Поглощение и рассеивание оптического излучения в среде

Многие современные ОЭП работают в условиях, когда излучение наблюдаемого источника приходит на приемное устройство ослабленным за счет влияния среды, в которой оно распространяется. Кроме того, в этой среде может происходить и видоизменение сигнала, переносимого потоком излучения, например, по спектру, пространственной структуре, во времени. Конструктор уже на стадии выбора принципиальной схемы прибора должен учитывать влияние среды, так как только при условии определения характера взаимодействия излучения и среды, в которой оно распространяется, можно выбрать или рассчитать основные узлы приемной части ОЭП. Выполнение важнейших требований к ОЭП, таких, например, как достижение заданной дальности действия, помехозащищенности, точности измерений, зависит также от того, насколько правильно учтено это взаимодействие.

Очень часто средой распространения оптического сигнала является атмосфера. Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено двумя основными процессами:

- поглощением газовыми компонентами, в результате которого происходит преобразование энергии излучения в другие ее виды;

- молекулярным и аэрозольным ослаблением, или рассеянием, состоящим в изменении направленности излучения.

Поглощение вызвано наличием в атмосфере ряда веществ (воды, углекислого газа, озона и др.), имеющих спектральные полосы поглощения в оптической области. Рассеяние энергии излучения на частицах, из которых состоит среда - это отклонение потока от первоначального направления, причем здесь возможно и поглощение энергии веществом этих частиц. Иногда следует учитывать излучение газов и частиц, составляющих атмосферу, описываемое законом Кирхгофа и снижающее контраст изображения наблюдаемого источника. При этом возможны также фоновые помехи, возникающие за счет рассеяния на частицах, находящихся вне углового поля оптической системы ОЭП. Атмосфера заметно влияет на состояние поляризации проходящего через нее 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 флуктуации 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.

I_lλ = I_0λ exp(–α_λl) = I_0λτ ^l_1λ = I_0λτ_λ,

где I_lλ – сила излучения, прошедшего путь l; I_0λ – сила излучения в начале трассы; α_λ – показатель ослабления; τ_1λ = exp(–α_λ) – коэффициент прозрачности среды, или прозрачность, для l = 1км; τ_λ = τ^l_1λ.

Условиями применимости закона Бугера в общем случае являются: 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 эффекты взаимодействия излучения с веществом среды, а также ряд других явлений.

Избирательность по спектру процессов поглощения и рассеяния учитывают с помощью величины τ_λ = τ(λ) = I_l(λ) / I₀(λ), называемой спектральным пропусканием слоя среды. Соответственно, спектральное поглощение определяется как

α_λ = α(λ) = [I₀(λ)–I_l(λ)] / I₀(λ).

Если нужно определить прозрачность атмосферы на каком-то спектральном участке Δλ, то пропускание и поглощение задаются функциями следующего вида:

,

.

Величину T_λ = α_λl называют оптической толщей среды. В более общем случае – при изменяющемся по трассе показателе ослабления α_λ

.

Для наклонных трасс распространения излучения при зенитных углах θ<80°, когда атмосферу можно считать плоскопараллельной,

T_λθ = T_λ0secθ,

где T_λ0 - оптическая толща вертикального столба атмосферы.

С учетом двух основных факторов ослабления – поглощения и рассеяния – выражение для τ(λ) можно представить как

τ(λ) = τ _п (λ)τ_a(λ), (1)

где τ _п (λ) = exp[–k _п (λ)l]; τ_a(λ) = exp[–α_a(λ)l];k _п (λ) – спектральный монохроматический коэффициент поглощения; α_a(λ) – спектральный монохроматический коэффициент аэрозольного ослабления (рассеяния).

Таким образом, для определения общего пропускания атмосферы достаточно найти значения коэффициентов k _п и α_a при рассматриваемых метеоусловиях.

Иногда для оценки ослабления излучения пользуются понятием затухания, которое определяется в децибелах на километр:

γ_λ = 10α_λlge = 4,34α_λ.

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 аэрозолем.

Содержание водяного пара в атмосфере может сильно изменяться в зависимости от целого ряда факторов (от 1,3•10^-5 до 4,5% по объему). 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:

где α_H(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, поэтому распределение азота и кислорода в атмосфере здесь не рассматривается.

Углекислый газ обычно содержится в атмосфере в меньших количествах, чем пары воды; средняя его концентрация сохраняется почти постоянной до высот около 20 км, и объем его равен примерно 0,03%.

Для исследования процессов поглощения важно знать также содержание и распределение озона, концентрация которого изменяется с высотой довольно сложно, резко повышаясь на высотах 22…27 км и понижаясь практически до нуля на высотах свыше 40 км. Средняя концентрация озона в приземном слое составляет 2,7•10^-4% объема. В атмосфере содержатся и другие газы, например, СО, СН₄, которые также ослабляют проходящее излучение, однако их влияние по сравнению с парами воды, углекислым газом и озоном мало.

Закономерности распределения указанных компонентов по высоте, как правило, описываются эмпирическими зависимостями. Очень трудно аналитически учитывать всевозможные посторонние включения (пыль, частицы биологического происхождения, кристаллы льда, капли воды и т. д.), которые в виде аэрозолей могут присутствовать на всех высотах (до 100 км) в атмосфере и снижать ее прозрачность. Можно считать, что концентрация аэрозолей убывает по экспоненте до высот 5…6 км, относительно постоянна в верхних слоях тропосферы и имеет резко выраженный максимум на высотах 15…23 км. Аэрозольное ослабление определяется формой и составом частиц, образующих аэрозоль, их концентрацией, распределением по размерам и т. д., что в значительной степени зависит от метеорологических и географических условий. Радиусы частиц аэрозоля могут меняться в широких пределах - от 4•10^-3 мкм до 0,2 мм. Как размеры частиц, так и закон их распределения зависит от вида аэрозоля, места наблюдения и ряда других факторов. Поэтому очень трудно создать достаточно строгий аппарат для расчета ослабления излучения.