Мишура Т.П., Платонов О.Ю. Проектирование лазерных систем (2006) (1095921), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Оптические свойства атмосферы: а — пары воды; б — поглощение двуокисью углерода; в — поглощение озоном; г — суммарнаякартина21§ËÆÇÊÁ˾ÄÕÆǾÈǼÄÇÒ¾ÆÁ¾тые поля соответствуют окнам пропускания в области от 1 до 15 мкм.Полосы поглощения какоголибо атмосферного газа могут частичнозаполнить окна пропускания другого газа. Суммарная кривая спектрального пропускания атмосферы на уровне моря показана на нижнем графике рис 2.1, г в диапазоне от 1 до 15 мкм. На этом графикехорошо видны основные окна пропускания. Данный график соответствует средней атмосфере, состоящей из основных поглотителей, приведенных на рис.
2.1.Хорошо видны полосы поглощения паров воды, расположенныена длинах волн 1,1; 1,38; 1,87; 2,7 и 6 мкм. Для двуокиси углеродаполосы поглощения встречаются на длинах волн 2,7; 4,3 и 14,5 мкм.Атмосфера содержит множество мелких взвешенных частиц. Онираспределены случайно, имеют различный химический состав, и размеры их колеблются в пределах от 10–7 до 10–1 см.
Они могут содержать пыль, частицы углерода, дым, капли вводы, частицы солии органические включения (бактерии, микробы и т. д.), совокупностькапель жидкости и твердых частиц, взвешенных в атмосфере.Если какуюлибо полосу поглощения исследовать с помощью спектрографа с высокой разрешающей способностью, то она оказываетсясостоящей из сотен тысяч отдельных линий поглощения (рис.
2.2).Увеличение давления и температуры по разному влияет на ширинулиний поглощения. Увеличение давления приводит к заметному расширению полос поглощения и к соответствующему увеличению ослабления. По этой причине с увеличением высоты над уровнем моряпоглощение атмосферой уменьшается. Увеличение температуры неочень сильно сказывается на увеличении потерь за счет поглощенияатмосферой, зато приводит к увеличению потерь за счет роста коэффициента преломления в атмосфере. Изменение температуры воздуха на 1° С вызывает изменение коэффициента преломления воздухана величину порядка 10–6.LÅÃÅРис. 2.2. Тонкая структура типичной полосы поглощения22¹§ËÆÇÊÁ˾ÄÕÆǾÈǼÄÇÒ¾ÆÁ¾Расположение спектральных линий в полосах поглощения излучения углекислым газом имеет вполне регулярный характер, а в полосах поглощения воды расположение линий носит случайный характер, причем интенсивность отдельных линий изменяется в широкихпределах.
Это обстоятельство, а также влияние на ширину спектральных линий давления, температуры и высоты сильно затрудняют создание математической модели для описания поглощения излучения компонентами атмосферы в заданном диапазоне длин волн.Необходимо определять поглощение в узких полосах и затем интегрировать или суммировать его в заданных пределах.В верхних слоях атмосферы, где содержание паров воды незначительно, в качестве основных поглотителей излучения выступаютокись углерода, озон и другие газы (рис. 2.3, а, б, в, г)N2Oº§ËÆÇÊÁ˾ÄÕÆǾÈǼÄÇÒ¾ÆÁ¾LÅÃÅCH 4»§ËÆÇÊÁ˾ÄÕÆǾÈǼÄÇÒ¾ÆÁ¾LÅÃÅCO§ËÆÇÊÁ˾ÄÕÆǾÈǼÄÇÒ¾ÆÁ¾LÅÃżNDOLÅÃÅРис. 2.3. Полосы поглощения второстепенными газами23Наиболее сильные полосы поглощения излучения этими газамив диапазоне от 1 до 9 мкм показаны на рис. 2.3.
Закись азота имеет слабую полосу поглощения при 4 мкм и сильные полосы поглощения при 4,5 и 7,8 мкм. Окись углерода имеет полосу поглощения при4,7 мкм. У метана две линии поглощения — на участке от 3,1 до3,5 мкм и узкая полоса при 7,7 мкм. Тяжелая вода, находящаясяв верхней атмосфере, имеет линии поглощения в области от 3,5 до4,85 мкм и полосу поглощения при 6,7 мкм. Как известно, эти атмосферные газы обладают резонансным ИК излучением в области λ > 4 мкм,обусловливая известную долю свечения неба в этой области спектра.Необходимо отметить также, что рассмотреные газы распределеныв атмосфере равномерно.2.3.
