Оптико-электронные системы (8-11)

Посмотреть архив целиком

68




  1. Ослабление оптического излучения в атмосфере


Наличие атмосферы между наблюдаемым объектом и ОЭС обычно является причиной основных помех. Энергия излучения от объекта ослабляется при прохождении сквозь атмосферу, трансформируется её спектральный состав Кроме того, градиенты температуры в атмосфере вызывает турбулентность, связанную с неоднородностью показателя преломления воздуха, что обуславливает флуктуации амплитуды, фазы и угла падения излучения на входной зрачок прибора и, как следствие, ухудшение качества сигнала изображения.

Ослабление излучения зависит от следующих явлений:

  • молекулярного поглощения газами, входящими в состав атмосферы,

  • ослабления за счет поглощения и рассеяния излучения атмосферным аэрозолем – твердыми и жидкими частицами вещества, взвешенными в воздухе и образующими дымки, туманы, дым и облака.

  • молекулярного рассеяния,

  • ослабления за счет флуктуаций на входном зрачке.


  1. Молекулярное поглощение излучения


Уже продолжительное время – по крайней мере с 50-х годов молекулярное поглощение (МП) в атмосфере является предметом теоретических и экспериментальных исследований, и составляет важнейшую часть относительно молодого направления в науке – прикладной атмосферной оптики. Подобный интерес определен не только проблематикой создания и эксплуатации ОЭС, но и многими другими геофизическими задачами, включая экологию, прогноз погоды и климатических изменений.

Методы и исследования МП –

  • лабораторные и натурные исследования функций спектрального молекулярного пропускания, спектроскопических характеристик оптически активных газов, разработка теоретических и эмпирических методик расчета, статистически обеспеченных как и в задаче о свойствах фонов:

  • получение статистических данных о вариациях концентрации поглощающих газов и ряда определяющих параметров (температура, давление).

Картины структуры спектра молекулярного поглощения излучения в УФ, видимом ИК диапазоне волн иллюстрируют рис.20,21. На рисунках приведено положение основных полос поглощения основных атмосферных газов.

















































Рис. 20 Общая картина спектра поглощения оптического излучения атмосферными газами с обозначением центров полос

(представлена по измерениям солнечного излучения)











































Рис. 21. Экспериментальный спектр прозрачности /7/ слоя атмосферы

0,3 км над уровнем моря (толщина осажденного слоя воды

температура воздуха +26С












































Продолжение рис.21

(фрагменты г,д,е)












































продолжение рис.21

(фрагменты ж,з,и)


  1. Методы расчета МП.


В настоящее время в практике используют три метода расчета молекулярного поглощения или как удобнее – молекулярного пропускания


(6 )

/Здесь I0амплитуда сигнала на уровне источника излучения,

ILамплитуда сигнала на входном зрачке ОЭC, удаленном на расстояние L от источника/:

  • теоретический /”линия за линией”/, когда интегрируется функция () с учетом каждой из сотен линий поглощения в пределах интервала ;

  • полуэмпирический;

  • эмпирический.

Теоретический метод в последние годы все шире используется в зарубежной практике и предполагает знание положения каждой линии поглощения каждого из атмосферных газов, а также форму и интенсивность этих линий.

Расчёты осуществляются с разрешением по спектру длин волн для интервалов=20 см-1 относительно мощными ЭВМ, в памяти которых содержится база спектроскопической информации. Процесс расчета в зарубежной литературе – этот метод определен как расчет линия за линией и оформлен в виде стандартных программных средств типа “Hitran”, которые постоянно уточняются.

Полуэмпирический метод получил основное развитие также за рубежом.

Его суть связана с упрощением реальной структуры спектра поглощения, отражающим характерные особенности различных газов.

Например, из эксперимента известно, что такие газы как СО2, СО, НСl имеют ту особенность, что линии поглощения расположены по спектру упорядоченно. Это обстоятельство используется в модели Эльзассера, в которой реальная полоса поглощения заменяется совокупностью равноудаленных линий поглощения одинаковой интенсивности. Подобный подход позволяет свести расчет к одной достаточно сложной формуле

, (7 )

где

d-среднее расстояние между линиями, I(x)функция Бесселя, - полуширина спектральной линии, S-её интенсивность, - количество поглощающего вещества на трассе.

Известны дальнейшие упрощения расчетной формулы (7).

Основные недостатки модели – её сложность и погрешности.

Другой пример. Такой газ, как пары воды, характеризует нерегулярное распределение линий поглощения в измеренных спектрах. Это обстоятельство вызвало к жизни статистическую модель (модель Гуди), которая предполагает замену реальной полосы поглощения набором линий, расположенных случайным образом.

Дальнейшее развитие полуэмпирического метода расчета характеризует модель полосы поглощения в виде случайно расположенных в её спектре полос Эльзассера.

В этой модели

, (8)

где N число наложенных друг на друга полос Эльзассера.

Для j –полосы полуширина линии, i - расстояние между линиями, di - интенсивность Si.

