一、大气传输

大多数红外系统必须通过地球大气才能观察到目标，从设计者角度看是不利的。因为，从目标来的辐射在到达红外传感器前，会被大气中某些气体有选择地吸收，大气中悬浮微粒能使光线散射。吸收和散射虽然机理不同，其作用结果均能使辐射功率在传输过程中发生衰减。另外，大气路径本身的红外辐射与目标辐射相叠加，将减弱目标与背景的对比度。

由于大气湍流能引起空气温度、湿度和密度的波动，因而也会引起折射率的波动，造成光束的传播方向、相位和偏振的抖动以及光束强度闪烁。吸收和散射引起辐射衰减可用大气透过率表示为

式中，τ为大气透过率；σ为衰减系数或消光系数，一般良好天气的消光系数σ=0.2；x为传输距离。

衰减系数σ可分解为吸收系数α和散射系数γ，均随波长而变化，有

二、大气吸收

在红外波段，吸收比散射严重得多。大气含有多种气体成分，根据分子物理学理论，吸收是入射辐射和分子系统之间相互作用的结果，而且仅当分子振动（或转动）的结果引起电偶极矩变化时才能产生红外吸收光谱。由于地球大气层中含量丰富的氮、氧、氢等气体分子是对称的，它们的振动不引起电偶极矩变化，故不吸收红外。大气中，含量较少的水蒸气、二氧化碳、臭氧、甲皖、氧化氮、一氧化碳等非对称分子振动引起的电偶极矩变化能产生强烈红外吸收。

图9-1所示为海平面上1 829 m的水平路径所测得的大气透过曲线，图的下部表示了水蒸气、二氧化碳和臭氧分子所造成的吸收带。由于低层大气的臭氧浓度很低，在波长超过1 μm和高度达12 km的范围内，意义最大的是水蒸气和二氧化碳分子对辐射的选择性吸收，如二氧化碳在2.7 μm、4.3 μm和15 μm有较强的吸收带。图9-1中几个高透过区域称为大气窗口，包括0.95～1.05 μm、1.15～1.35 μm、1.5～1.8 μm、2.1～2.4 μm、3.3～4.2 μm、4.5～5.1 μm和8～13 μm等大气窗口。

图9-1　海平面上1 829 m水平路径的大气透过曲线

三、大气散射

大气散射是由大气分子和大气中悬浮粒子引起的，大气层及其所含的悬浮粒子统称为气溶胶。霾表示弥散在气体溶胶各处的细小微粒，它由很小的盐晶粒、极细的灰尘或燃烧物等组成，半径为0.5 μm。在湿度较大的地方，湿气凝聚在这些微粒上，可使它们变得很大。当形成的凝聚核半径超过1 μm的水滴或冰晶时，就形成了雾。云的形成原因和雾相同，只是雾接触地面而已。(www.daowen.com)

仅含散射物质（无吸收物质）的大气光谱透过率为

式中，γ为散射系数，包括气体分子、霾和雾的散射影响；x为传输距离。

粒子的散射系数与其半径与入射辐射波长之比有关。假设每立方厘米大气中含n个水滴，每滴水半径为r，散射系数为

式中，K为散射面积比，是散射效率的度量。

当散射粒子的尺寸小于波长时，K值随波长迅速增加，表现为选择性散射。波长越短，散射越严重。当半径等于波长时，K值最大，约为3.8，散射最强烈。水滴进一步增大，K值轻微震荡，最终趋近于2。由于此时K值与波长λ无关，散射呈现为非选择性散射。

比波长小得多的粒子产生的散射称为瑞利散射，其散射系数与波长的4次方成反比，它有很强的光谱选择性。气体分子本身的散射就是瑞利散射，天空呈现蔚蓝色是由于大气中的气体分子把较短波长的蓝光更多地散射到地面上的缘故，而落日呈现红色则是因为平射的太阳光经过很长的大气路程后，红光波长较长，其散射损失也较小的缘故。

与波长差不多大的粒子的散射称为米氏散射，米氏散射无明显选择性。颗粒较大的烟雾，由于对各种色光都有较高的散射效率，呈白色，是典型的米氏散射。大气气体分子或悬浮微粒的强散射主要表现在可见区，而雾对可见光、红外的大气透过率都有影响。大气散射对可见光观察的影响程度可用能见度表示，在能见度较差的一天，有时会发现红外图像比可见光图像更清晰一些，从而误认为红外透过大气的性能比可见光好，其实不能一概而论。

测量雾中的水滴表明，其半径为0.5～80 μm，尺寸分布峰值一般为5～15 μm。因此，雾粒的大小和红外波长差不多，r/λ近似为1，散射面积比接近最大值。

假定大气中每立方厘米含200个水滴的雾，水滴半径为5 μm，可算得波长4 μm时，100 m路程的透过率仅百分之几。因此，无论是可见还是红外波段，雾的透过率都很低。一般来讲，红外系统只要工作在大气层内，就不可能像雷达一样成为全天候的系统。当然，如果是薄雾天气，雾的颗粒较小，工作波段选用中波红外，红外波段的透过率要比可见光波段的透过率高一些。

野外实验表明，有雨时，大多数红外系统的性能将要下降，但跟有云和雾时不一样。由于雨滴尺寸比红外波长大许多倍，在红外波段，雨的辐射与波长无关。对散射系数而言，小雨滴起着非常大的作用。此外，雨的散射系数仅取决于每秒降落在单位水平面积内的雨滴数。