海雾条件下船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法

摘要

本发明属于红外系统在复杂海洋环境下的作战使用研究领域，涉及一种海雾条件下新型船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法。海雾条件下新型船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法，包括以下步骤：第一步，首先根据海雾浓度数据进行第一步计算，得到理论探测距离；第二步，建立评估模型，求取探测能力指数；第三步，根据探测能力指数进行第二步计算。本发明从实地调查研究的实际出发，提出了以两步计算法来求取红外系统在海雾中的有效探测距离，计算模型综合考虑了人、海洋环境和设备三方交互影响的因素，有效解决了单纯依靠海雾信息而出现的“计算失灵”问题。

权利要求

1.一种海雾条件下船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法，其特征在于，步骤如下：第一步：首先根据海雾浓度数据进行第一步计算，得到理论最大探测距离；

根据米氏散射的光学公式，海雾的含水量为W，单位为g/m3，在正常情况下红外系统的正常探测距离为d，km，在浓海雾条件下理论最大探测距离为dx，km，则根据米氏散射公式各参数之间具有如下关系：dx即为第一步计算的结果；

第二步：建立评估模型，求取探测能力指数；

(1)权重要素的求取

在权重要素求解的过程中，使用设备固有信息或者采用人工干预；

(2)四类影响指数是指能够相对独立地影响设备最终使用效果的计算参量；

①海雾强度指数

由于海面悬浮的海雾雾滴是造成红外能量散射衰减的主要影响介质，所以海雾的强度指数主要由海雾的液态水含量确定；海雾雾滴越多，含水量越大，对红外辐射能量的散射就越大；根据米氏散射理论，红外辐射在海雾中的透射率与距离具有复杂的指数函数对应关系；

在浓海雾中，以红外辐射透射率表征的海雾强度指数为：其中，d为正常探测距离，单位为km，A为海雾衰减强度，单位为dB/km；

②距离指数

目标距离越近，成像越容易观察，距离指数用分段函数表式为：③温度指数

随着船只活动范围的不断扩大，极区执行各类任务的机会越来越多，在高纬度地区，海雾形成以后会被迅速冻结而成为各种形状的微小晶体；浮动冰晶的存在会显著增大衰减轻度，纬度指数表示为：④系统稳定性指数

系统稳定性指数表征的是影响海雾生消的宏观气象系统稳定性与可预报性水平；气象预报的准确性是近似正确的，其正确性在距离指数中已进行体现，但是，在冷暖气团交替频繁迅速或者在特殊的海洋地理环境下，海雾预报分析将更加困难，其正确性也必然更加降低；

通过增加时空指数更加真实可靠地反映海雾实际情况，提高评估的可信度；时空指数分为三个等级：以上四个方面的指数已经构建完毕，得到特定距离上的客观气象指数向量为：z＝(z1,z2,z3,z4)T  (6)(6)式中，T为向量或矩阵的转秩；

则船载红外系统的探测能力指数为：

t＝wTz  (7)

w为四类影响指数的权重；

第三步：根据探测能力指数进行“第二步计算”；

在海雾强度小的情况下，即有效探测距离大于D km，直接由海雾含水量求得有效探测距离；但在海雾强度大的情况下，即有效探测距离不大于D km时，须用探测能力指数进行修正才能得到客观的探测能力，克服“计算失灵”现象；

根据探测能力指数的定义，经修正后的有效探测距离dxz与正常条件下的探测距离d之间的关系变为(8)式中，dxz即为经过两步计算法后获得的船载红外系统有效作用距离。

2.根据权利要求1所述的两步计算法，其特征在于，所述的权重要素的求取步骤中，当采用人工干预时，采用判断矩阵达成权重获取的科学性。

3.根据权利要求1或2所述的两步计算法，其特征在于，所述的第三步中，D取值为3。

说明书

海雾条件下船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法

技术领域

[0001] 本发明属于红外系统在复杂海洋环境下的作战使用研究领域，涉及一种海雾条件下船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法。