Модель (8) нашла применение при описании оптических трасс большой протяженности при наличии слабых линий поглощения (т.е. когда ).

И, наконец, агрегатный метод – где используется совокупность вышеперечисленных методов и достигается – наиболее близкое к реальному описание функций для основных абсорбентов атмосферы – паров воды и углекислого газа.

Как видно, полуэмпирические методы и их комбинации используют стилизации, следующие из качественной оценки спектров эксп., экспериментальные данные и теоретические модельные расчеты о спектроскопических параметров линий. При этом достигается удовлетворительное совпадение с экспериментом в отдельных участках функций расч(), (где - поглощающая масса газа) и расхождении расчетных и экспериментальных значений в других.

Эмпирический метод, который нашел свое развитие в таких зарубежных разработках как “Lowtran”, “Modtran” и активно развивается в отечественных разработках, наиболее удобен в инженерной практике. Исследования показали, что функция , по крайней мере в пределах =0,05…0,95 может быть аппроксимирована соотношением вида

(9 )

где - коэффициент, определяющий интенсивность поглощения в области i /определяется из эксперимента/, m и n - эмпирические параметры, - количество поглощающего газа на трассе, p – давление, равное сумме давлений (поглощающегося и т.н. уширяющегося газа). Соотношение (9) отвечает однородной горизонтальной трассе визирования. В общем случае


(10)


где эфф- эффективная поглощающая масса газа, определяемая интегрированием по оптической трассе L с учетом реальной стратификации поглотителя в атмосфере.

Известен также графический метод расчета , который базируется на использовании соотношения (10). Действительно, можно показать, что (10) соответствует:

( 11)

В основной системе координат на лучах, исходящих из её центра, нанесён спектр:

, (12 )

который используется для поиска луча в системе координат, представляющей график зависимости . Принцип её построения для отдельной области спектра показан на рис.21а.

























Рис.21а. Номограмма для расчета в области

полосы поглощения паров Н2О 1,37 мкм


Пример расчета спектрального молекулярного пропускания.


Оптически активные газы атмосферы подразделяются на компоненты, концентрация которых в воздухе практически постоянна - это СО2, СО, NH3, O2, CH4, N2O, O3) и пары Н2О, содержание которых определяется абсолютной влажностью воздуха в данный момент времени. Концентрация С0 отмеченных газов в атмосфере Земли имеет значения для

СО23,410-2 %,

СО(1-20)10-5 %,

CH41,410-2%,

N2O(2,5-6)10-3 %,

O2,=20,95%

Н2О(2-40)10-2 %.

Поглощающую массу газа с постоянной концентрацией будем определять в соответствии с (9). Тогда для горизонтальной трассы L(км), расположенной на высоте h(км)

, [cм] (13)

где qh относительная эффективная концентрация, определяемая соотношением:

(14)

при условии, что функция давления в атмосфере определяется барометрической формулой:

(15)

Для паров воды в приземном слое воздуха

(16)

где е – парциальное давление паров воды,

Tтемпература в К.

Определение величины h для вертикальных оптических трасс требует интегрирования по высоте с учетом стратификации конкретного газа. Для наклонных трасс

, (17)

где в пределах (0-85) от вертикали =sec и определяется табулированной функцией Бемпорад в области 85…90.


  1. Аэрозольное ослабление оптического излучения


Как можно было видеть из вышеизложенного, спектральное молекулярное поглощение отличают два характерных обстоятельства:

  • невыполнимость для функции закона Бугера*)

  • высокая спектральная селективность

Аэрозольное ослабление излучения связано с его поглощением и рассеянием на частицах, взвешенных в воздухе и характерно тем, что имеет незначительную селективность, а также подчиняется закону Бугера (т.е. коэффициент ослабления пропорционален количеству вещества на трассе или её протяженности). С учетом этого обстоятельства аэрозольное ослабление излучения в однородной среде (например, на приземной оптической трассе):

, (18)

причем

(19)

Способность частицы аэрозоля ослаблять излучение определяющим образом связана с комплексным показателем преломления вещества, из которого частица состоит, и размерам частицы.

Теория рассеяния оптического излучения наиболее полно развита Ми и носит его имя.

Согласно теории Ми

(20)

В (20) присутствует поперечное сечение частицы (r2), nr – количество рассеивающих частиц и K0 эффективный коэффициент рассеяния, являющийся функцией относительного радиуса частицы

и показателя преломления m=n-i (см. рис.22). Невыполнение закона Бугера для распространения излучения в аэрозольной среде наблюдается только при превышении мощности излучения – порога, за которым начинается взрывообразное разрушение отдельных частиц аэрозоля. Аналогичным образом определяется и функция эффективного коэффициента поглощения Kр, которая имеет более простой вид без характерных для К0 сцинтиляций.

