Анализ изображения луча лазера на длине волны 1,6 мкм в системе ориентирования в условиях недостаточной видимости (туман, метеорологическая дальность видимости 300 М)

АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЛУЧА ЛАЗЕРА НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1,6 МКМ
В СИСТЕМЕ ОРИЕНТИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТОЧНОЙ ВИДИМОСТИ
(ТУМАН, МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ДАЛЬНОСТЬ ВИДИМОСТИ 300 М)

1 ([e-mail]), 2 ([e-mail])

1 МГУ им.
г. Москва, Ленинские горы, ГСП-2
2 Институт оптики атмосферы им. СО РАН
г. Томск, пл. Академика Зуева, 1

Изображение луча лазера оказывает влияние на точность лазерной инструментальной системы ориентирования. В докладе рассматривается прохождение луча лазера с длиной волны 1,6 мкм в тумане (метеорологическая дальность видимости (МДВ) 300 м). Использованы различные типы индикатрис тумана и показано слабое влияние типа индикатрисы на изображение. Показано, что первая
и вторая кратность рассеянного излучения в равной мере влияют на качество изображения. Ухудшают изображения рассеянное излучение кратности выше третьей. Приведено изображение, даваемое рассеянным излучением первой и второй кратности. Приведена формула расчета яркости рассеянного излучения.

Ключевые слова: туман, изображение, лазер, луч, видимость.

Analysis of the laser beam image at a wavelength of 1.6 mm
in the orientation system under conditions of poor visibility
(fog, meteorological visibility is 300 m)

Ya.А. Ilyushin1, V.G. Оshlakov2

1 М.V. Lomonosov Moscow State University
Leninskiye Gory, GSP-2, Moscow
2 V.Е. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS СО РАН
1, Acad. Zuev Square, 1 Tomsk

The laser beam image influences on the accuracy of measurement of the laser instrumental orientation system. The paper considers the laser beam transmission at a wavelength of 1.6 mm in the fog (the meteorological visibility is 300 m). Different types of the fog characteristic indicatrixes curves are used, and the weak effect of the type of indicarex on the image is show. It is shown that the first and the second multiples of the scattered radiation affect equally the quality of the image. The scattered radiation of the multiple higher than the third on worsens the image. The image is given of the scattered radiation of the first and second multiples. The formula of the calculation of the scattered radiation brightness is presented.

Keywords: fog, image, laser, beam, visibility.

Точность определения положения луча лазера по его изображению значительно зависит
от точности определения положения изображения луча в плоскости фотоприемной матрицы (рис. 1). Это в свою очередь зависит от оптической толщи между лазером и фотоприемным устройством.

Рис. 1. Расположение фотоприемной матрицы относительно луча лазера (а)

Изображение луча лазера ухудшается (размывается, уменьшается контраст) присутствием многократного рассеяния. Как показывают эксперименты и теоретические оценки для направленного пучка при отсутствии поглощения многократное рассеяние мало при оптической толщи t . 5¸6, причем эта граница сдвигается в сторону больших t при увеличении поглощения [1], где t = aL, a – коэффициент ослабления, L равно расстоянию от лазера до фотоприемника.

Для полного описания светового поля в данной точке пространства достаточно знать тело яркости в этой точке – полярную функцию яркости в полном телесном угле 4p [2, 3].

Тело яркости в точке определяется при вращении яркомера вокруг этой точки.

Оптическая система: объектив и пиксел фотоприемной матрицы, подобна измерителю тела яркости, имеет угол поля зрения 1° и позволяет измерять яркость в некотором направлении.

Тела яркости в точках, характеризуемых различными и различным удалением от луча , где – расстояние от луча, L – расстояние от лазера до объектива, рассчитывались численным решением уравнения переноса излучения (УПИ) в малоугловом приближении (МУП) методом конечных разностей [4]. В качестве модели тумана использовались индикатрисы 9 класса пологая, 9² класса острая [5] и индикатриса water cloud C1, T38 [6]. Индикатрисы удовлетворяют нормировке , где – значение индикатрисы при угле j.