背景技术

[0002] 在船只船载设备所包括的各类探测手段中，红外热成像探测系统以其被动探测、设备轻便灵活、目标虚警率低等突出优点越来越受到世界各国的重视。船载红外系统不仅可以昼夜工作，还可以弥补雷达探测的不足，实现全方位、全时域的探测跟踪，这些优点非常重要。在地缘政治紧张时，军舰经常被要求保持对目标的有效跟踪，而雷达照射通常被认为是某种挑衅行为，这时，被动探测的红外系统便可以大行其道。

[0003] 作为一种船载设备，船载红外系统在作战使用中必然受到海洋环境的制约，而在众多的海洋气象条件中，海雾是遭遇最多、影响最深的因素。据相关统计，世界海洋表面的绝大部分都会发生海雾，有三分之一的海域年均海雾时间达两个月之久，海雾是影响船载红外探测系统正常使用的严重障碍。就船载红外传感器来讲，其工作波段主要集中在8-12微米波段，海面空气中悬浮的海雾雾滴会对波段红外辐射产生衰减作用，在海雾条件下，尤其是在能见度不足千米的海雾中，有效探测距离将急剧降低，有时甚至不能使用。

[0004] 在世界范围内，由于新式船载红外探测系统装舰时间较晚，关于其作战使用、尤其是受海洋环境的影响方面的研究相对较少，国内外均没有公开的权威的研究；在民用的红外设施(典型的如美国“FLIR”系列)的使用说明中，也基本没有不良气象条件下使用的性能描述。有一些零星的关于8-12微米波段雾中衰减的研究也是内容浅显，仅仅根据瞬间的雾浓度利用米氏公式计算求得，没有经过实践的检验。

发明内容

[0005] 本发明计算模型综合考虑了人、海洋环境和设备三方交互影响的因素，解决了单纯依靠海雾信息而出现的“计算失灵”问题。

[0006] 本发明的技术方案:

[0007] 一种海雾条件下船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法，步骤如下：

[0008] 第一步：首先根据海雾浓度数据进行第一步计算，得到理论最大探测距离。

[0009] 在实际应用中，较大范围海空的详细海洋气象信息，由大型计算机数值模拟系统推演获得，常用的有WRF、MM5和RAMS。只要输入所需的边界条件，经系统运行后便能获得所需空间的海雾微物理结构。在海雾条件下，尤其是在较浓海雾中，海雾气溶胶粒径尺度与船载红外传感器的工作波段相差无几，此波段红外辐射衰减遵从米氏散射定律。根据米氏散射的光学公式，若海雾的含水量为W，单位为g/m3，在正常情况下红外系统的正常探测距离为d(km)，在较浓海雾条件下理论最大探测距离为dx(km)，则根据米氏散射公式各参数之间具有如下关系：

[0010]

[0011] dx即为第一步计算的结果。

[0012] 所谓的“计算失灵”问题是指：在装设备的实际使用中，我们发现，通过公式(1)计算所得的数据与实测数据不相吻合，尤其在雾浓度较大时差别很大，经分析原因存在于以下四点：

[0013] ①海雾浓度在空间上具有较大的不均匀性和时间上的不稳定性；

[0014] ②人与装备的契合情况等等不一；

[0015] ③红外系统有着自身的固有特点；

[0016] ④海雾的特殊形态与组成在特殊情况下消光作用过大。

[0017] 基于此种考虑，船载红外系统有效探测距离的计算需要统筹兼顾主客观各方面的因素。

[0018] 第二步：建立评估模型，求取探测能力指数。

[0019] 影响探测能力的主要要素可归结为由海雾的含水量决定的海雾强度指数、由目标距离决定的距离指数、由海雾雾区经纬度决定的温度指数和成雾机理决定的系统稳定性指数四方面，以各要素应有的权重与各项对应指数线性加权即可获得探测能力指数。探测能力指数，为特定海雾的综合消光性能指标。

[0020] (1)权重要素的求取

[0021] 在权重要素求解的过程中，使用设备固有信息或者采用人工干预。如需要人工干预，采用判断矩阵达成权重获取的科学性。

[0022] (2)四类影响指数

[0023] 四类指数是指能够相对独立地影响设备最终使用效果的计算参量。在这里，我们把完全不影响、最好的情况定义为100％，完全不能探测的、最坏的情况定义为0％，下面分别进行定义。