В литературе известны специальные расчеты по теории Ми функций рассеяния и поглощения для частиц с различными m,. Как правило это объемистые издания. Большинство таблиц определяют сферические частицы с однородной структурой. Специальные разделы посвящены развитию теории Ми в интересах расчета рассеяния на несферических частицах, – например эллипсах, цилиндрах и т.д. Достаточно глубоко исследован теоретический вопрос рассеяния на многослойных частицах. Последний актуален для атмосферной оптики, поскольку доказано, что при относительной влажности воздуха f 40 % частицы аэрозоля увлажнены и в их оптикедолжно учитываться проявление свойств воды. В частности, доказано, что при толщине водяной рубашкичастицы, составляющей 10% и более, её оптические свойства полностью определяются m воды (раствора).

На практике оказалось более удобным расчет осл осуществлять на основе эмпирических соотношений. Впервые аппроксимация была предложена для видимой области спектра Ангстремом и определяется соотношением

, (21)

где n –эмпирический коэффициент.











































Рис.22. Пример изменений эффективных коэффициентов ослабления ос),

рассеяния р) и поглощения п) для водяных сфер (=4 мкм),

Позднее специальными исследованиями было показано, что формула Ангстрема на основе незначительного усложнения может быть распространена на широкую область длин волн. В этой модифицированной трактовке

(22)

В (22) n0, n1, n2эмпирические параметры, одинаковые для конкретных состояний атмосферы т.н. типов оптической погоды,  - компонента, независящая от типа оптической погоды, имеющая выраженный селективный ход (см.рис.22а) (физически связана с поглощающими свойствами вещества аэрозоля – его водной оболочки, задается таблично), 0- коэффициент ослабления в области, в которой осуществлена нормировка функции.

В соответствии с общепринятой практикой – это видимая область спектра, в которой аэрозольное ослабление характеризуют метеорологической дальностью видимости SM, связанный с показателем ослабления излучения на длине волны =0,55 мкм . Согласно соотношения Кошмидера

, (23)

Коэффициент 3,912 в (23) определяется исходя из возможности человека при заданной контрастной чувствительности глаза различать на расстоянии SM=L раздельно два предмета. Таким образом, с учетом (9,18,24)

имеем: (24)

Аэрозольная и молекулярная компоненты действуют независимо, поэтому, следуя (9,18,24)

(25 )

В (25) не учтено Рэлеевское (молекулярное ) рассеяние излучения.


  1. Рэлеевское рассеяние излучения.


Аэрозольное рассеяние носит название рассеяния Ми. В УФ и видимой области спектра должно быть учтено также молекулярное рассеяние на флуктуациях плотности воздуха, описанное Рэлеем.

Из курса общей физики известно, что

, (26)

(n – показатель преломления воздуха; в, во – плотность влажного и сухого воздуха, N - число Лошмидта, Pдеполяризация света).

Изменение 1/4 и определяет тот факт, что в области 1 мкм становится менее 0,001 и может не приниматься во внимание. (Для примера при =0,4 мкм =0,043 км-1).















Рис.22а

На рисунке 22а  - компонента, обусловленная поглощением излучения газами, 2 - аэрозольная компонента, зависящая от погодной ситуации,3 =exp(-L)- зависит только от SМ, спектральная зависимость 3 показана на рис. 22б























Рис.22б





  1. Атмосферная рефракция и турбулентность


Атмосферная рефракция и турбулентность – это те факторы, с которыми связано как ослабление потока излучения, фиксируемого ОЭС, так и ухудшение наблюдаемого изображения.

Атмосферная рефракция обусловлена градиентом показателя преломления в атмосфере, в особенности в её приземном слое, который связан с суточным ходом температуры воздуха.

Известно, что показатель преломления воздуха зависит от его плотности в (n-1=kв, где k – константа), а плотность обратно пропорциональна абсолютной температуре, с учетом этого можно показать, что

т.о.

Если мы имеем дело с ОЭС стационарного наведения на источник – объект, то легко убедиться на практике, что в первые же полчаса после восхода солнца направленный на входной зрачок ОЭС коллимированный поток от объекта-источника выйдет из поля зрения прибора. Это конкретное проявление рефракции.

Неоднородности прогрева атмосферного воздуха, связанные с облачностью, различием типа поверхности и растительности приводят к флуктуациям его плотности и соответственно показателя преломления благодаря чему имеет место атмосферная турбулентность.

Атмосферная турбулентность приводит к искривлению пучка лучей из-за стратификации слоев воздуха (результат – миражи и угловые ошибки в ОЭС). Быстрые флуктуации неоднородностей – причина флуктуаций наклона волнового фронта и перемещения точки изображения в плоскости изображения, расфокусировки, пятнистости изображения, нарушения пространственной когерентности.

Расчет влияния турбулентности на качество изображения базируется на теории дифракции в её применении к дифракции излучения на неоднородностях атмосферы и развит В.И.Татарским. При этом, в общем случае учета турбулентного воздействия на поток излучения можно показать, что влияние дифракции ощущается только в том случае, если поперечное сечение пучка