太阳、天空和海面自身辐射对海洋背景总体辐射影响分析

陈 瑜，胡云安，李海燕，耿宝亮

（海军航空工程学院 a.研究生管理大队；b.控制工程系，山东 烟台 264001）

反舰导弹已经成为水面舰艇面临的主要威胁，世界各国都非常重视舰艇防空体系的建立。目前世界上许多国家都已经装备或者引进了末端防御导弹武器系统，其中美、俄、英、法、瑞典、以色列等国家独立发展了舰载末端防御系统，典型的有美国的“拉姆(RAM)”系统、俄罗斯的“喀什坦”弹炮结合系统、英国的“海光”、法国“西北风”等。海面背景的辐射特性研究对海面导弹红外仿真和红外探测、识别具有重要意义。一方面，导弹表面吸收和反射背景辐射，因而海面背景会对导弹表面的辐射场造成影响；另一方面，作为导弹红外热像的主要背景，海面背景与导弹目标的红外对比度(辐射亮度的差值)是分辨导弹目标的主要依据。

文献[1-3]分析了大气传输对海面辐射的影响。文献[4-6]分析了各个波段太阳辐射、天空辐射和海面辐射对红外探测的影响，但在分析中只考虑了天空单次散射太阳光的情况，没有考虑天空多次散射太阳光的情况，并且没有对不同天顶角太阳的辐射情况进行分析，也没有考虑海面主探测器之间的大气辐射的情况。本文针对这些问题进行了分析，具体分析了在不同波段、不同天顶角和不同大气模式下太阳辐照度及大气对太阳辐照度的影响。对不同波段下太阳对天空辐射的影响进行了具体分析，并详细讨论了在红外波段下，天空辐射、海面自身辐射、海面至探测器之间的大气辐射及海面反射辐射对红外探测器的影响程度。

1 海背景红外辐射的计算方法

海洋光辐射由海洋本身的热辐射和它对环境辐射的反射组成，用探测器测量海背景的光辐射时(见图1)，探测器接收到的海背景光辐射包括：海面的热辐射；海面反射的天空(含太阳和云层)辐射；海面至探测器间光学路径上的大气辐射[7]。表达式为

式中：τλ为大气光谱透过率；ρλ为海面光谱反射率；ελ为海面光谱发射率；LλbT(sea)为海面温度的黑体光谱辐射亮度；Lλ(sky)为天空光谱辐射亮度；Lλ(air)为光学路径上的大气光谱辐射亮度。

图1 海面辐射探测示意图

2 简化的海面辐射计算模型

计算模型的建立应满足的条件为[8]：

1)探测器探测海面时，有很大的海面为探测器视场角所包容；

2)将处于视场角内的海面分为若干小块，如图2所示，则每小块面积的辐射可以看成点源发射，可以按一般的远场理论进行处理。

图2 视场角内的海面

设iE为探测器上的辐照度，Ii为海面的辐射强度，Miλ为海面的辐射出射度，iL为海面的辐射亮度，ΔAsi为海面上的小面积，cA为探测器孔径面积，sA为海面面积，il为ΔAsi中心o与cA中心 o'的距离，于是海面的辐射功率为

式中：Ω为探测器孔径面积cA 所对应的立体角。

dΩ的值为

式中：cθ为cA法线cn与il的夹角。

则入射到探测器孔径上的辐射照度为

又知

所以

式中：siθ为ΔAsi法线sn与il的夹角。

当考虑大气衰减，并假设海面到探测器足够远，各小ΔAsi有相同的siθ和li，这里用sθ和l表示，于是探测器孔径上所接受到的总功率为

式中：τ(λ)为透过率；Mλ为海面的辐射出射度。Mλ包括5部分：海洋本身的辐射；探测器与海面之间的大气辐射；天空大气照射到海面，经海面反射进到探测器的辐射；天空散射太阳光进入到探测器的辐射；太阳照射到海面上经反射进到探测器的辐射。