В работе [7] показано, что индикатрисы 9 класса пологая и 9² класса острая могут быть использованы в видимой и ближней ИК-области спектра. В расчете индикатрисы приближенно заменялись индикатрисами Хеньи–Гристейна [8].

В расчете применялось усовершенствованное малоугловое приближение теории переноса излучения [4, 9] с учетом дисперсии длин путей распространения излучения. По сравнению
с традиционным решением УПИ для узких световых пучков в малоугловом приближении [10], при таком подходе обеспечивается лучшая точность решения на больших оптических толщинах (t >> 1).

При необходимости учета диффузного фона излучения, создаваемого источником в среде, т. е. излучения, рассеянного не на малые углы, имеется возможность создания полной численной схемы решения УПИ с выделением нерегулярных компонент поля на основе решения в малоугловом приближении [4].

Ширину луча характеризуют сечениями тела яркости граничными плоскостями поля обзора (рис. 2). Электронное увеличение изображения эквивалентно увеличению расстояния между задней главной точкой объектива и фотоприемной матрицей. Анализ сечений граничными плоскостями поля обзора показывает, что увеличение доли многократного рассеяния относительно доли однократного рассеяния наиболее сильно сказывается при t > 7 на форму сечения тела яркости плоскостью поля обзора a = 15°. Это ведет к уширению изображения луча
в сечении этой плоскостью. Можно также сделать вывод, что тип модельной индикатрисы слабо влияет на ширину изображения луча. Для модельной индикатрисы Т38 [6], приведены сечения тел яркости за вычетом рассеяния 1-й кратности, и вычетом рассеяния 1-й и 2-й кратности, анализ которых показывает, что рассеянное излучение 1-й и 2-й кратности сохраняют одинаковую направленность.

Тела яркости (рис. 2) определялись для лазера, создающего неполяризованное излучение. Если лазер создает полностью поляризованное излучение, то однократное и двукратное рассеяние остается поляризованным, излучение кратности выше третьей деполяризуется вследствие случайности актов рассеяния. Если поляризация излучения лазера и поляризационные характеристики фотоприемного устройства оптимальные для матрицы рассеяния тумана при a = 15°, то рассеянное излучение кратности выше третьей будет отсекаться и качество изображения луча (размытие, контраст) значительно улучшится [11].

Рис. 2. Сечения тел яркости граничными плоскостями поля обзора, соответствующими a = 15° и a = 55°:
а – индикатриса 9 класса пологая [5], б – 9² класса острая [5], в – Т38 water cloud C1 [6]

1. Розенберг . М.: Физматгиз, 1963.

2. Шифрин  в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

3. Иванов  рассеивающих сред. Минск: Наука и техника, 1969.

4. Ilyushin Ya. A. Coherent backscattering enhancement in highly anisotropically scattering media: Numerical solution // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2012. V. 113, N 5. P. 348–354.

5. Бартенева  рассеяния света в призменном слое атмосферы // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1960. № 12. С. 1852–1865.

6. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971.

7. Gordon  G., Richard W. Integrating nephelometer and implication // Appl. Opt. 1985. V. 24, N 16. P. 2721–2730.

8. Henyey L. G., Greenstein J. L. Diffuse radiation in the galaxy // J. Astrophys. 1941. V. 93. P. 70–83.

9. Ilyushin Ya. A., Budak V. P. Narrow beams in scattering media: the advanced small-angle approximation // J. Opt. Soc. Am. A. 2011. V. 28. P. 1358–1363.

10. Arnush D. Underwater light-beam propagation in the small-angle-scattering approximation // J. Opt. Soc. Amer. 1972. V. 62. P. 1109–1111.

11. Ошлаков В. Г., Ошлаков В. К., Еремина  поляризационные характеристики приборов, регистрирующих рассеянное излучение // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 7.