Глава 4. ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

4.1. Общие вопросы распространения излучения в атмосфере

Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено:

- - ·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. Кроме того, может иметь место молекулярное рассеяние излучения, а иногда следует учитывать излучение газов и частиц, составляющих атмосферу, описываемое законом Кирхгофа и снижающее контраст изображения наблюдаемого источника. При этом возможны также фоновые помехи.

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.

Случайные изменения оптических свойств атмосферы:

§ § -флуктуации фазы световой волны вследствие флуктуаций показателя преломления атмосферы;

§ § - неоднородность атмосферы;

Они проявляются в:

- - мерцании (случайном изменении яркости наблюдаемого источника);

- - дрожании (случайном изменении пространственного положения изображения наблюдаемого источника);

- - рефракции (изменении плотности потока по сечению пучка);

- - возникновении нелинейных эффектов (при большой мощности и короткой длительности оптического сигнала).

Установлено, что для излучения с длиной волны l общее ослабление в оптически однородной среде описывается экспоненциальным законом Бугера:

,(4.1)

где I_ll — сила излучения, прошедшего путь l; I_0l — сила излучения в начале трассы; a_l — показатель ослабления; t_1l=ехр (-a_l) — коэффициент прозрачности среды, или прозрачность, для l=1 км; t_l=t^l _{1 l}.

Избирательность по спектру процессов поглощения и рассеяния учитывают спектральным пропусканием слоя среды

t_l=t(l)=I_l(l)/I ₀(l),

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 T_l=a_ll называют оптической толщей среды.

В более общем случае — при изменяющемся по трассе показателе ослабления a_l

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

где T_l0 — оптическая толща вертикального столба атмосферы.

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

 (4.2)

где t_п(l)=ехр [-k_п(l) l]; t_а(l) =ехр [-a_a (l)l]; k_п(l) — спектральный монохроматический коэффициент поглощения; a_a (l) — спектральный монохроматический коэффициент аэрозольного ослабления (рассеяния).

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

Иногда для оценки ослабления излучения пользуются понятием затухания, которое определяется в децибелах на километр:

Поскольку для оценки поглощающих и рассеивающих свойств атмосферы необходимо знать ее состав, приведем некоторые сведения о ее компонентах.

Принято рассматривать атмосферу как среду, состоящую из:

- - смеси газов;

- -  водяного пара;

- - аэрозоля ( мельчайших взвешенных частиц).

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 a_H(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. § 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^-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.

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:

G до высот 5...6 км- концентрация аэрозолей убывает по экспоненте;

G в верхних слоях тропосферы- относительно постоянна;

G на высотах 15...23 км- имеет резко выраженный максимум.

Аэрозольное ослабление определяется:

- - формой и составом частиц, образующих аэрозоль;

- - концентрацией частиц;

- - распределением частиц по размерам;

- - метеорологическими и географическими условиями

 Радиусы частиц аэрозоля могут меняться в пределах — от 4×10^-3 мкм до 0,2 мм и закон их распределения зависит от:

- - вида аэрозоля;

- - места наблюдения и ряда других факторов.

Поэтому очень трудно создать достаточно строгий аппарат для расчета ослабления излучения.