3 辐射传输算法及软件分析

目前国内外在大气辐射传输模型方面的研究进展，应用最多并且效果较好的辐射传输模型是由美国空军地球物理实验室开发的系列软件[9-11]：LOWTRAN(包括PcLnWin)、MODTRAN(包括PcModWin)和FASCODE。

最直接和精确的方法是逐线积分法，最有代表性的大气辐射程序是FASCODE，它是逐线计算单色大气透过率，考虑所有对辐射传输产生影响的吸收线；即计算某一波数处的吸收系数，必须对全部有影响的吸收线在这一波数处的吸收系数求和。FASCODE模型虽然精确度较高，但需耗费大量的时间求积分，不适于实际应用中实时性的要求，仍然主要作为实验室中的评测标准。

MODTRAN 由LOWTRAN代码直接发展而来，实际上包含了全部LOWTRAN模型的选项，可以计算指定大气路径上的透过率和辐射。MODTRAN的有效电磁波谱范围可以覆盖0～50 000 cm-1(波长为0.2 μm～∞)，与LOWTRAN相比，改进了LOWTRAN的光谱分辨率，将光谱半高宽度由LOWTRAN 7的20 cm-1减少到2 cm-1。它的主要改进包括发展了一种2 cm-1光谱分辨率的分子吸收的算法和更新了对分子吸收的气压温度关系的处理，同时维持了LOWTRAN 7的基本程序和使用结构。

由以上分析，考虑到在舰载末端防御系统中对探测精度和实时性的要求，选择MODTRAN 来分析海面光辐射和大气辐射传输是最理想的。

4 海洋背景光辐射仿真分析

4.1 太阳辐射的仿真分析

太阳直接照射是目标接收热流的主要部分之一，太阳照射能量有99%的集中在0.275～0.5 μm 波段的范围内，辐照度最大值在0.48 μm 左右[12-13]。太阳辐射照度在传输的过程中要经过大气的吸收和散射，会使到达海面的辐射照度减少，对海面整体辐射有较大的影响。图3是在MODTRAN 中设定太阳天顶角一定，标准大气环境，乡村能见度为23 km下，在0.275～3 μm 波长范围内太阳辐射照度在大气层内外的比较。

图3 大气层内外太阳辐照度比较

从图3的仿真可以看出太阳辐射照度经过大气衰减后有较大的波动。主要是由于水蒸气、二氧化碳、臭氧的吸收和气溶胶的吸收与散射引起的。太阳辐射照度的减少会使海面反射太阳的辐射减少，相反，天空的辐射会因吸收和散射太阳的能量而增加。

太阳天顶角是影响太阳辐射照度的另一重要因素，这是由于当天顶角不同时，太阳经过大气的传输路径不同，会使到达海面的辐射照度和天空的辐射有所改变。图4设定的大气状态和波段与图3所设相同，太阳天顶角分别是为10、30、45、60和75 度时的大气透过率的情况。

图4 不同天顶角的大气透过率比较

从图4的仿真可以看出，太阳天顶角越大，大气透过率越小，这是由于随着太阳天顶角的增大，阳光所传播的路径变长，衰减越多，所接收的太阳辐射也随之减少；同理，观测高度越高，太阳辐射路径越短，衰减越少，所接收的太阳辐射也随之越多。

太阳光在可见光波段，辐射照度很大，红外波段相比较而言很小，对海面的辐射的影响会有所降低。

图5在MODTRAN 中设定的大气状态和太阳天顶角与图3相同，波长在3～5 μm和8～14 μm 两个红外大气窗口内太阳辐射照度在大气层内外的比较。

图5 3～5 μm和8～14 μm大气层内外太阳辐照度比较

从图5可以看出，相比可见光波段，在红外波段太阳辐射照度比较小，在红外波段，3～5 μm的辐照度比8～14 μm 大两个量级左右。

为了比较大气对太阳辐射照度的影响，图6设定太阳天顶角一定，大气模式分别为中纬度夏季、冬季大气和亚北极区夏季、冬季时，在0.275～0.5 μm波长范围内大气透过率的比较。

