Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 45
Текст из файла (страница 45)
= ~.„(1 + з'Е), где 0 — угол между направлениями наблюдения и распространения первичного пучка излучения. Кривая, графически показывающая распределение рассеянного потока излучения под различными углами, носит название индикатрисы рассеяния. 271 На практике редко приходится иметь дело с чистой атмосферой. В свободной от облаков и тумана атмосфере содержатся различные примеси (земляная пыль, дым, копоть и др.).
Эти примеси являются центрами конденсации водяных паров, в результате чего в атмосфере образуются капли воды. Когда условия образования капель таковы, что их размер не превышает 0,5 мкм, имеет место дымка, в значительной мере ограничивающая дальность видимости. Для случая, когда размеры частиц соизмеримы с длиной волны, уже неприменим закон рассеяния Релея.
Данные о рассеянии на частицах различного размера получены в работах Зависимость относительного показателя щуЛЕйКИНа рассеяния атмосферы от дальности видимости Хаутона. При этом оказывается, Отношение показателя рассеяния реальной атмосФеры: к показателю рассеяния идеально чистого воздуха И„/р,~ дневная дальность видимости черного предмета на Фоне небосвода Состояние атмосферы 50 м 200 м 500 м 1 км 4 км 10 км 20 км .~50 км 6060 1515 606 151 75,6 30,2 15,1 <5,06 фракрасных лучеи с длиной волны около 3 мкм составляет не более 0,00013. Когда видимость в дымке составляет около 1 км, использование для наблюдения ближней инфракрасной области спектра дает выигрыш по дальности в 2 — 4 раза.
Работы по определению размеров капелек естественного тумана показывают, что радиусы капелек имеют величину от 1 до 60 мкм, причем капли, имеющие радиус больше 25 мкм, встречаются крайне редко. Естественный туман никогда не состоит из капелек одного размера, поэтому вычисление прозрачности природных туманов приводит к неточным и противоречивым результатам. Практически прозрачность тумана лишь очень медленно возрастает с ростом длины волны. При дожде р > 60 мкм и инфракрасные лучи при наблюдении не имеют преимуществ по сравнению с видимым светом. Очень плотный туман Плотный туман Средний туман Легкий туман Дымка Легкая дымка Ясно Очень ясно Исключительно ясно что для Х;~~ р (Х ~ 2р), где р — радиус частицы, рассеяние подчиняется закону АМ; для Х ~(р рассеяние не зависит от длины волны; для Х = р имеет место наибольшее рассеяние. Таким образом, в случае дымки, когда рамеры частиц не превышают 0,5 мкм, использование инфракрасной области спектра может иметь преимущества по сравнению с видимыми лучами.
На расстоянии 10 км в дымке ослабление ин- ю Однако это пе означает, что инфракрасные ситемы не могут работать сквозь дождь. Во многих случаях в отличие от облаков и тумана пропускание инфракрасного излучения дождем достаточно велико. Например, для спектрального диапазона 3,2— 4,8 мкм пропускание излучения сквозь дождь на трассе 1,8 км составит 88% при слабом (0,25 см/ч), 74% при среднем (1,25 см/ч), 65% при сильном дожде (2,5 см/ч), 38% при ливне (10 см/ч). В табл.
12 приведены значения отношения показателя рассеяния реальной атмосферы к показателю рассеяния идеально чистого воздуха для различных состояний атмосферы. 100 ~„ВО ~ БО ь ФО 20 2 Ю 4 5 6 У 8 9 Ю П 72 АУ М Ф9 Л, икм Рис. 216. Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе на уровне моря протяженностью 1 миля (1,8 км) при толщине осажденной воды 17 мм по Джеббн Значение р, в видимой области спектра составляет 0,01— 0,05 км 1. В инфракрасной области спектра атмосфера имеет ряд полос поглощении, соответствующих резонансным частотам молекул газов, входящих в ее состав.
Это, прежде всего, трехатомные молекулы углекислоты и паров воды. Углекислота СО, характеризуется рядом полос поглощения. Наиболее сильными являются полосы, расположенные вблизи длин волн 4,3 и 12,8 — 17,3 мкм. Пары воды Н,О имеют ряд полос, центр которых лежит при 1,37; 1,85; 2,7 и 6,3 мкм. Кроме углекислоты и паров воды, на больших высотах существенным оказывается поглощение озона, который имеет полосы поглощения при 4,8; 6,7; 9,6 мкм. Начиная с 14 мкм, поглощение всеми компонентами атмосферы становится настолько сильным, что в спектральном диапазоне 14 — 200 мкм атмосфера практически непрозрачна (небольшое «окно» пропускания расположено вблизи длины волны 21 мкм).
Следует иметь в виду, что структура полос поглощения атмосферы в инфракрасной области спектра весьма сложна. Фактичекаждая полоса поглощения состоит из множества лини й поглощения, частоты которых определяются колебательными и 273 вращательными резонансными частотами молекул.