Распространение лазерного излучения через атмосферуС точки зрения лазерной локации все атмосферные эффекты можно разделить (хотя и весьма условно) на две группы. В первую группувходят те явления, которые вызывают изменение суммарной интенсивности направляющегося к цели светового потока. Во вторую —те, которые вызывают изменение «геометрических» параметров подсвечивающего пучка (его расширение и отклонение) и перераспределение энергии в зоне цели.Среди эффектов, относящихся к первой группе, следует выделитьявления рассеяния и поглощения. Эти явления обусловливаются какмолекулами воздуха (молекулярное рассеяние и поглощение), таки отдельными материальными частицами (пыль, молекулы воды),взвешенными в воздухе (корпускулярное рассеяние и поглощение).Интенсивность I(z) коллимированного пучка лазерного излученияна расстоянии z от коллиматора для однородного участка атмосферысвязана с интенсивностью I0 пучка на выходе выражениемI (z) = τ(z) I0 ,(2.1)τ ( z ) = exp(−(βм.
р + βк. р + βм. п + βк. п )),(2.2)гдеа βм. р, βк. р, βм. п, βк. п — соответственно, коэффициенты молекулярного и корпускулярного рассеяния и поглощения. Для неоднородного пути длины z формула (2.1) сохраняется, но входящие в нее функция τ(z) определяется равенством вида24τ ( z ) = exp( −T(z)),(2.3)гдеzT (z) = ∫ ⎡⎣βм. р (z) + βк. р (z) + βм.
п (z) + βк. п (z) ⎤⎦ dz0и представляют некоторую «оптическую длину» пути z, являющуюся функцией длины волны.Для большинства представляющих интерес с точки зрения лазерной локации длин волн коэффициенты молекулярного и корпускулярного рассеяния, увеличиваются обратно пропорционально величине длины волны в четвертой степениβ=512π5с43ω40Re21λ4,(2.4)где Re = q2/8πε0mc02 — радиус электрона, численно равный 2,818 ×× 10–15 м. Уравнение (2.4) известно как формула Рэлея.Молекулярное (рэлеевское) рассеяние света неизбежно имеет место и оно почти не меняется во времени, но практически не препятствует прохождению света видимых и инфракрасных длин волн.
Например, излучение с длиной волны 0,5 мкм, направленное вертикально с уровня моря в зенит будет ослаблено в толще атмосферы за счетрэлеевского рассеяния всего на 13 %, в дальнем инфракрасном диапазоне (10,6 мкм) рэлеевским рассеянием можно пренебречь.В то же время корпускулярное рассеяние при некоторых метеорологических условиях может быть весьма значительным. В основномоно имеет место в той зоне атмосферы, где происходит ее турбулентное перемешивание. Толщина этой зоны измеряется не от уровняморя, а от поверхности Земли и составляет около 5 км.
В пределахуказанного слоя изменяющиеся во времени коэффициенты рассеяния (являющиеся функцией высоты) при длинах волн. Более коротких, чем радиусы частиц тесно связаны с видимостью в поверхностном слое. Например, устанавливая лазерный локатор на горе, не удается полностью избежать влияния низковысотной дымки, посколькуламинарные и турбулентные воздушные потоки заносят в горы с небольших высот некоторое количество аэрозолей (взвешенных частиц). Плотность аэрозолей над гористой местностью зависит не только от видимости в поверхностном слое, но также и от ветров в этомслучае, от восходящих потоков воздуха и местного рельефа.Молекулярное поглощение имеет резонансный характер, что проявляется на определенных длинах волн, соответствующих разностяммежду энергетическими уровнями молекул газов, присутствующих25в атмосфере. Поглощение аэрозолями обусловлено в значительнойстепени электрической проводимостью частиц и является почти постоянным при длинах волн, более коротких, чем радиусы частиц.Ко второй группе «атмосферных» эффектов относятся, преждевсего, явления, связанные с турбулентным характером атмосферы.Турбулентные потоки воздуха обусловливают возникновение местных флуктуаций плотности атмосферы и, следовательно, изменениеее коэффициента преломления.
Эти флуктуации имеют микромасштабное время корреляции порядка нескольких миллисекунд. Изменения коэффициента преломления вызывают изменение оптическойдлины пути луча. В результате в пределах лазерного пучка могут нарушиться существовавшие в нем фазовые соотношения. В силу случайного характера турбулентности коэффициент преломления вдольвсего пути распространения лазерного излучения изменяется случайным образом. Поэтому в качестве основной характеристики в данномслучае выступает некоторый поперечный корреляционный размерρкор. В соответствии с определением ρкор — есть минимальное расстояние между двумя ближайшими лучами, которые изза прохождения участков атмосферы с различными коэффициентами преломления оказываются некоррелированными у цели.Приближенно величину ρкор можно определить из следующей формулы:ρкор = 1,438(λ2/RCп2 )3/5,(2.5)где Сп2 — абсолютный коэффициент преломления; R — толщина турбулентного слоя.Для вертикального прохождения лазерного излучения в космическое пространство от локатора, расположенного на высокой горе,С2п может быть принято равным 1,7 ⋅10−15 м2/3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
