Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
63 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Поглощение вызвано наличием в атмосфере ряда веществ (воды, углекислого газа, озона и др.), имеющих спектральные полосы поглощения в оптической области. Рассеяние энергии излучений на частицах, из которых состоит среда — это отклонение потока от первоначального направления, причем здесь возможно и поглощение энергии веществом этих частиц. Кроме того, может иметь место молекулярное рассеяние излучения, а иногда следует учитывать излучение газов и частиц, составляющих атмосферу, описываемое законом Кирхгофа и снижающее контраст изображения наблюдаемого источника. При этом возможны также фоновые помехи.
Атмосфера заметно влияет на состояние поляризации проходящего через неё излучения. Неполяризованное излучение может стать частично поляризованным, а для поляризованного излучения, например лазерного, возможен поворот вектора поляризации.
В ряде случаев необходимо учитывать случайные изменения оптических свойств атмосферы. К ним в первую очередь относятся флуктуации фазы световой волны вследствие флуктуаций показателя преломления атмосферы. Их влияние проявляется в мерцании (случайном изменении яркости наблюдаемого источника) и дрожании (случайном изменении пространственного положения изображения наблюдаемого источника). Кроме того, возможны и другие явления, связанные с неоднородностью атмосферы, например рефракция, изменения плотности потока по сечению пучка. Иногда, при большой мощности и короткой длительности оптического сигнала, возникают нелинейные эффекты.
Установлено, что для излучения с длиной волны X общее ослабление в оптически однородной среде описывается экспоненциальным законом Бугера:
1Ix = 1OxexP (- ах1) = 1OxAx = 2охЧ > (4 •!)
где Ilx — сила излучения, прошедшего путь I; Iox — сила излучения в начале трассы; ах — показатель ослабления; т1х = ехр (-а?) — коэффициент прозрачности среды, или прозрачность, для I = 1 км; Xx = х'1х.
Условиями применимости закона Бугера в общем случае являются [8]: отсутствие собственного свечения среды в рассматриваемом спектральном диапазоне; отсутствие индуцированного свечения среды; строгая монохроматичность излучения; небольшая мощность излучения, т. е. отсутствие нелинейных взаимодействий излучения с веществом, из которого состоит среда распространения; достаточная длительность распространяющихся в среде оптических сигналов, так как при очень коротких световых импульсах возможны нелинейные эф-
64 Глава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП
фекты взаимодействия излучения с веществом среды, а также ряд других явлений.
Избирательность по спектру процессов поглощения и рассеяния учитывают с помощью величины Tit= т(Х) = I1(X)ZI0(X), называемой спектральным пропусканием слоя среды. Соответственно, спектральное поглощение определяется как
а, = а(Х) = [/0(Х)-/,(Х)]//0(Х).
Если нужно определить прозрачность атмосферы на каком-то спектральном участке АХ, то пропускание и поглощение задаются функциями следующего вида:
т = —— I\ydX; a=— fOydX.
Величину Tx= CL7I называют оптической толщей среды. В более общем случае — при изменяющемся по трассе показателе ослабления ах
і
Tx = \ax(l)dl.
о
Для наклонных трасс распространения излучения при зенитных углах 0 < 80°, когда атмосферу можно считать плоскопараллельной,
Txb = Txo secQ,
где Txo — оптическая толща вертикального столба атмосферы.
С учетом двух основных факторов ослабления — поглощения и рассеяния — выражение для т(Х) можно представить как
T(X) = Tn(X)Ta(X), (4.2)
где T11(X) =ехр [-fcn(X) I]; Ta(X) =ехр [-aa (X)Z]; kn(X) — спектральный монохроматический коэффициент поглощения; aa(X) — спектральный монохроматический коэффициент аэрозольного ослабления (рассеяния).
Таким образом, для определения общего пропускания атмосферы достаточно найти значения коэффициентов kn и aa при рассматриваемых метеоусловиях.
Иногда для оценки ослабления излучения пользуются понятием затухания, которое определяется в децибелах на километр:
У \ =IOaxIge = 4,34ах.
Поскольку для оценки поглощающих и рассеивающих свойств атмосферы необходимо знать ее состав, приведем некоторые сведения о ее компонентах.
Принято рассматривать атмосферу как среду, состоящую из смеси газов, водяного пара, мельчайших взвешенных частиц, называемых з Якушенков Ю. Г. 65 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
аэрозолем.
Содержание водяного пара в атмосфере может сильно изменяться в зависимости от целого ряда факторов (от 1,3-Ю"5 до4,5% пообъему). Так, с понижением температуры количество водяного пара заметно убывает. Основное его количество содержится на высотах до 5 км. Средняя статистическая зависимость изменения концентрации водяного пара для небольших высот H описывается следующим образом:
if
ан(Н) = ан{0)10~с*,
где ан(0) — влажность на уровне моря; H — высота, км; C3 — эмпирический коэффициент, для средних метеоусловий C3 = 5.
Одноядерные двухатомные молекулы азота и кислорода — основных составляющих чистой атмосферы — не имеют дипольного момента и поэтому не имеют полос поглощения в видимой и инфракрасной областях спектра. Рассеяние излучения на этих молекулах также невелико (см. § 4.3), поэтому распределение азота и кислорода в атмосфере здесь не рассматривается.
