Затухание оптического излучения в атмосфере

При прохождении инфракрасного излучения через земную атмосферу происходит его ослабление за счет рассеяния и поглощения молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. Спектральное пропускание атмосферой излучения, измеренное на горизонтальной трассе протяженностью 1,8 км на уровне моря,

Рис. 4.11 – Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе на уровне моря протяженностью 1,8 км при толщине слоя осажденной воды 17 мм.

приведено на рис. 4.11. В нижней части рисунка указано, молекулами каких газов поглощается излучение. Участки, характеризуемые высокой прозрачностью, называются атмосферными окнами.

Туман и облака сильно рассеивают излучение и по существу непрозрачны для инфракрасных лучей.

Поглощение света вызывается главным образом водяными парами и углекислым газом, рассеяние – частицами пыли и каплями воды. Существуют два других эффекта, которые затрудняют передачу оптических сигналов в атмосфере: рефракция и мерцание. Поглощение света атмосферой зависит от содержания в ней водяных паров и углекислого газа вдоль пути распространения световой волны, концентрации которых в свою очередь зависят от влажности воздуха и высоты.

Количество водяного пара в атмосфере быстро уменьшается с высотой, и обычно считают, что выше 12 км количество водяного пара пренебрежимо мало. Другая переменная компонента атмосферы — озон — на уровне моря присутствует в очень небольших количествах. Количество озона возрастает с высотой (максимально на высоте примерно 25 км) и вновь уменьшается на больших высотах. Поэтому поглощение излучения слоем озона приходится учитывать лишь при наблюдении за космическими объектами или при наблюдении Земли с космического корабля.

Кроме поглощения лучистый поток рассеивается молекулами воздуха или различными частицами, обычно присутствующими в атмосфере, — кристалликами солей, пылинками, поднятыми ветром с земной поверхности, остатками продуктов сгорания, а также капельками воды и кристалликами льда, являющимися причиной образования тумана, облаков и выпадения снега и дождя.

Рассеяниеимеет ещё большую изменчивость, чем поглощение. Иногда бывает удобным четко разграничить термины дымка и туман. В условиях дымки основной причиной рассеяния является наличие в атмосфере пылевых частиц в основном субмикронных размеров и, следовательно, небольших по сравнению с длинной волны излучения. В результате превалирует рэлеевское рассеяние, вследствие чего его уровень быстро уменьшается с увеличением длины волны. В тумане рассеяние вызывается главным образом водяными каплями, диаметр которых обычно 1…100мкм.

Соотношение между показателем рассеяния и длиной волны может быть выражено приблизительной формулой

, (4.29)

Для частиц, малых по сравнению с длинной волны (релеевское рассеяние). Релеевское рассеяние всегда присутствует даже в чистой атмосфере, потому что излучение рассеивается самими молекулами атмосферы. При рассеяние не зависит от длины волны, и нет необходимости перехода в длинноволновую область. В тумане и облаках величина близка к нулю и наблюдается неселективное рассеяние, чем и объясняется белый цвет тумана и облаков.

Пропускание атмосферы в условиях дымки можно сравнительно легко рассчитать, основываясь на измерениях метеорологической дальности видимости.

Наблюдая ряд удаленных объектов, замечаем, что контраст их с фоном уменьшается с ростом дальности. Наконец, контраст становится столь малым, что объект уже не виден глазом; пороговый контраст для газа составляет (при достаточно высоком уровне яркости адаптации) около 2%. Метеорологическая дальность видимости соответствует расстоянию, на котором контраст объекта с фоном составляет 2%. Метеорологическая дальность видимости и показатель рассеяния связаны соотношением

. (4.30)

Затухание также зависит от длины волны, однако рассеяние добавляется к возрастающему поглощению в водяных парах и обычно становится настолько сильным, что делает оптическую систему связи неработоспособной.

Полевые эксперименты показывают, что дождь ухудшает характеристики большинства инфракрасных систем, однако во многих случаях в отличие от тумана и облаков инфракрасные системы могут работать сквозь дождь [14]. Поскольку размеры дождевых капель намного превышают длину волны, величина близка к нулю и рассеяние инфракрасного излучения дождем неселективно.

Водяные капли, размеры которых достигают миллиметровых размеров, обычно выпадают в качестве дождя. Это вызывает как рассеяние, так и поглощение. Коэффициент затухания увеличивается с увеличением скорости осадков, но зависит также от распределения размеров водяных капель. Это затрудняет обобщения, но можно сказать, что увеличения затухания на 1…10дБ/км является обычным. Таким образом, несмотря на то, что характеристики системы связи значительно ухудшаются из-за дождя, можно обеспечить достаточный запас мощности, чтобы сохранить их на прежнем уровне.

Мидлтон [14], рассматривая влияние дождя на дальность визуального наблюдения, показал, что показатель рассеяния можно вычислить по формуле

, (4.31)

где – сила дождя, см/сек — радиус капель, см. В нормальных условиях дождевые капли могут увеличиваться в размерах, пока их радиус не достигнет примерно 3 мм, затем капли становятся нестабильными.

Таблица 4.1

Измерение атмосферной температуры вдоль пути распространения вызывают рефракцию пучка. Непрерывные изменения рефракции следствию турбулентности атмосферы приводят к мерцанию, эффекту, обычно присутствующему при наблюдении звезд. Рефракция и мерцание затрудняет наведение узкого пучка и, по существу, определяют нижний предел практической расходимости пучка. Мерцание также вызывает непрерывное изменение уровня мощности принимаемого сигнала. Это наряду с изменением атмосферного затухания, исключает использование методов прямой аналоговой модуляции интенсивности для внешних наземных систем связи.

Явлением мерцания называется сцинтилляцией. Сцинтилляция атмосферы ограничивает возможность визуальных и инфракрасных систем наблюдения. Когда луч света проходит сквозь участок с меняющейся температурой воздуха, например сквозь воздух, над нагретыми солнцем дорогами, то этот луч немного отклоняется от своего первоначального направления. Поскольку такие участки нагретого воздуха нестабильны, отклонение луча представляет величину, случайным образом меняющуюся во времени. Поэтому можно ожидать наиболее сильные сцинтилляции, когда трасса проходит вблизи земной поверхности. Явление сцинтилляции в атмосфере создает два эффекта, действующих вместе или порознь: изменение облученности от удаленного источника и изменение видимого направления на источник. Во многих инфракрасных системах поток излучения модулируется растром. Если же лучистый поток еще до попадания в систему оказывается промодулированным в результате атмосферных сцинтилляций, могут возникнуть серьезные ошибки при обработке сигнала. Большинство измерений сцинтилляций произведено в видимой области спектра;

Второе следствие атмосферных сцинтилляций — видимое изменение направления на удаленную цель, которое может лимитировать точность определения угловых координат цели инфракрасными системами. Измерений сцинтилляций в инфракрасной области спектра проведено мало, поэтому приходится использовать данные измерений в видимой области спектра [14].

4.1.5. Дальность действия лазерной локации в атмосфере. Дальность действия лазерного локатора в условиях земной атмосферы ограничивается особенностями распространения оптических сигналов (зондирующих и отраженных) на трассе локации. Обычно атмосфера (особенно тропосфера) имеет локально неоднородную структуру (пыль, тепловые флуктуации её параметров, загрязнение воздуха), что приводит к поглощению и рассеянию, т.е. к ослаблению лазерного излучения при его распространении. В отличие от РЛС при работе ЛЛС в атмосфере поле на оси пучка первичного лазерного излучения при достаточно большом удалении от передатчика лазерного локатора почти полностью определяется рассеянной компонентой излучения. Кроме того, наличие неоднородностей среды вызывает значительную пространственную диффузию энергии лазерного излучения в направлении от оси излучения: лазерный пучок по мере удаления от источника излучения расплывается в пространстве. Это приводит к дополнительному ослаблению лазерного излучения на оси пучка, что, в свою очередь, обуславливает дополнительное уменьшение дальности действия, а также угловой точности и разрешающей способности лазерного локатора. Селективный характер поглощения и рассеяния лазерного излучения атмосферного излучения атмосферой обуславливает наличие в ней «окон прозрачности», которые наиболее выражены в диапазоне волн 0,38—0,9 и 9—13 мкм. С увеличением высоты слоя атмосферы ширина этих «окон» увеличивается. Излучение рубинового лазера () соответствует «окно прозрачности» 0,6932—0,6945 при где и — коэффициенты ослабления потока монохроматического излучения атмосферой за счёт поглощения и рассеяния . Следовательно, ослабление лазерного излучения за счёт рассеяния примерно на два порядка больше, чем за счёт поглощения, что в основном справедливо и для других «окон прозрачности» атмосферы в оптическом диапазоне волн. Поэтому для окон прозрачности атмосферы справедливы приближенные равенства: и Закон Бугера — закон определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. , (4.31) где — поток монохроматического излучения на выходе слоя среды толщиной l. При закон справедлив, а при отклонение от этого закона составляет 30%. В случае активной локации имеет место двухкратное прохождение трассы, т.е. общая длинна пути, половину которого проходит прямое лазерное излучение ЛЛС, а вторую половину — отраженное от цели лазерное излучение, определяется как L=2l=2R. При этом мощность оптического сигнала на входе приёмника ЛЛС прямо пропорциональна квадрату спектрального коэффициента одностороннего пропускания атмосферы: , (4.32) где — мощность отраженного оптического сигнала на входе приёмника ЛЛС при ее работе в свободном пространстве. В интервале малых дальностей (), т.е. при работе по протяженной цели, дальность действия ЛЛС в атмосфере . (4.33) Максимальная дальность действия . (4.34) В интервале больших дальностей() т.е. работе по точечной цели, дальность действия ЛЛС в атмосфере , (4.35) , (4.36) где в зависимости от вида цели определяется выражением (X.X) Исходя из этого, можно сделать вывод, что ослабление мощности лазерного зондирующего и отраженного оптических сигналов на входе приводит к уменьшению отношения сигнал/шум на входе приёмника ЛЛС; это в свою очередь, снижает дальность лазерного обнаружения нижней границы облака. На практике для определения коэффициента , при работе в «окнах прозрачности» пользуются эмпирической формулой , (4.37) где — толщина рассеивающего слоя атмосферы; (для видимого диапазона волн ); — длина волны. Метеоролическая дальность видимости (МДВ) , (4.38) где — пороговая контранстная чувствительность наблюдателя. Под МДВ принято принимать предельную дальность видимости темных предметов с угловым размером стандартным наблюдателем на фоне неба. Для определения можно использовать таблицу 4.2 [6]. Таблица 4.2

Состояние атмосферы (видимость)	Балл по коду	Удельное пропускание	Метеоролическая дальность видимости
Туман: · очень сильный · сильный · заметный · слабый		Менее	Менее 0,05 0,05—0,2 0,2—0,5 0,5—
Дымка: · очень сильная · сильная · заметная · слабая		0,02—0,14 0,14—0,38 0,38—0,68 0,68—0,82	1—2 2—4 4—10 10—20
Хорошая видимость Отличная видимость		0,82—0,92 0,92 и более	20—50