Palavras-chaves detector infravermelho, transmissão atmosférica, atenuação. I. INTRODUÇÃO

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1 Atenuação atmosférca da Radação Infravermelha: Influênca de elevados níves hgrométrcos no desempenho operaconal de mísses ar-ar. André Gustavo de Souza Curtyba, Rcardo A. Tavares Santos, Fabo Durante P. Alves, Jayr de Amorm Flho. Insttuto Tecnológco de Aeronáutca (Dvsão de Engenhara Eletrônca) Praça. Mal. Eduardo Gomes, 50. Vla das Acácas S. José dos Campos SP. CEP Resumo Antes que sensblze um detector nfravermelho (IV), o fluxo radante orundo de um alvo percorre, algumas vezes, longas dstâncas na atmosfera terrestre, que consttuída por dversos gases e partículas em suspensão, submete este mesmo fluxo a um processo contínuo de atenuação. O objetvo deste trabalho é apresentar como elevados níves hgrométrcos nfluencam no desempenho operaconal de mísses ar-ar com guamento nfravermelho, em função dos fenômenos de espalhamento e absorção atmosférca. Por fm, é apresentado um breve resumo sobre o mpacto esperado por este artgo no contexto da Força Aérea Braslera (FAB). de avões e helcópteros pertencentes à antga Unão Sovétca []. Hoje, com o advento da nanotecnologa, da eletrônca dgtal e da avançada engenhara de materas, os dspostvos IV se tornaram mas efcentes e menos susceptíves à ação das contrameddas eletrôncas, assm como tveram suas dmensões reduzdas, possbltando seu embarque em dversos tpos de plataforma, como, por exemplo, observado na Fg. um sensor termal nstalado em um helcóptero M-35M Hnd (Fg.). Palavras-chaves detector nfravermelho, transmssão atmosférca, atenuação. I. INTRODUÇÃO A descoberta da radação nfravermelha é atrbuída ao astrônomo nglês Wllam Herschel [], ocorrda no níco do século XIX. Atualmente, varadas são as aplcações atrbuídas a esta porção do espectro, estando presentes na medcna, sensoramento remoto, equpamentos de vsão termal, etc. Hstorcamente, o emprego mltar de dspostvos fotodetectores nfravermelhos (IV) remonta a Prmera Guerra Mundal, quando surgram os prmeros equpamentos destnados à dentfcação de alvos à curta dstânca. Já no ano de 937, ocorreu pela prmera vez a detecção ar-ar de uma aeronave empregando um dspostvo desta natureza. Contudo, a maor novação nesta área fo percebda na Segunda Grande Guerra, quando os Alemães obtveram êxto ao converter radação IV em magem, utlzando um nfrared mage converter tube. No níco da década de cnqüenta, surgem os prmeros mísses ar-ar de guamento IV (nfrared homng), ocorrendo no ano de 953 o prmero lançamento de um artefato deste tpo, um míssl AIM-9A SdeWnder. No conflto do Afeganstão, destacaram-se os MANPADS Man Portable Ar Defense Systems conhecdos como mísses de ombro, que em função de sua facldade de transporte, operação e efcênca, foram responsáves por dversas baxas André Gustavo de Souza Curtyba, agscurtyba@g.com.br Sensor termal Fg.. Sensor termal nstalado em um M-35M Hnd Contudo, apesar do grau de evolução alcançado pelos dspostvos IV, sua efcênca contnua sendo sensvelmente condconada ao ambente operaconal. A atmosfera, prncpal meo de propagação da radação IV, possu em sua consttução dversas varedades de gases e partículas em suspensão, cada qual encontrada em dferentes concentrações, submetendo esta radação a dversos fenômenos, tas como a refração, espalhamento, absorção, etc. Desta forma, é mportante conhecer as característcas de propagação IV na atmosfera e a nfluênca destas no desempenho dos equpamentos que trabalham nesta faxa do espectro. Este artgo abordará sobre a nfluênca de elevadas concentrações de vapor de água na atmosfera (níves

2 hgrométrcos) no emprego operaconal de mísses ar-ar, fnalzando-se com uma breve explanação sobre o mpacto esperado deste estudo no contexto da FORÇA AÉREA BRASILEIRA (FAB). II. MEDIDA E FENÔMENOS RELACIONADOS À CONCENTRAÇÃO DE VAPOR DE ÁGUA NA ATMOSFERA A. Medda dos índces hgrométrcos Dentre todos os componentes da atmosfera terrestre, a água é o únco que é encontrado em seus três estados físcos, seja como neve ou crstas de gelo (sóldo), chuva (líqudo) ou vapor de água (gasoso). O índce hgrométrco, ou umdade da atmosfera, conforme defndo em I, sgnfca a quantdade de vapor de água exstente por undade de volume, geralmente expresso em gramas por metro cúbco (g/m 3 ). Esta grandeza é conhecda como umdade absoluta. Quando a quantdade de vapor de água por undade de volume atnge seu valor máxmo, dz-se que a atmosfera se encontra saturada, ou seja, acma deste lmte é possível ocorrer precptação em forma de chuva. Por sua vez, a umdade relatva do ar é a razão entre a quantdade de vapor medda em uma amostra em relação à quantdade requerda para saturação desta mesma amostra a uma dada temperatura. Outro conceto mportante no estudo da medção da umdade atmosférca é o ponto de orvalho dew pont que é a temperatura em que uma determnada amostra de ar se torna saturada [4]. A quantdade de água, expressa em altura ou em volume, que podera ser recolhda se todo o vapor de água contdo numa determnada coluna da atmosfera, de seção horzontal untára, fosse condensado e precptado é conhecdo como água precptável [6]. Na Fg., é apresentado o gráfco empregado para se obter o valor da água precptável e umdade absoluta do ar, em função da umdade relatva do ar e da temperatura. A quantdade de água precptável vara regonalmente, atngndo seus valores máxmos nas regões equatoras do planeta, em função das elevadas concentrações de vapor de água exstentes na atmosfera que cobre estas áreas. Os valores de água precptável também varam em função da alttude, decrescendo à medda que são atngdas camadas superores da atmosfera [4]. B. Propagação da radação nfravermelha na atmosfera Em sua trajetóra na atmosfera, um fluxo radante hpotétco é seletvamente absorvdo e espalhado pelos gases e partículas em suspensão que encontra pelo camnho, atenuando seu valor à medda que se desloca. A esta atenuação dá-se o nome de extnção [4], e sua expressão matemátca conhecda como coefcente de extnção : a () Onde a é o coefcente de absorção e, o coefcente de espalhamento. É mportante frsar que ambos os coefcentes varam em função do comprmento de onda da radação propagante. Outra defnção mportante no estudo da transmssão IV na atmosfera dz respeto à transmtânca, que é a razão entre o fluxo radante transmtdo em relação ao fluxo radante ncdente e é matematcamente expressa por: I I t x e () Analsando () verfca-se que a transmtânca reduz seu valor exponencalmente à proporção que o fluxo radante se desloca espacalmente, ou seja, quanto maor a dstânca percorrda pela radação, maor a atenuação. C. Atenuação da radação nfravermelha por absorção Conforme pode ser observado na Fg.3, para cada comprmento de onda está assocada uma transmtânca. Este valor vara devdo à absorção mposta por moléculas que compõe a atmosfera e que estão em suspensão. Cada molécula é responsável por absorver alguns determnados comprmento de onda, conforme prevê a teora da dscretzação dos níves de energa. Fg.. Gráfco de obtenção da água precptável e umdade absoluta a partr da umdade relatva e temperatura. Como exemplo, para a umdade relatva do ar de 60% e temperatura de 5ºC, obtém-se no gráfco os valores aproxmados de 4, mm kft - (água precptável) e 3,7 g m -3 (umdade absoluta do ar). Fg.3. Transmtânca atmosférca

3 Valor de K Anda na Fg.3, observa-se a exstênca de regões onde determnadas moléculas apresentam elevada transmtânca. Tas regões são conhecdas como janelas atmosfércas, onde são verfcados elevados valores de transmssão IV. Em contrapartda, estas regões se encontram separadas por regões de alta absorção, onde é reduzda ou, por vezes, nula a transmssão da radação IV. Para o caso do vapor de água (H O), observa-se que, para comprmentos de onda entre 3 e 5m, ocorre elevada atenuação devdo à absorção [4]. D. Atenuação da radação nfravermelha por espalhamento Comparado à absorção, o fenômeno do espalhamento possu menor, contudo não desprezível, partcpação na atenuação da radação IV. Em síntese, este fenômeno consste na dfusão da radação em função das partículas exstentes na atmosfera [4]. Consderando somente a atenuação devdo ao efeto de espalhamento, a equação da transmtânca () pode ser reescrta da segunte forma: x e (3) Nesta stuação, consta apenas a partcpação do coefcente de espalhamento (4), atenuando a transmssão IV em função da dstânca. nkr (4) que a dmensão da partícula, enquanto na Regão de Me, é consderado o espalhamento para a stuação na qual os comprmentos de onda são guas ou maores que a partícula. Na Regão óptca, por sua vez, os comprmentos de onda da radação ncdente são muto nferores que a dmensão da partícula. Nesta últma regão, gotas de água em suspensão na atmosfera são os prncpas responsáves pelo espalhamento nas faxas do vsível, nfravermelho próxmo e médo [4]. III. : O MÍSSIL INFRAVERMELHO E A INFLUÊNCIA DA ATENUAÇÃO ATMOSFÉRICA NO SEU DESEMPENHO A. O míssl de guamento nfravermelho O míssl de guamento nfravermelho nfrared homng é bascamente formado por um sstema de plotagem, espoleta, sstema de guamento, cabeça de guerra e sstema propulsor. No sstema de guamento, encontra-se o seeker, responsável por detectar as radações IV orundas do alvo, processá-las e transmtr estes snas para o sstema de plotagem [5]. Consderando o alvo deste míssl uma aeronave, verfcam-se na Fg.6 suas prncpas fontes de emssão nfravermelha. Energa solar Luz solar refletda Onde n está relaconada ao número de partículas de água por centímetro cúbco encontrados na atmosfera, r é o valor do rao destas partículas e K scatterng area rato se refere à efcênca com que estas partículas de água espalham a energa radante que ncdem sobre as mesmas [4]. A varação da constante K em função da razão entre o rao da partícula de água em relação ao comprmento de onda ( r / ) pode ser verfcada grafcamente na Fg.4, possbltando avalar o grau de espalhamento sofrdo por uma radação ncdente. Radação terrestre refletda Radação terrestre Aquecmento da fuselagem Tubera/partes quentes do motor Gases de exaustão 4 3 Fg.5. Fontes de emssão nfravermelha em uma aeronave Dentre todas as fontes de radação nfravermelha exstentes em uma aeronave, a tubera talppe (escapamento do motor) e a pluma (gases de exaustão composta por produtos da combustão nterna do motor) são as mas ntensas. A expressão matemátca que relacona a temperatura dos gases de exaustão com a temperatura da pluma é apresentada por: Razão entre o rao da partícula e comprmento de onda (r/) Fg.4. Gráfco da razão entre o rao da partícula e comprmento de onda versus valor de K O gráfco da fg.4 é dvddo em três regões: Raylegh, Me e óptca. Na Regão de Raylegh, o fenômeno do espalhamento é tratado para as condções onde o comprmento de onda da radação ncdente é muto maor P T T P Onde T representa a temperatura da pluma, T a temperatura dos gases de exaustão, P é a pressão atmosférca na alttude em questão, P é a pressão dos gases na tubera e é a razão entre o calor específco do combustível por constante de pressão e (5)

4 constante de volume, sendo o valor típco de gual a,3 para aeronaves mltares [5]. B. Radação nfravermelha da pluma e tubera Em sua composção, a pluma é formada bascamente por dóxdo de carbono e vapor de água, que apesar de se encontrarem a elevada temperatura e emtndo grande quantdade de energa, consderável parcela da radação IV é absorvda pela atmosfera [5], fenômeno acentuado em ambentes que apresentam elevados índces de umdade do ar. Desta forma, conforme ctado em II que a quantdade de vapor de água na atmosfera é nversamente proporconal à alttude, pode-se conclur que a pluma gerada por uma aeronave ncursora voando à baxa altura sofre elevada absorção atmosférca, stuação atenuada à medda que esta aeronave realza seu vôo em alttudes maores. O comprmento de onda da radação nfravermelha emtda pela tubera da aeronave depende da lga de metal que esta é consttuída e tal nformação não consta na lteratura, pos possu caráter estratégco. Contudo, sabe-se que sua temperatura vara entre 500º a 700ºC, com valores de emssvdade efetva próxmos à 0,9 [5]. Em regmes de vôo a baxa altura, sem uso de pós-combustor, a emssão nfravermelha orunda da tubera é a prncpal fonte de radação, vsto que grande parte da radação da pluma é absorvda por seus prncpas componentes. C.Desempenho do detector nfravermelho de mísses ar-ar Resumdamente, um detector nfravermelho converte energa radante desta natureza em corrente elétrca e seu desempenho, em condções normas de operação, é descrto em função de sua responsvdade (R), potênca de ruído equvalente (nep) e detectvdade (D * ) [5]. A responsvdade, também descrta como fator de conversão, é a razão entre a corrente de saída no detector em relação à potênca ncdente sobre o mesmo [5]. A expressão matemátca da responsvdade é apresentada da segunte forma: R EA s (6) d Onde s é a corrente na saída do detector, E é densdade de potênca ncdente no detector (W/cm ) e Ad é a área sensível do detector (cm ) [5]. O conceto de potênca de ruído equvalente (nep) é resumdo como a potênca ncdente no detector necessára para que, na saída deste, a relação snal-ruído seja untára [5]. A expressão matemátca para a potênca de ruído equvalente (nep) é dada por: nep EA n d (7) s Onde n é a corrente de ruído na saída do detector [5]. Em função do conceto apresentado, verfca-se que quanto maor o valor da potênca de ruído equvalente (nep), por a qualdade do detector. O conceto de detectvdade possu sentdo nverso ao de potênca de ruído equvalente, sendo que aquele consdera a eletrônca aplcada na letura do snal. A detectvdade e a potênca de ruído equvalente estão relaconados através da segunte expressão matemátca [5]: D A f / (8) nep * d Onde f é a faxa de passagem da eletrônca assocada ao detector. Conforme menconado em II, a atenuação da radação nfravermelha aumenta exponencalmente em função da dstânca. Em ambentes com elevados índces de umdade, os fenômenos da absorção e espalhamento são ntensfcados, contrbundo para a gradatva extnção da radação nfravermelha, à medda que esta se propaga na atmosfera, vde expressão matemátca da extnção (). Desta forma, é possível afrmar que, quanto maor a atenuação, menor é a potênca radante ncdente no detector e, por consegunte, menor a responsvdade do referdo dspostvo. Outro aspecto a ser consderado é a possível redução do contraste entre o alvo e o fundo background consderado. Em função da atenuação atmosférca sofrda pela radação nfravermelha orunda do alvo, este últmo pode se confundr com o fundo, dfcultando a dstnção do snal de nteresse (provenente do alvo), reduzndo assm a relação snal-ruído e o desempenho do detector. C. A Força Aérea Braslera e os mísses ar-ar A hstóra dos mísses nfravermelhos ar-ar na Força Aérea Braslera (FAB) começou no níco dos anos 70, smultaneamente à aqusção dos Mrage III. Para equpar estes supersôncos, foram adqurdos mísses ar-ar do modelo Matra R Alguns anos após, juntamente com a aqusção das aeronaves Northrop F-5E/B Tger II, foram também comprados mísses AIM-9B Sdewnder (vde Fg.6.). Durante muto tempo, estes dos mísses de segunda geração foram os úncos artefatos com guamento nfravermelho dsponíves na FAB. AIM-9B SIDEWINDER Fg.6. Míssl AIM-9B Sdewnder

5 A partr de meados dos anos otenta, teve níco o desenvolvmento do prmero míssl naconal com guamento nfravermelho, o MAA- Pranha que, em função de suas característcas, é qualfcado como míssl de tercera geração. Atualmente, a dotação de mísses ar-ar da FAB é formada pelos mísses de tercera geração Python III, de construção sraelense e pelo MAA- Pranha, recém ncorporado à Força Aérea. Vsando a futura aqusção de um míssl nfravermelho de qunta geração, o Comando da Aeronáutca assnou um acordo de cooperação com a Denel Aerospace da Áfrca do Sul, vsando o desenvolvmento do míssl A-Darter. IV. MEDIDA DA TRANSMITÂNCIA ATMOSFÉRICA A elevação da capacdade operaconal de uma força aérea, vsando torná-la compatível com o crescmento e objetvos estratégcos de um país não se resume, de forma exclusva, à aqusção de novos equpamentos, armamentos e aeronaves de últma geração. Conduzr estudos acerca das peculardades do ambente operaconal é de grande mportânca, pos possblta a produção de dados confáves a respeto do desempenho esperado de um determnado equpamento ou dspostvo. Outro aspecto que reforça a relevânca em conduzr estudos desta