[0024] ①海雾强度指数

[0025] 由于海面悬浮的海雾雾滴是造成红外能量散射衰减的主要影响介质，所以海雾的强度指数主要由海雾的液态水含量确定。海雾雾滴越多，含水量越大，对红外辐射能量的散射就越大。根据米氏散射理论，红外辐射在海雾中的透射率与距离具有复杂的指数函数对应关系。

[0026] 在较浓海雾中，以红外辐射透射率表征的海雾强度指数为：

[0027]

[0028] 其中，d为正常探测距离，单位为km，A为海雾衰减强度，单位为dB/km。实际上，海雾强度指数就是特定方向上红外探测能力的主要指标。

[0029] ②距离指数

[0030] 目标距离越近，成像越容易观察，即使在浓雾条件下，会出现由于局部空气的快速流动使目标短期内成像格外清晰的可能，熟练的操作者会充分利用这种机会。总之，不管对何种类型的使用者，相应的客观因素指数均越大。经研究，距离指数用分段函数表式为：

[0031]

[0032] ③温度指数

[0033] 随着船只活动范围的不断扩大，极区执行各类任务的机会越来越多，在高纬度地区，海雾形成以后会被迅速冻结而成为各种形状的微小晶体。浮动冰晶的存在会显著增大衰减轻度，纬度指数表示为：

[0034]

[0035] ④系统稳定性指数

[0036] 系统稳定性指数表征的是影响海雾生消的宏观气象系统稳定性与可预报性水平。一般来讲，气象预报的准确性是近似正确的，其正确性在距离指数中已进行体现，但是，在冷暖气团交替频繁迅速、或者在特殊的海洋地理环境下，海雾预报分析将更加困难，其正确性也必然更加降低。

[0037] 增加时空指数能更加真实可靠地反映海雾实际情况，提高评估的可信度，时空指数分为三个等级：

[0038]

[0039] 以上四个方面的指数已经构建完毕，得到特定距离上的客观气象指数向量为：

[0040] z＝(z1,z2,z3,z4)T  (6)

[0041] (6)式中，T为向量或矩阵的转秩。

[0042] 则船载红外系统的探测能力指数为：

[0043] t＝wTz  (7)

[0044] 可见，探测能力指数是针对于特定海雾条件和特定红外传感器的、与探测目标无关的性能指数，其大小与海雾特点、目标距离和装备使用者偏好紧密相关。

[0045] 第三步：根据探测能力指数进行“第二步计算”。

[0046] 在海雾强度较小的情况下，即有效探测距离大于D km，直接由海雾含水量求得有效探测距离；但在海雾强度较大的情况下，即有效探测距离不大于Dkm，须用探测能力指数进行修正才能得到较为客观的探测能力，克服“计算失灵”现象。

[0047] 所述的D的取值为3；

[0048] 根据探测能力指数的定义，经修正后的有效探测距离dxz与正常条件下的探测距离d之间的关系变为

[0049]

[0050] (8)式中，dxz即为经过两步计算法后获得的船载红外系统有效作用距离。

[0051] 本发明的有益效果是从实地调查研究的实际出发，提出了以两步计算法来求取红外系统在海雾中的有效探测距离。计算模型综合考虑了人、海洋环境和设备三方交互影响的因素，有效解决了单纯依靠海雾信息而出现的“计算失灵”问题。

附图说明

[0052] 图1为船载红外探测系统有效作用距离两步计算法的总体框图。

[0053] 图2为一次数值模拟的海雾某垂直分层上含水量填色图。

[0054] 图3(a)为浓度较大，能见度小于500米的海雾与大陆雾的典型雾滴谱。

[0055] 图3(b)为浓度较小，能见度大于1000米的海雾的典型雾滴谱。

[0056] 图4为探测能力指数生成流程图。

[0057] 图5为一次海雾过程中红外系统不同方位上的探测能力指数。具体实施方案

[0058] 以下结合技术方案和附图，具体说明本专利的实施过程。

[0059] 如附图1和附图2所示，海雾条件下船载红外探测系统有效作用距离的两步计算法，步骤如下：

[0060] 第一步：根据详细海雾信息和米氏散射定律求得初步的探测数据。

[0061] 海雾信息主要为海雾雾滴谱、海雾的含水量、能见度及雾区海洋环境，一般通过数值模拟的方式获得。图2为一次数值模拟的海雾某垂直分层上含水量填色图。图3(a)、3(b)分别为不同浓度的海雾雾滴谱典型形式。

