红外辐射大气透过率测量方法研究
欧阳艺杨彦杰
（中国人民解放军91404部队93分队，河北 秦皇岛 066001）
【摘要】目标红外辐射特性测量是目标特征获取和识别的重要手段之一，而大气透过率是大气中目标辐射测量必需的一个环节。分析了大气环境中红外辐射大气透过率的各种影响因子，针对测试场条件下如何提高目标红外辐射能量测量精度，对大气透过率的测量方法进行了分析研究，提出了外场环境条件下，大气透过率的一种实测的方法。
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关键词 红外辐射；大气环境；大气透过率；测量方法
0引言
目标红外辐射特性测量是目标特征获取和识别的重要手段之一，而大气透过率是影响红外辐射测量的重要因素，是大气中目标辐射测量必需的一个环节。通常采用经验公式对大气透过率进行修正，由于测量现场大气环境变化的不确定性，与经验公式选取的大气模式会存在一定的差别，使修正后的结果仍与实际情况存在较大的误差。
本文根据红外辐射测量原理，对红外辐射大气透过率的测量方法进行研究，提出利用红外源作为目标光源，对大气透过率进行实测的方法。该方法采用对测量路程分段测量并将测量数据进行对比计算的数学处理方法，得到测量路程上的大气透过率及大气衰减系数。该方法消除了目标光源和测量仪器标定误差的影响，提高了大气透过率的测量精度。
1影响红外辐射大气透过率的主要因素
大气透过率是影响红外辐射测量的一个重要因素。在试验场对红外诱饵、飞机、舰船等目标的红外辐射特性测量时，通常是在远距离进行测量，因此必须考虑测量路程上大气透过率对测量结果的影响，当用红外辐射测量仪器对目标测量时，根据红外辐射测量原理，目标的红外辐射强度可用下面公式求得：
（1）
式中，J为目标的辐射强度；Vs为实时测量信号电压；τ为目标与测量仪器之间的大气透过率；R为目标到测量仪器的斜距；k为红外辐射测量仪器的响应度。
红外辐射在大气中传播的影响因素主要一是大气中某些气体分子（H2O、CO2等）的吸收，二是大气分子、气溶胶的散射。目标的红外辐射在大气中传输时，它与大气成分相互作用，会受到衰减，红外辐射通过大气的透过率可表示为：
τ=e-σR（2）
式中：σ为衰减系数；在大多数情况下σ=α＋γ。这里α是吸收系数；γ是散射系数，α和γ二者均随波长而变化。可以看出，红外辐射在大气传播中某些气体分子（H2O、CO2等）的吸收和大气中的悬浮微粒和雾霾的散射是主要影响因素。
目前，在红外测量中对大气透过率的计算，通常采用查表和经验公式计算两种方法。这两种方法在计算大气透过率时只考虑了几种标准大气模式，由于各地区大气中所含的各种气体成份在含量不同，在考虑大气对红外辐射传输的影响时，用上述方法计算得到的大气透过率，往往与实际值存在较大的偏差，给目标红外辐射特性的测量结果带来较大误差。
因此，开展大气透过率的实测方法研究，对在红外辐射测量时，及时掌握大气衰减情况，用大气透过率实测值取代计算值，对测量结果进行修正，可减小由于选用的标准大气模型与实际测量环境存在差别而对大气衰减修正的误差，提高目标红外辐射测量精度。
2大气透过率测量方法
介质对光的透过率是当光穿过介质时，出射光能量与入射光能量之比，即为介质对入射光的光谱透过率。
（3）
p0λ表示入射光的功率，pλ表示经过介质传播后出射光的功率。当用光谱仪对目标的红外辐射能量进行测量时，已知目标的红外辐射强度是Jλ，根据测量信号电压数据可计算出目标到测量仪器路程之间的大气透过率。即：
（4）
设某一红外光源的辐射面积为S，辐射出射度为Mλ，出射角为θ，该光源的辐射强度可表示为：
根据这一原理，通过测量光源穿过距离为R后的表征辐射强度的信号电压值，用（6）式即可算出测量路程上在大气透过率。
在实际测量中，由于野外用红外光源的辐射面积S、辐射出射度Mλ，出射角θ等指标的标称值与实际值会有不同程度的差别，在实际测量中如果直接使用（6）式计算大气透过率值，会引入光源的辐射出射度误差、光源的面积误差、光源的发射角误差、测量仪器标定误差、仪器测量误差和距离测量误差。
由于这些误差因素的影响，会对大气透过率的实际测量和结果计算产生偏差。为了消除、减小上述误差产生的影响，提高大气透过率测量精度，在实际测量时，根据测量原理，可采用分段测量、对比计算的方法，完成大气透过率的测量。即将所测量的距离R分成若干段，用辐射计在各距离段上对目标光源进行测量，之后通过对比计算的数学处理方法，消去各段所测数据中的一部分参数，这样就消除了这些参数误差对计算结果的影响，从而大大提高了测量精度。
图1是将测量距离R分为两段时，大气透过率测量原理示意图。
图中Ｌ为红外光源，发射角为θ，辐射面积为S；M为红外辐射测量仪器。A、B两点间的距离为R，为了测量A、B两点之间的大气透过率τλ，在A、B之间选一点O，设：AO＝R1；OB＝R2；AB＝R1＋R2＝R；AO间的大气透过率为τ1λ；OB间的大气透过率为τ2λ；AB间的大气透过率为τλ。
测量时，分别按图1（a）、图1（b）和图1（c）布站。当按图1（a）所示布站时，将红外光源放在Ａ点，辐射计放在Ｏ点，对红外光源进行测量，测得的信号电压为V1，根据（6）式可推导得出：
（7）
按图1（b）所示，将红外光源放在O点，辐射计放在B点，对红外光源进行测量，测得的信号电压为V2，则有：
（8）
按图1（c）所示布站，将红外光源L放在A点，光谱仪M放在B点，对红外光源进行测量测得的信号电压为V则有：
（9）
因为路程R上的大气透过率τ等于路程R1上的大气透过率τ1λ乘以路程R2上的大气透过率τ2λ，可得
τλ=τ1λτ2λ（10）
将（7）、（9）式进行对比计算，可得：
同理, 将(8)、(9)式进行对比计算，可得
（12）
分别将（11）、（12）式中的结果代入（10）式中可得：
（13）
公式（13）是将距离分为两段测量，通过对比计算推导得出的大气透过率计算式，根据上式可知，采用分段测量对比计算方法，得出的大气透过率值中，消除了光源辐射出射度误差△Mλ、面积误差△S0、发射角误差△θ和测量仪器标定误差△K的影响，使测量精度大大提高。
当将距离分成n段测量时，这时R＝R1＋R2＋... ＋Rn，根据上述分析可得：
（14）
根据测量的大气透过率值τλ，即可求出测量现场的大气衰减系数
（15）
运用这种方法，可对局部地区（如试验场）在不同季节、不同气象条件下的大气透过率进行多次测量，通过对测量数据的统计处理，可掌握不同气象条件的大气衰减情况，为目标红外辐射测量的大气修正提供基础数据。
3结论
本文基于红外辐射测量原理，提出了一种大气透过率实测方法，该方法通过实测测量现场大气透过率，及时掌握大气衰减情况，用实测值取代计算值，对红外辐射测量结果进行修正，消除了由于选用的大气模型与实际测量环境存在差别而对大气衰减修正产生的误差，实现了对目标与红外系统之间大气透过率的高精度测量，提高了目标红外辐射测量精度。
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参考文献
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［责任编辑：刘展］