Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 12 )

Глава 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

3.1. Оптические характеристики атмосферы

Очень часто средой распространения оптического сигнала является атмосфера. Общее ослабление оптического 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. 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.

Во многих случаях 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 l общее ослабление в оптически однородной среде описывается экспоненциальным законом Бугера:

(3.1)

где Ill – сила излучения, прошедшего путь l; I0l – сила излучения в начале трассы; al – показатель ослабления; t1l=ехр(-al) – коэффициент прозрачности среды, или прозрачность, для единицы длины пути l; tl=tl1 l.

Условиями применимости закона Бугера в общем случае являются [6]: 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 tl=t(l)=Il(l)/I 0(l), называемой спектральным пропусканием слоя среды. Соответственно, спектральное поглощение определяется как

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

; .

Величину Tl=all называют оптической толщей среды.

В более общем случае – при изменяющемся по трассе показателе ослабления al

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

где Tl0 – оптическая толща вертикального столба атмосферы.

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

(3.2)

где tп(l)=ехр[-kп(l)l]; tа(l)=ехр[-aa(l)l]; kп(l) – спектральный монохроматический коэффициент поглощения; aa(l) – спектральный монохроматический коэффициент аэрозольного ослабления (рассеяния).

Таким образом, для определения общего пропускания атмосферы достаточно найти значения коэффициентов kп и aa при рассматриваемых метеоусловиях.

Иногда для оценки ослабления излучения пользуются понятием «затухание», которое определяется в децибелах на километр:

Поскольку для оценки поглощающих и рассеивающих свойств атмосферы необходимо знать ее состав, приведем некоторые сведения об 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 Н описывается следующим образом:

где aH(0) – влажность на уровне моря; Н – высота, км; С3 – эмпирический коэффициент, для средних метеоусловий С3 = 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. § 3.3), 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 описываются эмпирическими зависимостями, часть которых приведена в [6,12]. 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 пределах – от 4×10-3 мкм до 0,2 мм. Как размеры частиц, так и закон их распределения зависят от вида аэрозоля, места наблюдения и ряда других факторов. Поэтому очень трудно создать достаточно строгий аппарат для расчета ослабления излучения.

В литературе [12,16,26] приводятся закономерности распределения основных поглощающих и рассеивающих компонентов атмосферы, а также температуры и давления в зависимости от высоты над уровнем моря для различных климатических поясов (тропики, средние широты летом, высокие широты зимой и т. д.), образующие модель атмосферы, используемую для расчета ее оптических свойств.

3.2. Поглощение излучения в земной атмосфере

В общем случае для неоднородной среды закон Бугера можно записать в следующем виде:

(3.3)

где kп(l,l) – монохроматический коэффициент поглощения. Для слоя однородной среды единичного сечения

,

где k'п – массовый коэффициент поглощения, т. е. коэффициент поглощения на единицу массы поглощающего вещества (м2×г-1); r – плотность среды (г×м-3).

Коэффициенты поглощения можно рассчитывать на основе учета поглощения излучения на данной длине волны или частоте, т. е. каждой линией спектра поглощения, а также на основе моделей полос поглощения. Эти коэффициенты очень часто определяются и экспериментально – в естественных или лабораторных условиях.

Ширина спектральной линии зависит от ряда факторов: радиационного затухания, уширения линий за счет эффекта Доплера, возникающего при тепловом движении молекул, уширения линий за счет столкновений молекул. Как показали специальные исследования этих процессов, в приземном слое (до высот 20 км) ширина спектральных линий обусловлена главным образом столкновениями молекул. Теория процесса была разработана Лоренцем, который дал формулу распределения интенсивности в спектральной линии поглощения как функции частоты n. Для группы перекрещивающихся линий спектральный коэффициент поглощения