够, 且大多集中于非地面目标的温度计算[2, 3];　国外可能由于保密的原因, 也难以了解具体研究状况。

　　文中分析了影响目标表面温度的各种环境因素,对目标表面的能量收支进行了分析, 进而确立了目标温度计算的边界条件, 利用导热微分方程得到了温度随时间变化的数值解, 与实测结果的比较说明了模型的合理性和准确性。在此基础上, 对目标的红外辐射亮度进行了相应的计算。

　　1 目标表面温度的计算

　　1.1 目标表面与外界环境的热量交换

　　目标表面与外界环境的热量交换通常是通过辐射、对流和传导三种形式进行的。对计算红外辐射有意义的表面大都裸露在空气中, 所以目标表面与外界环境的热量交换主要以辐射和对流两种方式进行, 而传导主要是在目标表面和目标内部之间进行。目标表面接收到外部环境的辐射主要来自太阳、地面和天空的大气, 同时目标也向外辐射热量。

　　1.1.1 太阳的辐射

　　太阳辐射的影响主要在白天, 其辐射通量随季节、时间、天气及地理条件的不同而不同。在处理太阳辐射时, 一般将其分为直射、散射和地面反射三部分。

　　太阳辐射中的各项可由下面的关系式确定[4, 5]。目标表面接收到的太阳直接辐射为:

　　式中: i 为太阳入射角; h 为太阳高度角; θ 为斜面太阳方位角, 其数值可通过有关天体地理知识计算出来;β 为斜面倾角。大气透明度 p 可以利用相关软件进行近似的理论计算, 也可通过气象资料得到。大气质量的计算公式为:

　　散射主要是由于大气中的各种气体分子和气溶胶分子造成的, 这些物质在对直射太阳光衰减的同时, 也产生了新的辐射。由于大气对太阳光的散射作用而在目标表面上产生的辐射照度可由 Berlage 公式计算得出: