Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978) (1095910), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Из проведенных расчетов для построения графиков на фиг. 2.8 и 2.9 следует, что величина дСВ/дт составляет 0,7%/К в диапазоне 8 — 14 мкм и 1,7'ю/К в диапазоне 3,5 — 5 мкм. Это означает, что система, линейно преобразующая тепловое излучение в видимое, не может обеспечить высоких контрастов, необходимых для получения изображения приемлемого качества.
Поэтому в системах тепловидения необходимо иметь схему вычитания яркости фона того или иного типа. Проще всего оценить радиационный контраст, когда цель— черное тело, испускающее излучение на всех длинах волн. В этом случае интегральная плотность потока излучения определяется формулой (2.5) И' (Т) = аТ4, так что аи (т) 4оТз дТ (2.14) 4оТзЬТ 2ЬТ 2оТ4+знТзЬТ Т+2ЬТ а при малых /АТ 2АТ С„= —. Т (2.15) 3 3 3,5 3,5 4 8 8 8 10 10 12 5 5,5 5 5,5 5 5,5 10 12 14 12 14 14 1,1108 2,01 10-8 1,06 10-8 1,97.10 з 9,18 10 з 1,83.10 з 8,47 10 з 1,58 10 4 2,15 10 4 7,34.10-4 1,3 10 4 5,67 10 з 1,54 10 з 2,73.10 з 1,47 10 з 2,66 10 з 1,26 10 з 2,45.10-4 9,65 10 з 1,77 10 4 2,38 10 4 8,08 10 з 1,42 10 4 6,10.10 з 2,1.10 з 3,62.10-4 2 10 з 3,52 10 з 1,69 10 з 3 22.10-4 1 09,10-4 1 97.10-4 2,62 10-4 8,81 10 з 1,53 10 4 6,52 10 з 2,81 10 з 4,72 10 з 2,65 10 з 4,57 10 з 2,23 10 з 4,14.10-4 1,21 10-4 2,17 10-4 2,86 10 4 9,55 10 з 1,65 10 "' 6,92 10 з ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ 41 г 10' 3 10' ф 4 10' Ъ о гао гбп гвп зпп зга тв,б и гоп гоп гвп зпп згп тб,в Фиг.
2.5. Значения производной плотности потока излучения, соответствующей вакону Планка, по температуре для диапазона 8 — 14 мкм в функции температуры фона. гг гп 10 гво гзо зоп зго то,к Фиг. 2.7. Сравнение производных плотности потока ивлучения, соответствующей закону Планка, по температуре для двух спектральных диапазонов в функции температуры фона.
и 210" ф 10' 18 1б съ 14 1г Фиг. 2.6. Значения производной плотности потока излучения, соответствующей закону 11ланка, по температуре для диапазона 3,5 — 5 мкм в функции температуры фона. ГЛАВА 2 йг о,г о в ~а гв го т гп " 'Впг.
з 8 Радиационный контраст в диапазоне 8 — 14 мкм в зависимости от разности температур объекта н фона дпп четырех значений температуры фона. 0,4 п,з 0,1 о в 10 гв га 22 2В,В Фпг. 2.9. Радиационный контраст в дкапааонс 3,5 — 5 мкм з завкспмостн от раэпостп температур объекта н фона дпп четырех значений температуры фона Таким образом, СпггъТ ж 22Т, и при земных температурах в широком спеКтральном диапазоне контрасты существенно меньше, чем в рассмотренных выше узких диапазонах. На этом мы закончим рассмотрение основных соотношений теории теплового излучения. Более подробную информацию можно найти в работах (1 — 91. Тепловое излучение ослабляется при прохождении через земную атмосферу вследствие поглощения и рассеяния молекулами газа, скоплениями молекул (аэрозолями), дождем, снегом, а также дымом, туманом, дымкой, смогом.
Следующие молекулы (перечисленные ниже в порядке важности) поглощают инфракрасное излучение в широких полосах с центрами, соответствующими указан- 2.3. Пропускание излучения атмосферой т;2ВВВ 200 гва Заа т;-гаав гва гво зпп ным длинам волн: воды (2,7; 3,2; 6,3 мкм), углекислого газа (2,7;, 4,3; 15 мкм), озона (4,8; 9,6; 14,2 мкм), закиси ааота (4,7; 7,8 мкм), окиси углерода (4,8 мкм) и метана (3,2; 7,8 мкм). Не считая ослабления в плотных дисперсных средах, молекулярное поглощение является главной причиной ослабления излучения, причем наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном.
В нижних слоях атмосферы поглощением закисью азота и окисью углерода обычно можно пренебречь. Полосы поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм и углекислого газа с центрами 2,7 и 15 мкм ограничивают пропускание излучения атмосферой в диапазоне длин волн 2 — 20 мкм, определяя положение двух окон прозрачности: 3,5 — 5 и 8 — 14 мкм. На данной длине волны при определенном состоянии атмосферы коэффициент пропускания атмосферы определяется законом Бугера — Ламберта — Бара т, (Л) = ехр ( — у (Л) В), (2.16) где Л вЂ” расстояние или длина пути, а у (Л) — показатель ослабления (10).
