大气效应与能见度的影响

由于大气层的吸收和散射作用，光辐射的能量会发生变化。对于可见光，主要是散射的影响。一束光在大气层穿过时，辐射强度会衰减，散射作用还会使光的颜色发生变化。

6.3.3.1　视觉对比度

视觉是眼睛所记录的感觉。照射在眼睛上的光刺激作用产生感觉，人眼通过视细胞分辨亮度和颜色感觉。

人眼有锥体细胞和杆体细胞两种视细胞，前者能区分不同颜色，后者能分辨物体的细节。这两种细胞在外界光亮度变化时有不同的视觉规律。在光亮条件下，即亮度在几个cd/m2以上时，人眼的锥体细胞起作用，称为锥体细胞视觉，也叫明视觉。在暗条件下，亮度约在百分之几cd/m2以下时，人眼的杆体细胞起作用，称为杆体细胞视觉，也叫暗视觉。

一个物体能从其背景中区分出来是因为它有不同的颜色或亮度。试验证明，亮度的不同比颜色的不同重要得多。明亮对比度由下式定义：

如果物体的亮度比背景的小，则明亮对比度为负值，且其极限值趋于-1；当物体的亮度超过背景时，该对比度可以非常大，如黑夜中的亮光。在白天或人造白光中，亮度的差别主要是物体和背景反射光的量不同引起的，其明亮对比度很少超过10。物体在经过伪装之后，其明亮对比度可以为0.1或更小。如果亮度比B/B′接近于1，则物体不能从背景中分辨出来。

一物体与其背景之间的总对比度C0近似为：

式中，Cb为明亮对比度；Cc为消色明亮对比度，等于对比度的有色部分。

由于对比度的有色部分很少超过25%，而明亮对比度总是超过25%，在野外条件下能见度主要取决于明亮对比度。尤其是在远距离观察物体时，从各光源射来的散射光会使颜色对比度进一步变小，此时明亮对比度愈显重要。在明亮对比度有限时，颜色差可以提高能见度。但在接近或达到能见度极限时，有色目标的色调观察不到，尤其对紫色、蓝色、绿色和黄色刺激，而橙色、紫红色和红色在这种情况下显微红或褐色。

6.3.3.2　大气作用的影响

通过一种能散射和吸收光线的介质观察时，物体与背景之间的总对比度要减小。对于均匀介质，如包含观察者和物体的大气，对比度的减少量取决于从物体发出的光、从背景发出的光和由中间介质发出的光三者之间的平衡。如果介质是分层的，例如物体与观察者之间有烟幕的情况，由多种散射所产生的反射会更进一步减少总对比度。

通常物体与其背景之间的固有明亮对比度和隔一定距离观察的总对比度Cx由下式给出：

式中，B——第一物体的亮度；

B′——第二物体或背景的亮度；

β——散射系数；

x——距离；

G——由云反射和散射的光，方向与物体反射光相同。

在特定条件下，如某种特定的照明，总对比度存在一临界值，只有超过这一临界值，物体才可见。

通过大气观察时，远距离的两个物体或物体与背景之间的总对比度会减小，如图6.17所示。这种总对比度的减小限制了观察目标和信号的最大距离。

图6.17　总对比度与距离的关系

由大气引起对比度减小的最一般的表达式是：

式中，——两个物体或一个物体与背景之间在有效距离上的总对比度；

C——固有对比度；

β——散射系数；(www.xing528.com)

B——物体的亮度；

B′——背景的亮度。

如果大气是均匀的介质，即在不同水平上天空的总亮度不变，则此式可以简化为：

式中，Cx——在距离x上的总对比度。

在水平距离上，大气传输是2%时，气象距离为：

气象距离即一个固有对比度为-1的、大的黑色物体恰好能在白天的天空中辨别出来的距离。一般报告的能见距离大约是气象距离3/4，典型天气下的气象距离见表6.3。

表6.3　典型天气条件下的气象距离

如果物体的背景不是天空，则总对比度的表达式较复杂。一个目标相对于任意背景在有效距离 上的总对比度是：

式中，C——物体与背景之间的固有对比度；

BH/B′——物体方向上水平天空的亮度与背景亮度之比。

向上观察物体时，能见度计算由于大气分层而较复杂。如果假定这种分层是连续的，则散射系数将有规则地变化，可以估算出能见度。

6.3.3.3　人工照明下目标的能见度

在一定距离上的船、低空飞行的飞机及一定距离上的信号能否从背景上分辨出来，主要取决于观察者眼睛所适应的亮度水平上的视觉能力、目标与背景间的总对比度及反映在观察者眼睛上的角度。目标面积所对应的角度取决于物体的尺寸和形状。对于距离为x m上的圆形物体，目标面积为A m2时所对应的角度为：

距离也是总对比度的函数，确定目标能见距离的计算很复杂，因此有一系列近似计算的方法。此外，由于地球的曲率，在远距离观察时，目标或观察者必须升高。各种高度下的几何距离由下式确定：

式中，H——目标的高度，m；

h——观察者的高度，m；

x——距离，km。

用照明弹提供照明时，由于实际亮度有限，难以保持正常视力的辨认度，只要求有足够的亮度。如图6.18所示。一般照明剂能够达到以上的要求。目标与背景在同一光源下照明时（与日光照射一样），对比度将取决于目标和背景的反射性。一些常见物体的反射率见表6.4。

图6.18　需求亮度

表6.4　常见地形和建筑材料的反射率%