Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Данные о количественных характеристиках ослабления излучения атмосферными аэрозолями относятся большей частью к видимой области оптического спектра, что вызвано прежде всего трудностью измерения аэрозольных коэффициентов ослабления в ИК области. Зависимость средних значений этих коэффициентов от высоты с точностью до 20% аппроксимируется выражением
aa(X,H) = ao(X,0)exp(-?aH), где ?a — эмпирический коэффициент, выбираемый для различных метеорологических дальностей видимости sM (см. ниже) таким образом, что на высоте H=5 км коэффициент aa (к,Н) является постоянной величиной (5-Ю"3 км"1 для X=O,5 мкм). На высотах 3...5 км наблюдается уменьшение значения aa на 1...2 порядка по сравнению со значением aa, измеренным у поверхности Земли.
75 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
Наряду с аэрозольным ослаблением в атмосфере имеет место и молекулярное рассеяние. Спектральный коэффициент молекулярного (релеевского) рассеяния определяется как
^л M =Opej. X=O^NA3X-4, где N — число молекул в 1 см3; А — площадь поперечного сечения молекулы, см2; X — длина волны излучения, см.
Некоторые значения арел, приведены в табл. 4.2. Очевидно, что в ИК области спектра молекулярным рассеянием можно практически пренебречь, так как оно не вносит сколько-нибудь заметного вклада в уменьшение пропускания излучения. При работе в видимой и особенно в УФ области оптического спектра этот фактор необходимо учитывать.
Таблица 4.2
Коэффициенты молекулярного рассеяния для і = 10 км
X, мкм а ,, см-1 релХ.' т, %
0,35 79,3-Ю-8 45
0,55 12,3-Ю-8 89
0,76 3,30108 97
1,00 1,09-108 99
1,20 5,25-Ю-9 -
3,00 1,33-Ю10 -
5,00 1,7310 й -
Нужно отметить, что количественные характеристики аэрозольного ослабления и молекулярного рассеяния при распространении излучения по горизонтальному пути отличаются от характеристик ослабления и рассеяния, наблюдаемых при распространении излучения по наклонным трассам. Достаточно строгих аналитических методов расчета для этого случая пока не существует, поэтому необходимо использовать результаты только экспериментальных исследований (которых, к сожалению, проведено весьма мало) или приближенные способы учета наклонного хода излучения (см. § 14.3, а также [8,15, 30]).
В заключение следует указать, что решение задачи о затухании излучения в рассеивающей среде требует обязательного учета некоторых параметров излучателя и приемной оптической системы. Необходимо учитывать попадание в приемную систему не только ослабленного по закону Бугера прямого излучения, но и части рассеянного излучения.
76 Глава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП
Для случая однократного рассеяния излучения от точечного источника в однородной и изотропной среде коэффициент пропускания та можно рассчитывать по формуле [8]
Ta = exp(-ro)(2 + raop). (4.5)
Ta — оптическая толща рассеивающей среды; Dp — величина, зависящая от угловых апертур приемника и излучателя, а также от индикатрисы рассеяния частиц среды.
Важно отметить, что величина Dp не зависит от расстояния между излучателем и приемником. Вычисления ее были проведены для самых различных условий. Полученные данные были сведены в таблицы и графики, с помощью которых, зная параметр Ми рМи= 2пас/Х и апертуру излучателя, можно найти значения Dp для апертурних углов приемной системы в интервале 0...60 [ 8]. Очевидно, что при распространении излучения через среду с Ta в несколько единиц регистрируемый сигнал будет отличаться от сигнала, рассчитанного по закону Бугера, в несколько раз. Поэтому в таких случаях расчет следует вести по формуле (4.5).
Результаты экспериментальных проверок (4.5) показали их хорошее совпадение с основными теоретическими результатами и лишний раз подтвердили необходимость учета параметров оптической системы при оценке рассеяния излучения. Это особенно важно для случая крупных частиц, когда Dp может достигать значений 0,5...0,7.
При этом для Ta, равных нескольким единицам, вклад в общий сигнал рассеянного излучения может превышать вклад прямого ослабленного потока в несколько раз. Формула однократного рассеяния в случае точечного источника справедлива при Ta < 10. При узких или коллимированных пучках границы применимости закона Бугера расширяются, но становится более заметным эффект многократного рассеяния.
Помимо рассмотренных выше параметров среды, определяющих рассеяние, на практике используются и другие критерии, например метеорологическая дальность видимости sM — расстояние, на котором контраст между источником определенного типа (мирой) и окружающим его фоном снижается до порога контрастной чувствительности глаза. Величина sM характеризует метеорологическое состояние среды (ее мутность) и определяется как
77 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
где аа — показатель рассеяния, Ek — порог контрастной чувствительности приемника. Обычно для человеческого глаза принимают Ek=O,02. При этом для X=O, 55 мкм
Sm = 3,91 /aa0f65. (4.6)
В табл. 4.3 приведены международный код видимости и соответствующие Sm значения аа.