Показатель ослабления равен сумме показателей рассеяния о (Л) и поглощения й (Л): 7 (Л) = а (Л) + й (Л). (2 17) Показатели рассеяния и поглощения в свою очередь состоят из молекулярной и аэрозольной компонент О(Л) =О (Л)+О,(Л), (2.18) й (Л) = й (Л) + й, (Л). (2.19) Показатель ослабления является сложной функцией Л, поэтому задача определения пропускания атмосферы в широком спектральном диапазоне состоит в интегрировании по всем длинам волн и по накоплению поглотителей на трассе. Средний коэффициент пропускания атмосферы в определенном диапазоне Л,— — Л, равен т, = — ~ ехр ( — у (Л) В) й„ 1 (2.20) Подробный обзор по пропусканию атмосферы и соответствующие проблемы можно найти в работе Фэрроу и Гибсона Н1].
Надежных экспериментальных данных по пропусканию атмосферы в инфракрасной области мало. Лучшими являются хорошо известные результаты измерений Тейлора и йетса (12) (фиг. 2.10 — 2.12), а также Стрита [13) (фиг. 2.13 и 2.14). Подробно механизмы ослабления излучения в атмосфере были описаны в работах (2,7), теОРия теплового излучения и НРОЕОждение чеРРз АтмОсФеРу 43 700 я 80 г ь б г еж Ба В 4а ы 20 Й 0 2,8 20 З,а 8,7 З,У З,В 8,4 8,5 5,8 27 ВВ В,О 4,0 4,7 4,г Алигм Валта4 млм Фиг. 2ЛО. Пропускаиие атмосферы в диапааоне длин волн 2,8 — 4,2 мкм [12]. 1 — трасса 300 и, толщина слоя осажденной воды 0,11 см; 3 — трасса 6,3 км, толщина слоя осажденной воды 1,37 см; 3 — трасса 18,7 км, толщина слоя осажденной воды 5,2 см.
100 И 80 ~а 80 а 40 ь 20 ф 0 43 44 45 45 4,7 48 4Я 50 57 Длина Валам, млл 22 55 5,4 55 58 Фиг. 2Л1. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 4,3 — 5,6 мкм [12]. 1 — трасса 300 м, толщина слоя осажденной воды О,11 см; л — трасса 6,3 км, толщина слоя ссвкдеииой воды 1,37 см; 3 — трасса 18,7 км, толщина слоя осажденной воды 5,2 см. Фиг.
2Л2. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 6,5 — 14 мклт [12]. 1 — трасса 300 м, толщина слоя осажденной воды 0,11 см; в — трасса 6,3 км, толщина слоя осажденной воды 1,37 см; а — трасса 13,7 нм, толи1ина слоя осажденйой воды 5,2 см. ы~" 700 г Ва 7 Ва Ю 'в Ф 40 В - га а 85 70 75 80 85 90 25 700 705 770 Ц5 7ЯО 72,5 730 73,'5 740 Влита 7нлтм,юю 20 1В 52 14 $12 ~ 10 й в $6 й г 3,5 4,0 4,5 50 Алиня Волщ4 яяя Фиг. 2ЛЗ.
Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 3 — 5 мкм 1131. Длина трассы 25 им; толщяиа слоя осаждеяиой воды: 7 — 21,5 см; г — 25,4 см; 6— 36,2 см; 6 — 45,3 см. 25 ъа и 20 м а~ 15 а 10 Й Я. ф 0 4,У 5,0 6,0 10 ВО ЯО 1ОР 101 Дляяа Васям,яля Фиг. 2Л4. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 4„2 — 10,7 мкм [131. Длина трассы 25 ям; толщина слоя осажденной воды: 7 — 21,5 см; 2 — 26,7 см. 46 ГЛАВА Г и мы их здесь рассматривать не будем. Просто мы воспользуемся наиболее подходящей из известных аналитических моделей.
Поглощение молекулами газа происходит в том случае, когда колебательные и вращательные движения атомов в молекуле вызывают иаменение дипольного момента. При этом энергетическое. взаимодействие молекулы с электромагнитным полем может проявляться в резонансном поглощении и испускании квантов. Следовательно, изолированным симметричным молекулам, не имеющим дипольного момента, не свойственно колебательно-вращательное поглощение.
Молекулярное поглощение в электронных зонах атомов также пренебрежимо мало. По этим причинам изолированные молекулы трех основных компонентов атмосферы — двухатомные молекулы азота и кислорода и одноатомная молекула аргона — не поглощают инфракрасного излучения. В газе, однако, происходит ушнрение линий поглощения, вызванное давлением. Этот эффект соответствующим образом влияет на поглощение излучения в атмосфере. Молекулярное поглощение ослабляет пучок теплового излучения, поскольку газ переизлучает поглощенную энергию во всех направлениях, а не только в направлении первоначального распространения. Четкое объяснение процесса молекулярного поглощения дается Эндингом [14[.
В его работе приведено описание модели Эльзассера, статистической модели и модели Эльзассера со случайным наложением полос. Эндинг дает рекомендации по применению моделей к различным молекулярным компонентам и сравнивает результаты, полученные с помощью этих моделей, с экспериментальными данными. Молекулярное рассеяние и ослабление излучения на аэрозолях хорошо описаны в работе Макклэтчи н др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
