Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
О' 0.4
H чхо
1.75
W
72
н чіоГлава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП
W*,
N2 -
dH'.
Здесь H' — переменная интегрирования (высота).
Для вертикальной трассы, начинающейся на высоте Н,
^ldH'.
Модель LOWTRAN учитывает и аэрозольное поглощение. Коэффициент ослабления пропорционален отношению концентрации частиц D(H) на высоте H к концентрации D0 на уровне моря для видимости 23 км.
Для вертикальных трасс этот коэффициент (в км)
Для наклонных трасс следует умножить длину вертикальной трассы на sec © (0 — зенитный угол трассы) для © < 80°.
Таким образом, поглощение излучения имеет ярко выраженный селективный характер и проявляется в виде полос поглощения или их совокупности, разделенных окнами пропускания с незначительным поглощением. Внутри окон пропускания атмосферы основное ослабление излучения происходит в результате рассеяния.
4.3. Рассеяние излучения в атмосфере
Поскольку аэрозольное рассеяние есть результат не только чисто рассеяния на частице, но и поглощения излучения веществом, из которого эта частица состоит, правильнее говорить об аэрозольном ослаблении. Рассеяние на частицах характеризуется коэффициентом рассеяния CTp — отношением рассеянного частицей излучения к излучению, падающему на частицу. Поглощение энергии частицей характеризуется коэффициентом поглощения стп — отношением количества поглощенной частицей энергии к значению падающей на нее энергии.
Сумму стр и стп называют коэффициентом аэрозольного ослабления
Иногда эти коэффициенты приводят к геометрическому сечению частицы, считая ее сферической с радиусом ас
О. W = Op W +OnW-
73Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Op = CTp/пагс; сп = оп/па2; а\ = аа/па2.
Для характеристики рассеивающих свойств частицы по разным направлениям часто используют индикатрису рассеяния — угловую функцию рассеяния, определяемую отношением энергии, рассеянной частицей в данном направлении, к полной энергии, рассеянной во все стороны.
Очень важно отметить, что на практике всегда приходится иметь дело с полидисперсной средой, т. е. средой, в которой имеются частицы самых различных размеров. Если обозначить функцию распределения частиц поразмерам через f(ac), число частиц, содержащихся в единице объема, через N, то аэрозольное ослабление будет описываться следующими объемными коэффициентами (рассеяния, поглощения и общим):
00
ap=Njap(ac,X)f(ac)dac;
о
00
ап = ^J0nK ДУЫ^Ч;
о
00
<*a=M]aa(ac,X)f(ac)dac.
о
Связь между объемным коэффициентом аэрозольного ослабления и прозрачностью на трассе длиной I определяется как
T11(X) = ехр -J CXa(M) СМ .
V г
В обычной форме закон Бугера для рассеивающих сред (помимо отмеченных в начале главы условий) применим в тех случаях, когда: пренебрежимо малы эффекты многократного рассеяния; число частиц в рассеивающем объеме велико, т.е. гораздо больше единицы; каждая частица рассеивает излучение независимо от присутствия других.
Зная функции ста (ас,Х) и f(aj, можно определить значения коэффициентов ослабления. Для сферических частиц на основании теории Ми можно рассчитать коэффициенты стр, стп, ста в виде функций аргумента рМи= 2пас/Х для нескольких частных случаев, рассмотренных, например, в [8].
Трудность при расчете полидисперсного коэффициента аэрозольного ослаблении aa состоит в определении функции распределе-
74Глава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП
ния частиц по размерам f(ac). Концентрацию частиц N можно определить по количеству аэрозоля в единице объема, если известно распределение f(ac). К сожалению, еще нет достаточно строгого аналитического описания f(ac), что связано с трудностью учета множества метеорологических ситуаций, которые могут возникнуть в каждом конкретном случае при работе ОЭП. Существует ряд способов аппроксимации экспериментальных данных по определению функции f(ac). Из них можно отметить гамма-распределение, предложенное А. М. Левиным для описания полученного экспериментально спектра облачных капель сильных туманов.
В случае крупнокапельных туманов (а= 1... 30 мкм) коэффициент ослабления сохраняется приблизительно постоянным в пределах 0,35...3,70 мкм. Для средних туманов (a = 0,1...1 мкм) постоянство аа наблюдается только в видимой области оптического спектра, а для мелко капельных туманов заметное изменение Ga наблюдается во всем оптическом диапазоне.
Для дождевых капель (a= 0,1...1 мм и более) в диапазоне длин волн свыше 1 мкм значение аргумента рМи функций ар, стп, ста всегда гораздо больше единицы и функция оа близка к двум. При этом величина аа практически не зависит от длины волны.
Показатель рассеяния для дождя можно вычислить по формуле
аа = 1,25 IO-6IiZa3c, где E1 — сила дождя, см/с; ас — радиус капель, см.
Таким образом, для дамки и тумана рассеяние уменьшается с ростом длины волны излучения. Однако для сильных туманов, снега переход от видимого излучения к ИК не дает ощутимой выгоды.