实时红外大气衰减计算仿真系统集成

　　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: