基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法。首先对地空探测目标和背景辐射进行分析，从对比度的角度对红外系统作用距离建模，其次调用Lowtran7大气软件生成不同大气情况下大气辐亮度和大气透过率与波长、路径距离和观测天顶角的数据库，利用光谱分割方法对离散数据积分，计算对应路径距离下的作用距离，求出使路径距离与计算得到距离相等的最大路径距离，作为红外系统最终的作用距离。本发明专利技术方法具有效率高、适用性强、计算准确性高等特点。

Calculation range of infrared imaging system for ground to air detection based on Lowtran7 atmospheric software

The invention provides a method for calculating the operating distance of infrared imaging system for ground to air detection based on Lowtran7 atmospheric software. The first to air target and background radiation are analyzed from the angle of the contrast of the operating range of infrared system modeling, then call the Lowtran7 software to generate different atmospheric atmospheric conditions, atmospheric radiance and atmospheric transmittance and wavelength, path distance and zenith angle of observation database, using spectral segmentation method of integral discrete data, calculation the corresponding path distance range, the maximum path distance to find the best path distance calculated with equal distance, as the ultimate operating range of infrared system. The method has the advantages of high efficiency, strong applicability and high calculation accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法
本专利技术属于红外系统建模仿真
，主要是红外系统对目标探测作用距离建模
，具体涉及一种基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法。
技术介绍
红外成像系统由于在不良气候或者夜间的跟踪、制导等方面具有巨大优势，因此得到了越来越广泛的应用，红外成像系统性能评价的重要性也越来越突出。对红外成像系统而言，作用距离是其最重要的评价指标，作用距离指的是在一定大气条件下，红外成像系统对目标发现、辨别或识别的最远距离。作用距离评价的方法主要有两种：测量法和模型法。测量法是在实际的外场对作用距离进行测量，该方法物资材料消耗巨大，成本高昂，并且整个测量过程会受到外场环境、鉴定时间等因素的限制或影响；模型法将计算机作为工具，通过充分模拟实际红外场景来预测作用距离，该方法消耗少，成本低，在红外成像系统作用距离评价中得到广泛应用。作用距离模型法可以从噪声等效温差、对比度和信噪比等几个方面出发。噪声等效温差法需要在目标背景温差不大时才能做近似，对于温差较大的探测场景不具有普遍适用性。在模型建立过程中，大气传输参数受到环境等因素的影响而变化复杂，在作用距离的计算中一直是一个难以克服的障碍。大气传输参数包括大气辐亮度和大气透过率，现在国内对大气辐亮度和大气透过率计算的途径一般有两种：利用专业软件进行精确计算或利用经验公式进行粗略计算。专业大气软件计算精度高但使用复杂，而经验公式通常比较简单，适用范围有限，计算误差大，且无法对复杂大气情况进行描述。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法，该方法在传统作用距离模型的基础上增加了对探测波长的修正，使用Lowtran7大气软件得到大气辐亮度和透过率的数据库，从而快速计算不同探测方式下不同目标的作用距离。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法，步骤如下：步骤一，调用Lowtran7大气软件生成波长区间内每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率；根据每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率计算波长间隔之间的大气辐亮度和大气透过率，形成大气辐亮度和大气透过率数据库；步骤二，计算目标辐亮度和背景辐亮度；步骤三，根据作用距离方程求解出最大作用距离；空基红外成像系统对地面目标探测的作用距离方程如公式(1)所示地基红外成像系统对空中目标探测的作用距离方程如公式(2)所示在公式(1)和公式(2)中，Rk-dC(Rj)为路径距离Rj下空基红外成像系统对地面目标探测的作用距离，Rd-kC(Rj)为路径距离Rj下地基红外成像系统对空中目标探测的作用距离，AT为目标表面有效辐射面积，Ad＝d2为探测器的像元面积，d为像元尺寸，f为焦距，Cth为探测器阈值对比度，LT(Rj)为探测器接收到的路径距离为Rj远的目标辐亮度，LB(Rj)为探测器接收到的路径距离为Rj远的背景辐亮度；LA(Rj)为探测器接收到的路径距离为Rj的大气辐亮度；假设将红外成像系统作用距离等分为m段，对于每一个路径距离Rj，使用公式(1)或公式(2)等号右边的计算方式计算出一个作用距离RKj，其中j＝1,2,...,m；从1到m依次计算每一个路径距离Rj对应的作用距离RKj；在全部所述作用距离RKj中存在RKj-Rj与RKj+1-Rj+1异号的点p，p＝1,2,...,m，则最大作用距离RK如公式(3)所示，进一步，计算目标辐亮度LT(Rj)的方法为：首先，根据地面或者空中目标的温度，通过普朗克辐射公式计算目标本身辐亮度LT′(λ)，普朗克公式如式(4)所：公式(4)中，c1＝3.742×10-16W·m2为第一辐射常数，c2＝1.439×10-2m·K为第二辐射常数，ε0为目标的发射率，e为自然常数，λ为波长，TT为目标温度；然后，根据公式(5)计算目标辐亮度LT(Rj)，公式(5)中，n为将工作波长范围λa～λb等分为波数间隔的间隔数，Δλi为波长间隔，为波长间隔Δλi和路径距离Rj对应的大气透过率。进一步，计算背景辐亮度LB(Rj)的方法为：对于地面背景，在探测器工作波长范围λa～λb内，空基探测器接收到的距离探测器Rj远的地面背景辐亮度LB(Rj)如公式(6)所示。在公式(6)中，L′B(λ)表示地面背景本身辐亮度，其入公式(7)所示，公式(7)中，TB表示地面背景的温度；对于空中背景，将无穷远处的大气辐亮度作为背景辐亮度。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，(1)本专利技术增加了基于探测波长的修正，使目标辐亮度和背景辐亮度的计算更符合实际探测的要求，同时使用光谱分割法提高了计算积分的效率；(2)使用Lowtran7软件得到大气辐亮度和大气透过率与波长、路径和观测天顶角的数据库，可以对任意探测器和目标参数进行计算，增强了普遍适用性；(3)使用从0到100km遍历所有路径的方法，与利用迭代计算的方法相比，保证了所有解都能被计算出来。附图说明图1是本专利技术方法流程简图。图2是本专利技术方法流程详图。图3是热带大气辐亮度与波长和路径距离关系示意图。图4是中纬度夏季大气辐亮度与波长和路径距离关系示意图。图5是中纬度冬季大气辐亮度与波长和路径距离关系示意图。图6是副极带夏季大气辐亮度与波长和路径距离关系示意图。图7是副级带冬季大气辐亮度与波长和路径距离关系示意图。图8是热带大气透过率与波长和路径距离关系示意图。图9是中纬度夏季大气透过率与波长和路径距离关系示意图。图10是中纬度冬季大气透过率与波长和路径距离关系示意图。图11是副级带夏季大气透过率与波长和路径距离关系示意图。图12是副级带冬季大气透过率与波长和路径距离关系示意图。图13是作用距离二维平面分布示意图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。结合图1和图2，本专利技术提出的基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法的步骤如下：步骤一：大气辐亮度和大气透过率计算1.1调用Lowtran7大气软件生成波长区间内每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率Lowtran7大气软件是美国空军地球物理实验室提出的低分辨率大气模型，意为低分辨率大气透过率计算程序。Lowtran7大气软件的数据输入文件是一个名为TAPE5的文本文件，共包含5行数据对应于5个数据卡片。文件前2行是大气模式输入，对于设定的仿真环境，前2行保持不变。第3行中的数据依次对应大气路径初始高度、终点高度、初始天顶角、路径长度、地心角、地球半径和程序操作模式，第4行中的数据对应波长下限、波长上限和波长间隔。在设置过程中，对第三行的终点高度、初始天顶角和路径长度按高度和角度间隔依次赋值，每设置完成一次，运行一次Lowtran7，在数据输出文件TAPE6中读取波长区间内每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率。1.2计算波本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法，其特征在于，步骤如下：步骤一，调用Lowtran7大气软件生成波长区间内每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率；根据每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率计算波长间隔之间的大气辐亮度和大气透过率，形成大气辐亮度和大气透过率数据库；步骤二，计算目标辐亮度和背景辐亮度；步骤三，根据作用距离方程求解出最大作用距离；空基红外成像系统对地面目标探测的作用距离方程如公式(1)所示

【技术特征摘要】
1.基于Lowtran7大气软件的地空探测红外成像系统作用距离计算方法，其特征在于，步骤如下：步骤一，调用Lowtran7大气软件生成波长区间内每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率；根据每一个波数对应的大气辐亮度和大气透过率计算波长间隔之间的大气辐亮度和大气透过率，形成大气辐亮度和大气透过率数据库；步骤二，计算目标辐亮度和背景辐亮度；步骤三，根据作用距离方程求解出最大作用距离；空基红外成像系统对地面目标探测的作用距离方程如公式(1)所示地基红外成像系统对空中目标探测的作用距离方程如公式(2)所示在公式(1)和公式(2)中，Rk-dC(Rj)为路径距离Rj下空基红外成像系统对地面目标探测的作用距离，Rd-kC(Rj)为路径距离Rj下地基红外成像系统对空中目标探测的作用距离，AT为目标表面有效辐射面积，Ad＝d2为探测器的像元面积，d为像元尺寸，f为焦距，Cth为探测器阈值对比度，LT(Rj)为探测器接收到的路径距离为Rj远的目标辐亮度，LB(Rj)为探测器接收到的路径距离为Rj远的背景辐亮度；LA(Rj)为探测器接收到的路径距离为Rj的大气辐亮度；假设将红外成像系统作用距离等分为m段，对于每一个路径距离Rj，使用公式(1)或公式(2)等号右边的计算方式计算出一个作用距离RKj，其中j＝1,2,...,m；从1到m依次计算每一个路径距离Rj对应的作用距离RKj；在全部所述作用距离RKj中存在RKj-Rj与RKj+1-Rj+1异号的点p，p＝1,2,...,m，则最大作用距离RK如公式(3)所示，2.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：任侃，田杰，陈钱，顾国华，钱惟贤，周骁骏，张海越，汪鹏程，万敏杰，顾煜洁，王伟杰，姚哲毅，呙星，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32