从仿真可以看出，4种大气模式下，大气透过率几乎不发生变化，以此可得季节和纬度的变化对太阳的辐照度影响不大，可以忽略，冬季比夏季透过率稍高一些。

图6 4种大气模式下大气透过率比较

4.2 天空和海面自身辐射的仿真分析

白天，天空的红外辐射是散射的太阳光和大气热辐射的组合。当电磁波由方向Ω0前进时，它被介质散射过程包括单次散射和多次散射过程，散射过程如图7所示。

图7 单次散射和多次散射示意图

为了分析天空辐射对探测器的影响作用，建立如图8所示的一种红外探测模型，选取有关参数为：红外探测波段预定为覆盖0.76～14 μm 范围内的光谱区间；红外探测器在海面20 km的高度，反照率设为海洋反射率，卡片值SALE 设为−5；大气模式选择1976年美国标准大气；气溶胶选择海军海洋型气溶胶；设定太阳的天顶角为60°；探测器天顶角设为180°。

图8 红外探测模型

散射太阳光是天空红外辐射的重要组成部分，并且这部分能量会对海面辐射有较大的影响，在近红外波段尤为突出。在图8所示模型的基础上，在0.76～3 μm 波段范围内，图9～10分别是天空多、单次散射太阳光时海面总体辐射的变化情况。

图9 天空多次散射太阳光对海面总体辐射的影响

图10 天空单次散射太阳光对海面总体辐射的影响

从仿真可以看出，在此波段内探测器得到的海面总体辐射主要为天空散射太阳光的辐射和海面反射的辐射。考虑传输过程中多次散射的情况下，太阳光到达探测器的能量是单次散射的3 倍。所以，在3 μm以下的天空辐射，必须考虑太阳光在传播过程中多次散射的情况。

在中红外和远红外，太阳对天空辐射的影响会降低，太阳和天空对海面总体辐射的影响也随之降低。图11、12是在图8模型的基础上，分别在3～5 μm和8～14 μm 两个红外大气窗波段范围内探测器接受海面总体辐射的情况。从仿真图可以看出，在这两波段内，海面总体辐射主要由海面自身辐射、海面到探测器之间的大气路径辐射和海面反射天空的辐射组成，海面自身的辐射对最后的总体辐射影响最大，反射辐射最小。海面的热辐射在8～14 μm波段比3～5 μm 波段的辐射大一个数量级左右。在3～5 μm的范围内，天空的红外辐射最小，比在3 μm以下的波段的辐射小两个数量级，比8～14 μm 波段的辐射小一个数量级。大气路径辐射在8～14 μm 波段比3～5 μm 波段的辐射大一个数量级左右。

图11 3～5 μm探测器接收到的总体辐射的情况

图12 8～14 μm探测器接收到的总体辐射的情况

5 结论

对影响海洋光辐射特性的太阳、天空及海面自身的热辐射进行了分析比较，结果表明：

1)天顶角对太阳辐射影响很大，天顶角越大，辐照度越小，在天顶角一定时，太阳辐照度主要集中在可见光波段，在红外两个大气窗口3～5 μm和8～14 μm 下，辐照度相差2个数量级，季节和纬度的变化对太阳的辐照度影响不大。

2)在近红外，天空的辐射以散射太阳光为主，并且对海面整体辐射影响很大。

3)在3～14 μm 内海面自身的热辐射对最后海面总体辐射影响最大，海面到探测器之间的大气路径辐射、海面反射天空的辐射对海面总体辐射的影响几乎可以忽略，并且海面自身热辐射在8～14 μm 波段比3～5 μm 波段的辐射大1个数量级左右。

必须指出，在关于海洋环境的影响作用方面，还应包括云、雨、雪、雾等复杂气象因素的影响，都需要在以后的研究中深入考虑。

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