现代战争中，主要对付的空中目标有三类，即固定翼飞机（如隐身飞机）、武装直升机和精确制导弹药（如巡航导弹）。由于三类目标属于有源飞行器，红外特征非常明显，采用红外探测系统能很好地识别和区分。除红外探测系统外，目前还使用毫米波探测系统、声探测系统等。为了更好地了解目标的特性，首先将三类目标的背景辐射叙述如下。

一、导弹类

导弹或火箭能以多种形式作为红外辐射源，如火箭或空气喷气发动机的喷口、喷气流、气动加热的飞行器表面再入大气层时烧蚀形成的尾迹及冲击波层内的热空气等，均可成为强的辐射源。这些类型的辐射源随飞行的方式、阶段、探测的波段与方向的不同而改变其重要性。

对采用火箭发动机的导弹，在动力段最强的辐射源是喷气流，对大多数有效的工作情况，火箭发动机是以富燃烧剂燃烧的，所排物中有相当一部分物质是可连续燃烧的。它们和空气中的氧气混合后产生外燃反应而形成一个后燃区。这是火箭发动机的尾焰在低高度飞行时的一个特点。这种后燃反应会使尾焰温度增加500 K左右。随着飞行高度的增加，空气中氧气减少而使后燃程度减少。

导弹或火箭再入体由于严重的气动加热而成为强的红外辐射源。再入体的辐射主要来自4个部分：

（1）再入体前部被激波加热的空气；

（2）气动加热的再入体表面；

（3）附面层内烧蚀物；

（4）再入体后的尾流。

在红外区，主要的辐射来自（1）和（2），在可见光和紫外区则（1）会起主要作用。

二、飞机和直升机

飞机是目前对空战术导弹的主要攻击目标。喷气式飞机有4种红外辐射源，即作为发动机燃烧室的热金属空腔、排出的热燃气、飞机壳体表面的自身辐射和飞机表面反射的环境辐射（包括阳光、大气与地球的辐射）。

1.喷口辐射

在研究以2.7 μm和4.3 μm为中心的两个波段的辐射时，对马赫数小于2的飞机，其主要的红外源是燃烧室的热金属空腔辐射（或简称喷口辐射）及喷气流辐射。图2-5所示为一涡轮喷气式发动机原理图，它由压缩机、燃烧室、涡轮、尾喷管等组成。

图2-5　涡轮喷气式发动机原理图

（a）结构示意图；（b）发动机工作温度曲线及压力比
1—压缩机；2—涡轮；3—加力燃烧室；4—喷口；5—扩压器；6—燃烧室；7—热电偶；8—尾喷管

对侧向和前半球攻击的红外导弹来说，目标飞机的喷气流辐射是重要的红外源。测量和计算表明，喷气流辐射在与喷流轴线垂直的正侧向为最大。由于飞机机体的遮挡作用，它在飞机前半球内的角分布，要比余弦定律描述的衰减得快，尤其是当角（飞行方向与喷气流的正侧向之间的夹角）大于60°时，则衰减得更快。

喷流辐射的光谱分布是一个值得注意的问题。大气的吸收不仅会使喷流辐射值衰减，而且光谱分布也会改变。测试数据表明，在3～5 μm波段内和额定工作状态下，喷气流在其正侧向的辐射强度大约为发动机正后向辐射强度的1/10；在加力状态下，这个比值为0.80～0.90，有的飞机还可能大于1。

2.蒙皮辐射

过去往往认为，只有在Ma＞2、飞机蒙皮承受相当程度的气动加热的条件下才需要考虑蒙皮的红外辐射，这是一种片面的理解。未产生较严重气动加热的蒙皮会在8～14 μm波段内产生重要影响。在8～14 μm波段，蒙皮辐射占有压倒性的比例，其原因在于：

（1）以300 K为例，蒙皮辐射的峰值波长约为10 μm，正好处在8～14 μm波段范围内；

（2）上述波段的宽度较宽；

（3）飞机蒙皮的面积非常大，它的辐射面积比喷口面积大许多倍。

3.背景辐射

背景辐射是一个红外系统必然会接收到的辐射。背景辐射在探测器上形成的辐照度有时会比目标形成的辐照度高几个数量级，且其变化复杂，因而开展背景的研究对正确设计和使用红外系统具有十分重要的意义。导弹红外系统面对的背景有天空、地面和海洋等，下面分别对天空和地面背景辐射进行一些讨论。

1）天空背景

天空背景可分为晴空和有云两种情况。在晴空条件下，天空向下的辐射主要由两部分组成，即天空中的气体分子及气溶胶粒子对太阳的散射和大气分子的辐射；在有云的条件下，要考虑云对阳光的散射和云本身的辐射。

试验和理论计算表明，对阳光的散射和大气的辐射在光谱分布上是有差别的。对阳光的散射主要分布在波长小于3 μm的范围内；大气辐射由于大气本身温度较低，其有效温度在200～300 K，因此在小于4 μm的波长范围内的辐射很小。天空辐射可以认为是上述两种辐射的叠加。这种辐射在3～4 μm波段内出现极小值，在3 μm以下的短波部分以散射为主，而在4 μm以上以大气辐射为主。

大气分子和气溶胶粒子对阳光的散射，均随波长而变。不管是瑞利散射区或是米氏散射区，散射效率因素均随波长的增大而降低。在做粗略估算时，把太阳看作一个温度近似为6 000 K的黑体，并假设入射到大气层上的阳光被大气层均匀地向各个方向散射。大气外层与阳光垂直的面上的辐照度E为

式中，M为太阳表面的辐出度；r为大气外层至太阳的平均距离；rs为太阳的半径。(www.daowen.com)

若入射到大气层上的阳光被均匀地散射到2π立体角内，则天空的亮度L为

太阳表面的亮度Ls与天空亮度L之比为

若取r与rs比值的平均值为215，则

上述数据与实际数据相比，散射形成的天空亮度显然偏高，一般认为取其1/10较为实际。

在地平方向，晴空时大气分子辐射可近似地用一个T=300 K的黑体辐射来代表。因而理想化的天空辐射可用阳光散射的天空亮度与大气辐射的亮度叠加而成。

在晴空条件下，阳光散射形成的天空亮度具有以下一些特点：

（1）在散射区，光谱曲线外不是理想化的黑体曲线，而是一系列的波带状结构。这是由以0.94 μm、1.1 μm、1.4 μm、1.9 μm和2.7 μm为中心的水汽强吸收带形成的。

（2）散射的亮度随观测的仰角而变化，如图2-6所示。这是因为和水平面构成的仰角增加时，光线路径减小，散射阳光的大气分子数也随之减少，因之散射的亮度减小。需要注意，图中短波区的光谱辐射亮度值应为图中坐标所得值乘以10。

（3）天空的散射亮度也随阳光的高低角而变。图2-7即为不同阳光高低角时天顶高度的光谱分布，图中曲线A的值应为纵坐标值的10倍。

（4）散射与大气辐射不同，它受大气温度的影响很小。

图2-6　晴空时不同仰角的散射亮度光谱分布

图2-7　不同阳光高低角时天顶亮度光谱分布

A—太阳高低角77°，温度30℃；B—太阳高低角41°，温度25.5℃；C—太阳高低角15°，温度26.5℃

在波长大于4 μm的范围内，天空背景辐射主要由大气辐射形成。大气散射在夜间自然消失，而大气辐射不管在白天或夜间均存在。

大气的辐射受气象条件的影响很大，云团的遮盖对大气的辐射有着重要的影响。在晴朗天空的条件下，大气温度对大气辐射亮度有着明显的影响。图2-8所示是天顶的辐射亮度与温度的关系曲线。可以把晴空大气辐射粗略地看成黑体辐射，因而温度也就成为决定性的因素。由于在8～13 μm内大气分子的吸收率很低，因而在这个波段内出现了谷底区域。图中虚线是相应温度的黑体辐射亮度曲线；较高温度的曲线是在海拔1 830 m的山顶上测得的，较低温度曲线是在海拔4 300 m的山顶上测得的。

观测线的仰角对天空光谱辐射亮度也像散射一样有重要影响。图2-9是夜间晴空光谱辐射亮度与观测仰角的关系曲线。图中波长6.3 μm处的H2O吸收带和15 μm处的CO2吸收带，它们的分子吸收系数很大，因而即使仰角为90°时，发射率也已近似于1了，从而使该波长处的各种观测角的曲线均已接近于黑体的曲线。

但是，在8～13 μm波段内则不然，在此波段内大气吸收率很低。不同仰角所代表的不同路径有不同的分子数，吸收率也就不同。从图2-9也可看到，在9.6 μm处有个明显的峰值，这是由O3的发射造成的。

需要提到的是，此组曲线是在高度为3 352 m的高山站上测得的，即使仰角为0°。在3～8 μm内的发射率尚未达到1，因而它和黑体曲线仍有些差别。低高度测量站的结果表明，在仰角为0°时的曲线在8～13 μm内已和黑体曲线重合了。

图2-8　天顶的辐射亮度与温度的关系曲线

图2-9　夜间晴空光谱辐射亮度与观测仰角关系曲线

观测高度为3 352 m，环境温度为8℃，仰角分别为0°、1.8°、3.6°、7.2°、14.5°、30°和90°

在有云的情况下，形成云团的水汽一般来说对红外辐射是很好的吸收体。具有相当厚度的云团，对红外线的吸收率很高。当然，在可见光范围内的太阳辐射的吸收不高。

对分散的云团，云团下测量到的辐射可把云团作为近似黑体的辐射及云团晴面大气（通常温度比云团温度高）的波带状结构的组合。图2-10所示为白天典型地面物质的光谱辐射亮度。此曲线可理解为-10℃的云作为黑体辐射和在云团下的大气（＋10℃）的辐射的组合。

图2-10　白天典型地面物质的光谱辐射亮度曲线

对低空多云的天空的测量表明，此种辐射可近似用相当于环境温度正负几摄氏度的温度的黑体辐射来表示，但也可能在5～8 μm范围内有某种波带状结构。这可能是靠近地面的大气温度略高于云层温度而引起的。

对大气的辐射也能用理论计算的方法进行估算。大气的温度、压力、密度通常随高度而变，因此可将大气沿高度方向分成n层。可以假定在每一层的大气是均匀的并且处于热平衡状态，若知道了各层大气的温度、压力、密度分布及透过率，就可求出大气辐射形成的天空辐射亮度的分布。

2）地面背景

与形成天空背景辐射的机理相似，地面背景辐射由两种机理产生：一是反射的阳光辐射，其中包括天空散射的阳光辐射，这部分辐射主要在近红外区，即小于3 μm的区域；二是地球本身的辐射，它的辐射主要在4 μm以上的区域。正如天空辐射一样，在3～4 μm出现了地面背景辐射的极小值，如图2-10所示。

地面各种物质如岩石、草地、雪、植物、房屋建筑物等对天空辐射的反射率相差很大，《红外手册》对各类物质均列出了详细的曲线，设计时可以参考。地面本身的辐射可粗略地考虑为一个温度为280 K的黑体辐射，但是它显然受各地区地面温度的影响。