[0062] 若初步计算的各个方位上探测距离均大于3km，则认为海雾影响较小或无明显“计算失灵”现象，无需进行二次计算。

[0063] 实际上，海雾的表现形式多为海上平流雾，浓度大，范围广，持续时间长，所以一般来说海雾对红外探测的影响较大，需要进行修正。之所以需要二次计算正是因为需要解决海雾特点而产生的“计算失灵”问题。

[0064] 第二步：求取探测能力指数。

[0065] 探测能力指数生成逻辑关系与计算过程如图4所示。

[0066] 根据技术方案所述，假设在一次先行观测探测距离、事后进行数值模拟的海雾中，根据数值模拟所得舰艇周围不同方位1海里内平均含水量如表1所示：

[0067] 表1船载红外系统不同方位的海雾含水量(20度间隔)

[0068]方位 0 20 40 60 80 100 120 140 160
含水量(g/m3) 0.045 0.036 0.030 0.012 0.007 0.008 0.010 0.013 0.015方位 180 200 220 240 260 280 300 320 340
含水量(g/m3) 0.028 0.032 0.040 0.045 0.051 0.055 0.068 0.071 0.055[0069] 根据技术方案第二步中海雾强度指数计算公式，在此区间内红外辐射衰减遵从米氏理论模型，可得1海里距离处不同方位的海雾强度指数(透射百分数)如表2所示：

[0070] 表2船载红外系统不同方位的海雾强度指数(20度间隔)

[0071]方位 0 20 40 60 80 100 120 140 160
强度指数 0.07％ 0.3％ 0.8％ 20.0％ 32.3％ 27.5％ 20.0％ 12.6％ 8.9％方位 180 200 220 240 260 280 300 320 340
强度指数 1.1％ 0.6％ 0.16％ 0.07％ 0.03％ 0.015％ 0.002％ 0.002％ 0.015％[0072] 假设对于特定的设备使用者来说四类影响指数的权重向量为：

[0073] wT＝(0.95,0.05,0.05,0.05)  (9)

[0074] 同时四类影响指数向量为:

[0075] z＝(z1,80％,50％,70％)T  (10)

[0076] 则根据本发明所述模型计算所得的红外探测系统不同方向上的探测能力指数如图5所示(由于空间关系，图5中隐去了百分符号“％”)。

[0077] 可以看出，在探测能力指数计算过程中，各方权重和客观指数的大小明显影响着最终探测能力指数的生成，而这又与有效探测距离的计算紧密相关，所以，在实践中要谨慎确定各方权重并科学计算各项客观气象指数。

[0078] 在本例中，若探测能力指数为13％，意为在1海里处探测效果很差，平均只有海面晴朗情况下约13％的波段红外能量透过海雾到达传感器。此外，还可以看出，由于设备使用者善于在近距离使用该设备或者由于设备本身固有特点，使得在1海里处探测指数有了一个“保底”的数值，这也符合装备使用的实际情况。

[0079] 第三步：有效探测距离的修正，即“二次计算”。

[0080] 若某船载红外系统在正常海况下的探测距离为18km，则在本例中海雾条件下的理论探测距离(第一步计算结果)如表3所示：

[0081] 表3只考虑海雾强度的某型船载红外系统在不同方位的探测距离(海里)(20度间隔)

[0082]

[0083] 通过表3可以看出，大多数方向上的探测距离处于1海里左右，需要用探测能力指数进行修正。经修正后的实际探测距离如表4所示：

[0084] 表4经探测能力指数修正后的不同方位的探测距离(海里)(20度间隔)[0085]

[0086] 在实地观测中，通过船载雷达确定的部分方位上的红外探测距离如表5所示:

[0087] 表5经探测能力指数修正后的不同方位的探测距离(海里)(20度间隔，不完全)[0088]

[0089] 可见，经修正后的数据更加符合实际。