Рефракция оптических лучей

При распространении излучения в неоднородной среде следует учитывать не только сравнительно быстрые изменения показателя преломления, проявляющиеся в турбулентности среды и приводящие к случайным изменениям параметров оптического сигнала, но и медленные изменения этого показателя, носящие систематический характер и вызывающие рефракцию — искривление оптических лучей. Угол между касательной к направлению лучей в начальной или конечной точках их траектории и прямой, соединяющей эти точки, называется углом рефракции. Углом полной рефракции, или просто полной рефракцией, называют угол между касательными к направлениям лучей в начальной и конечной точках их траектории.

Рассмотрим идущий от источника луч в начале трассы длиной l, параллельный оптической оси ОЭП (рис. 4.3). Если на пути распространения излучения среда имеет постоянный температурный градиент ÑT, то показатель преломления среды на участке пути Dl изменяется на величину

 (4.11)

где | ÑT | — модуль вектора ÑT; a — угол между направлением ÑT и оптической осью приемной системы.

Рассмотрим прохождение луча через границу раздела двух соседних произвольно выбранных на трассе луча элементарных слоев среды, показатели преломления в которых равны п и n+dn. Углы падающего a и выходящего a+ da лучей по закону преломления связаны между собой соотношением пsina=(n+dn) sin (a+da).

Используя формулу для синуса суммы и учитывая, что cos (da)»1, sin (da) » da, получим п sina = (n+dn) (sina+cosa da). Отсюда элементарный угол рефракции

или с учетом (4.11)

Вследствие рефракции луч войдет во входной зрачок приемной системы под углом

Полученная формула позволяет рассчитать угол рефракции a_p при известных ÑT и dn/dT. Если считать, что основное влияние на показатель преломления оказывает температура среды, то величину dn/dT без учета давления можно заменить на dn/dT = - (п-1)/T= -N/T.

Рис.4.3. К определению значения рефракции

Рефракция в условиях земной атмосферы заметно сказывается на работе ОЭП, поскольку углы рефракции достигают порой десятков секунд и более, что снижает точность угловых измерений, затрудняет обеспечение соосности оптических систем и т. д. Для борьбы с этим вредным явлением используются как методические приемы (выбор оптимального времени и условий наблюдений, когда градиент ÑT минимален), так и инструментальные методы, основанные, например, на одновременном проведении измерений на нескольких длинах волн с последующим вычислением поправки на рефракцию.