Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 12
Текст из файла (страница 12)
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- 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 тл= т(Л) = Ег(Л)/Ео(Л), называемой спектральным пропусканием слоя среды. Соответственно, спектральное поглощение определяется как = п(Л)=(ЦЛ)-ЦЛ)]11 (Л).
Если нужно определить прозрачность атмосферы на каком-то спектральном участке АЛ, то нропускание и поглощение задаются функциями следующего вида: т= — ]т 4ЛГ а= — ]ал4Л. 1 1 АЛ „сЛЛ Величину Т = а 1 называют оптической толщей среды. В более общем случае — при изменяющемся по трассе показателе ослабления ал Т, = ]ал(1)с1.
о Для наклонных трасс распространения излучения при зенитных углах В < 80', когда атмосферу можно считать плоскопараллельной, Тм = Т, озесВ, где Тл — оптическая толща вертикального столба атмосферы. С учетом двух основных факторов ослабления — поглощения и рассеяния — выражение для т(Л) можно представить как т(Л) = т„(Л) т,(Л), (4. 2) где тл(Л) =ехр (-)т,(Л) 1]; т,(Л) =ехр (-а, (Л)1]; )т„(Л) — спектральный моно- хроматический коэффициент поглощения; а, (Л) — спектральный монохроматический коэффициент аэрозольного ослабления (рассеяния). Таким образом, для определения общего пропускания атмосферы достаточно найти значения коэффициентов Тв, и а, при рассматриваемых метеоусловиях. Иногда для оценки ослабления излучения пользуются понятием затухания, которое определяется в децибелах на километр: Т, = 1 Вал!йе = 4,34 а,.
Поскольку для оценки поглощающих и рассеивающих свойств атмосферы необходимо знать ее состав, приведем некоторые сведения оеекомпонентах. Принято рассматривать атмосферу как среду, состоящую из смеси газов, водяного пара, мельчайших взвешенных частиц, называемых э Лвтшсввав Ю г 65 ! тхп=тип г[-)кпх)а~. о (4.3) з.
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 10 в до 4„5% но 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: и ал(Н'= ан(0)10 с', где а (О) — влажность на уровне моря; Н вЂ” высота, км; Сз — эмпирический коаффициент, для средних метеоусловий Сз = 5.
Одноядерные двухатомные молекулы азота и кислорода — основных составляющих чистой атмосферы — не имеют дниольн ого момента и поатому не имеют полос поглощения в видимой и инфракрасной областях спектра. Рассеяние излучения на атих молекулах также невелико(см. Э 4.3), 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'~ % объема.
В атмосфере содержатся и другие газы, например, СО, СПв, 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 монографиях [8, 15, 30]. 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 оцределяется формой и составом частиц, образующих аарозоль, их концентра- Глава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП цией, 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 мкм з до 0,2 мм.
Как размеры частиц, так и закон их распределения зависит ог вида аэрозоля, места наблюдения и ряда других факторов. Поэтому очень трудно создать достаточно строгий аппарат для расчета ослабления излучения. В литературе [15, 30) приводятся таблицы 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. 4.2.
Поглощение излучения в земной атмосфере В общем случае для неоднородной среды закон Бугера можно записать в следующем виде: где )2,(ХД вЂ” монохроматический коэффициент поглощения. Для слоя однородной среды единичного сечения где Й', — массовый коэффициент поглощения, т. е. коэффициент поглощения на единицу массы поглощающего вещества(м г ); р — плот- 2 -т ность среды(г м ).
Коэффициенты поглощения можно рассчитывать на основе учета поглощения излучения данной длины волны или частоты каждой линией спектра, а также на основе моделей полос поглощения. Зти коаффициенты очень часто определяются и экспериментально — в естественных или лабораторных условиях. Физическая природа рассматриваемого процесса заключается в поглощении излучения отдельными спектральными линиями. 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 атих процессов, в приземном слое (до 20 км) ширина спектральных линий обусловлена главным образом столкновениями молекул. Теория процесса Ю.Г, Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Глава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП была разработана Лоренцем, который дал формулу распределения интенсивности в спектральной линии поглощения как функции частоты и. Для группы перекрещивающихся линий спектральный коэффициент поглощения й„(т)=~ — ' 1 и (т — иск) «-Т, где Еу — интегральная интенсивносты-й перекрывающейся линии; Т, — полУшиРина линии; ио, — частота центРа линии.
Квантовая механика позволяет определить значения й,(т) в чисто вращательных спектрах, однако для длин волн менее 10 мкм необходимо учитывать и колебательные спектры молекул отдельных составляющих атмосферы и, в первую очередь, водяного пара. Аналитическое решение для Х < 10 мкм практически невозможно, поэтому для вычисления й„и т„пользуются так называемыми моделями полос поглощения. Экспериментально было определено, что в УФ и в ближней к ней видимой областях спектра основные линии поглощения создаются озоном (0,2...0,3; 0,32...0„35 и 0,45...
0,48 мкм). Приведем некоторые результаты исследований колебательно-вращательных ИК спектров поглощения в атмосфере. Наиболее мощная поглощающая компонента Н О имеет значительные полосы, располагающиеся около 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 6,3 мкм. Наличие этих полос вызвано колебательно-вращательным движением молекул воды. Чисто вращательный спектр поглощения воды создает полосы, располагающиеся в диапазоне от 10 мкм до миллиметровой границы.
Молекулы углекислого газа СОз создают значительное поглощение около 1,4; 1,6; 2,0; 4,3; 4,8; 5,2; 9,4; 10,4; 13,9 мкм, а молекулы озона наиболее значительно ослабляют излучение в области 9,6 мкм. В совокупности эти полосы, а также полосы других, слабее поглощающих компонентов (Х О, СО, СН, НВО) создают так называемую картину поглощения излучения атмосферой (рис.
4.1), которая меняется в зависимости от концентрации и состояния отдельных поглощающих веществ. Для расчетов ОЭП очень важно отметить наличие «окон» пропускания атмосферы. Так, в атмосфере приземного слоя имеются следующие окна: 0,95...1,05; 1,2...1,3; 1,5...1,8; 2„1...2,4; 3,3...4,2; 4,5...5,0; 8...13 мкм.
С увеличением высоты плотность воздуха и количество поглощающих компонентов уменьшаются, что приводит к весьма заметному расширению «окон» пропускания атмосферы. б 2 1 а б б бб 51 Л,ялм Ща — лв батгвлтг убблиу ььы - б зрилвняля глав Рис. 4.1. Поглощение и пропуснание в атмосфере т„=(о-йт1пю, (4.4) где 2о и й, — постоянные для рассматриваемого участка спектра, (табл.
4.1); и юр( — толщина слоя осажденной воды (водность) км; юр— количество осажденной воды на трассе длиной 1 км; 1 — путь излучения, км. Величина юр может быть найдена как функция температуры воздуха 2 (рис. 4.2) и практически равна абсолютной влажности, или концентрации водяного пара аю и„,г из т««и»г«« 2б /5 то Рис. 4.2. К определению абсолютной влажности е -тв Ф ле г,т На основе практических измерений поглощения в атмосфере Эльдером и Стронгом была предложена следующая формула для вычисления (в процентах) значения т, на трассах, расположенных на высотах 2...3 кмт т„(Л) = ехр — й,(Л) — „- — =' ~1ч- — й (Л)цтт Р Таблица 4. 1 = ро г)М(Н) — ~ — ~ о — г]Н, Рр Т (Н) тя(Л) с[гор Кз(Л)] ,=]мул~[ — ~.— ~1 .[ г ~"зл, 71 70 Ю.Г.
Якушенкоз. Теория и расчет оптико-злектроннык приборов Для определения цго необходимо умножить значение относительной влажности на количество осажденной воды. Например, при З = 10'С и относительной влажности 60г% цгз = 100,6 = 6мм км'. ДлЯ высот Н > 3 км по методике Эльдера и Стронга следует вводить поправку на высоту, и тогда ц, — ц, 1 1 д-(з'о зн) где Н измеряется в километрах. Значения й, я Зл для различныл участков спектра Наиболее распространенными методами расчета коэффициента пропуск ания т,(Л), обусловленного поглощением, являются метод учета отдельных составляющих поглощения с последующим их объединением и несколько более приближенный, но и более простой метод, использующий модели земной атмосферы, среди которых наиболее известна модель 10 тйГТКАХ [30].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