natureza, dz respeto à lmtação mposta pelos fabrcantes em fornecer dados mas aprofundados sobre o desempenho dos equpamentos que fornecem. Uma forma de se resolver tas problemas é controlar o ambente no qual os sensores a serem avalados estão nserdos. Se a emssão da fonte é conhecda e controlada e se o meo propagante também é conhecdo e controlado, pode-se verfcar se os requstos técncos estabelecdos para os sensores avalados, optrôncos no caso deste artgo, foram respetados e cumprdos. Os resultados dessas avalações contrbuem para aumentar o grau de confança e de efcênca no emprego de equpamentos em stuações reas. Neste sentdo, podem-se utlzar produtos mportados oferecdos no mercado nternaconal ou desenvolver produtos naconas que atendam às necessdades operaconas. No caso de se medr a transmtânca atmosférca na faxa do IV há produtos bastante nteressantes e com reconhecda capacdade. Exemplos bem comuns são os softwares de baxa e méda resolução de fabrcação amercana LOWTRAN e MODTRAN. Há anda um de alta resolução denomnado HITRAN. Estes produtos têm uma comprovada efcênca para predções fetas em ambentes do hemsféro norte, mas não se conhece sua efcênca em ambentes no hemsféro sul, onde as característcas das chuvas, umdade relatva, pressão, dentre outros, possuem um comportamento bem dverso do hemsféro norte. Além dsso, pode haver problemas de nterface entre estes softwares e os equpamentos usados em avalações [7]. Além dsso, há a possbldade de embargo do uso desse tpo de ferramenta. Por outro lado, conforme dto anterormente, pode-se desenvolver ferramentas adequadas a necessdades específcas. No caso abordado, SANTOS desenvolveu um software que predz a transmssvdade atmosférca na faxa de 0, a 30 m. O software está com resultados valdados na faxa de 3 a 5 m, através da comparação de resultados com o software amercano SEARED, que é uma combnação dos já ctados LOWTRAN e MODTRAN. Os resultados obtdos para a faxa de nteresse são nferores a 5%. Este programa fo denomnado TRFINAL e apresenta resultados promssores que precsam ser mas estudados e valdados em outras faxas de nteresse [7]. Com a utlzação de ferramentas desse tpo é possível predzer a atenuação atmosférca de forma confável e aplcar os resultados em avalações de sensores operaconas tas como autodretores de mísses e mageadores, conforme dto no níco da seção. Um dado que já fo colhdo com a utlzação do TRFINAL é a elaboração da metodologa de medção de envelopes IV de aeronaves proposto por SANTOS [7]. V. CONCLUSÃO As alternatvas e teora dscutdas nesse artgo trazem um grande avanço no sentdo da possbldade de se operar um equpamento de combate com base em conhecmento gerado em trabalhos técnco-centífcos. Nesse contexto, foram estudados e analsados a emssão IV em aeronaves e o comportamento de sua transmssão através da atmosfera. Ferramentas computaconas que podem predzer a transmtânca atmosférca foram apresentadas. A avalação de sstemas baseada em conhecmento própro traz ndependênca operaconal e assmetra concetual que podem fazer dferença na hora do emprego real de vetores e armamentos assocados a eles. As propostas aqu apresentadas são parte sgnfcatva do nvestmento da Força Aérea Braslera em melhorar suas concepções técncas para aumentar sua efcênca operaconal. REFERÊNCIAS [] WIKIPÉDIA. Wllam Herschel. Dsponível em: Acesso em: 9 ago [] NTERNET. MANPADS prolferaton. Dsponível em: http t Acesso em: 8 ago [3] AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Hdrologa e geoquímca da Baca Amazônca. Dsponível em: < Acesso em: 9 ago [4] HUDSON, Rchard D. Infrared System Engneerng. New York: John Wley, 969. [5] Santos, Rcardo Augusto Tavares. Proposta de procedmento para a medda do envelope nfravermelho de aeronave f. Trabalho de conclusão de curso (especalzação) Insttuto Tecnológco de Aeronáutca, São José dos Campos, 00. Trabalho apresentado no Curso de Especalzação em Análse do Ambente Eletromagnétco (CEAAE). [6] INTERNET. Sstema de Meteorologa e Recursos Hídrcos do Estado de Goás - SIMEGO. Dsponível em: Acesso em: 03 set [7] COLOCAR A REF DA MINHA TESE DE MESTRADO.