Следовательно, коэффициент ослабления р, (Х) меняется здесь очень быстро и применение формулы Бугера — Ламберта становится невозможным. В связи с этим атмосферное поглощение рассчитывается по тем или иным эмпирическим формулам, дающим значение интегрального поглощения для данной полосы пропускания. Методика расчета прозрачности атмосферы и необходимые справочные данные для различных длин волн и условий наблюдения содержатся в ряде книг и пособий, перечень которых приведен в списке литературы. В качестве примера на рис. 216 приведены кривые спектральной прозрачности атмосферы длиной в 1 милю (1,8 км). Глава 10 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СИГНАЛА ф 1 ° ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ Свойства приемника излучения наиболее полно могут быть описаны системой характеристик, выражающих зависимость сигнала и шума, вырабатываемых приемником, от различных факторов: величины, спектрального состава и частоты модуляции излучения, падающего на приемник, температуры окружающей среды, напряжения питания и т.
д. Наиболее распространенными характеристиками приемника излучения являются: амплитудная (энергетическая или световая) характеристика, дающая зависимость сигнала от величины потока излучения, падающего на приемник; спектральная характеристика, выражающая зависимость сигнала от длины волны падающего излучения; частотная характеристика, определяющая инерционные свойства приемника в виде зависимости сигнала от частоты модуляции потока излучения; иумовая характеристика, представляющая собой зависимость спектральной плотности шума приемника от частоты.
К сожалению, однако, не всегда возможно иметь для каждого экземпляра приемника излучения полный набор характеристик. Поэтому во многих случаях характеристики заменяются числовыми параметрами, выражающими свойства приемника для определенных наиболее типичных условий. Например, вместо амплитудной характеристики используется дифференциальная крутизна преобразования (чувствительность) которая определяет величину сигнала, вырабатываемого приемником при облучении его малым синусоидально-модулированным потоком излучения.
Частотная характеристика в первом прибли- РЫ (295 К) РЬТе (77 К) РЫс (77 К) ;сгггги описывается поспгоянной времени; шумовая характеристика — — среднеквадраагическим значением шума или спекпгральной гг,гопгностыо шума на одной фиксированной частоте. В качестве параметров, описывающих спектральную характеристику, иногда используются значения длин волн Х, и Х„при которых спектральная чувствительность соответственно равна 0,5 и 0,01 от максимального значения. Например, спектральные свойства фоторезисторов из сернистого, теллуристого и селенистого свинца могут быть описаны следующим образом (в скобках указана температура чувствительного слоя фоторезистора): Ав, мкм Х~, мкм з,г з,з 5,4 5,95 5,9 6,5 ГОСТ 19852 — 74 определяет коротковолновую Х' и длинно- волновую Х" границы спектральной чувствительности фотоприемника как наименьшую и наибольшую длины волн монохроматического излучения, при ко- 5 о торых монохроматическая чувствительность фотоприемника равна 0,1 ее максимальной величины.
Рис. 217. Приемник как преобразоваВместо ектр и тель излучения в электрический си- место спектральнои характеристики могут задаваться аб- ,„ „ „,„ ,„„„. гг солютные значения ггбооеовой крутизна преобразования (чувствнтельчувствительноспги приемника на фиксированных длинах волн и т. д. Если же иметь в виду, что фотоприемник излучения обычно применяется для обнаружения или регистрации потока излучения сложного спектрального состава, т. е.
главным образом используются его интегральные свойства, то спектральную характеристику можно задать значениями коэффициента использования излучения или эффективной спектральной ширины полосы пропускания приемника, определение которых приведено ниже. Лалее будут рассмотрены только те характеристики и параметры приемников излучения, которые позволяют осуществить феноменологическое описание свойства приемника преобразовать поток излучения в электрический сигнал. С этой точки зрения приемник можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий крутизну преобразования Я, которая и определяет величину сигнала, вырабатываемого приемником и приходящегося на едиггицу падающего на него потока излучения (рис.
217). КРутизна преобразования выражается в различных единицах (вольт на ватт, ом на ватт, ампер на ватт, ампер на люмен и т. д.) н обычно называется чувствительностью, что, конечно, не совсем строго, так как более чувствительным может быть не тот приемник, который вырабатывает больший сигнал, а тот, который обеспечивает большую величину отношения сигнала к шуму. Это обстоятельство находит свое выражение и в технической литературе, где, следуя Джонсу, в отличие от термина зепзИ1чИу (чувствительность), иногда предпочитают использовать термин гезропз1чИу (отзывчивость или реакция, ответ). $2.
АМПЛИТУДНЫЕ (ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИЛИ СВЕТОВЫЕ) И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ П РИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Свойство приемника излучения вырабатывать электрический сигнал определенной величины под действием падающего на него потока излучения трудно выразить одним значением крутизны преобразования, так как зависимость сигнала У от потока Ф обычно нелинейна (рис. 218). Для в полного описания нужно знать всю эту зависимость, которую можно назвать полной амплитудной (стати/ ческой) характеристикой приемника излучения. Однако ее получение связано с существенными экспериментальными трудностями, поэтому с~ 1 обычно для описания амплитудной 1 в характеристики пользуются поняф Ф тием крутизны преобразования (чувствительности). Как известно, различают три знаРис.
218. Общий вид зависимо- приемником, от падающего на чения крутизны: него потока излучения — пол- крутизна для немодулированного ная амплитудная характерис- сигнала, или статическая крутизна (чувствительность) фотоприемника, определяемая наклоном секущей: Я= = ИФ = 1д а; крутизна для модулированного сигнала, или дифференциальная крутизна (чувствительность), определяемая наклоном касательной: средняя крутизна Я,р, определяемая отношением амплитуды первой гармоники сигнала, вырабатываемого приемником, к амплитуде синусоидально-модулированного потока излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
