Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Характеристики примесей естественного и искусст венного происхождения в атмосфере влияющие на распространение оптического излучения 17
1.1 Основные поглощающие компоненты атмосферы 17
1.2 Ослабление и рассеяние излучения в ИК «окнах прозрачности» атмосферы 22
1.3 Статистические характеристики ослабления оптического излучения в приземном слое воздуха 25
1.4 Некоторые особенности зависимости ослабления оптического излучения от влажности и температуры воздуха 30
1.5 Основные метеопараметры и погодные условия влияющие на точностные характеристики оптико-электронных систем в горной местности 35
1.6 Спекл-структура рассеянного излучения 39
1.7 Временные флуктуации интенсивности при осадках 43
1.8 Частотные спектры флуктуации 44
ГЛАВА 2 Исследование характерных аномальных процессов в атмосфере, влияющих на распространение оптического излучения в горной местности 49
2.1 Исследования поглощения атмосферой лазерного излучения диапазона 9-11 мкм 51
2.1.1 Лабораторные исследования поглощения излучения СОг-лазера 51
2.1.2 Лабораторные исследования ослабления излучения He-Ne-лазера 57
2.2 Натурные исследования ослабления лазерного излучения длиной волны 9-11 мкм на приземной трассе 59
2.2.1 Аппаратура и методика натурных исследований ослабления излучения СОг-лазера в атмосфере 59
2.2.2 Результаты натурных измерений ослабления излучения С02-лазера в атмосфере 64
2.3. Исследования ослабления лазерного излучения диапазона 3-5 мкм в атмосфере 69
2.3.1 Исследование энергетических и спектральных параметров источника ИК излучения 69
2.3.2 Натурные исследования ослабления лазерного излучения на приземной трассе 75
2.3.3 Методика проведения натурных исследований и обработки результатов измерений 77
2.4. Экспериментальная установка для взятия проб аэрозоля и параметры аппаратуры 86
2.4.1. Результаты исследования спектрального состава аэрозольных частиц 90
2.5. Теоретические исследования по оценке эффективности применения оптико-электронных систем в горных условиях с учетом результатов натурных испытаний 98
2.5.1 Влияние атмосферной турбулентности на распространение оптического излучения 104
2.5.2 Схема проведения экспериментов по исследованию атмосферной турбулентности и результаты измерений 105
ГЛАВА 3 Оценка эффективности применения оптикоэлектронных систем (тепловой и низкоуровневый телевизионный каналы) в горных условиях с учетом результатов натурных испытаний 119
3.1. Исследования влияния горных условий на работоспособность телевизионных систем 119
3.1.1 Состав экспериментальной установки и параметры аппаратуры 120
3.1.2 Условия проведения экспериментальных наблюдений и результаты 124
3.2 Обоснование выбора информационных каналов для проведения натурных исследований 128
3.2.1 Анализ характеристик информационных каналов с учетом пропускания оптического излучения в видимой, средней и длинноволновой областях спектра электромагнитных волн 128
3.2.2 Выбор информационных каналов оптико-электронных систем для проведения натурных исследований 132
3.3 Оценка эффективности информационных каналов по результатам натурных исследований 133
3.3.1 Оценка технических характеристик низкоуровневого телевизионного канала «Гарпия» 133
3.3.2,Оценка технических характеристик ТпВК «Сыч-2» 136
3.3.3 Оценка технических характеристик ТпВК «МИСАМ» 137
3.4.Сравнительный анализ видеоинформации, получаемой посредством НУТК «Гарпия» и ТпВК «Сыч-2», «МИСАМ» 138
Заключение 141
Список Литературы 144
Приложение
- Ослабление и рассеяние излучения в ИК «окнах прозрачности» атмосферы
- Натурные исследования ослабления лазерного излучения длиной волны 9-11 мкм на приземной трассе
- Экспериментальная установка для взятия проб аэрозоля и параметры аппаратуры
- Обоснование выбора информационных каналов для проведения натурных исследований
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Передача информации оптическими сигналами известна человечеству давно (сигнальные костры, оптический телеграф и т.п.). Но лишь с появлением в 1960 г. принципиально новых источников излучения в оптическом диапазоне -лазеров - стало возможным приступить к созданию современных оптических информационных систем.
Особенностью последних лет развития атмосферной оптики является расширение сфер ее практического применения. Это связано не только с успехами, достигнутыми в оптическом приборостроении и освоением в различных инженерных приложениях все более «далеких» участков инфракрасного диапазона электромагнитных волн, но и с растущим вниманием специалистов к проблеме изучения природных ресурсов Земли с космических объектов. Не менее важным стимулом, определяющим актуальность и широту развития атмосферно-оптических исследований, являются задачи, стоящие перед климатологами в свете прогнозирования эволюции земной атмосферы с учетом все более значительных признаков ее техногенного загрязнения [1].
Для достижения прогресса в исследовании окружающей среды необходимо соединение высокого уровня развития науки и техники, и понимания важности этой проблемы обществом. Последние пятьдесят лет мы были свидетелями создания и усовершенствования лазеров, в эти же годы возросло понимание ограниченности ресурсов Земли и «хрупкости» баланса ее экосистем.
Современные достижения квантовой электроники и оптической техники позволяют создавать высокотехнологичные атмосферные оптические информационные системы на надежной элементной базе. Все эти системы сильно зависят: от характеристик принимаемого оптического сигнала; от процессов, происходящих в атмосфере, которые, по их влиянию на сигнал, можно разделить на две группы.
Первую группу образуют процессы, вызывающие энергетическое ослабление сигнала, такие как поглощение газами и парами компонент атмосферы, молекулярное поглощение и рассеяние, поглощение и рассеяние аэрозолями и осадками. К этой группе можно отнести и световые фоны, ухудшающие отношение сигнал/помеха на входе приемного устройства.
Вторая включает процессы, связанные с неоднородностями показателя преломления воздуха и обусловливающие флуктуации амплитуды и фазы оптической волны. Это деление имеет, до некоторой степени, условный характер, так как один и тот же процесс может приводить к различным эффектам. Например, выпадение осадков вызывает не только ослабление, но и флуктуации сигнала вследствие временной и пространственной изменчивости параметров осадков.
Исследования распространения оптического излучения в горной местности представляет исключительный практический интерес, поскольку они тесно связаны с вопросами охраны окружающей среды. Использование лазеров в качестве источников излучения для исследования оптических характеристик атмосферных аэрозолей дает определенные преимущества по сравнению с другими источниками в первую очередь благодаря большой интенсивности монохроматического излучения лазеров. Наиболее важные результаты с помощью лазеров получены при исследовании вертикальной структуры атмосферных аэрозолей [2]. Кроме того, есть ряд специфических задач оптики аэрозолей, удачно решаемых при использовании лазеров [3].
Несмотря на широкие масштабы исследования свойств атмосферных образований, как в нашей стране, так и за рубежом, в этой области имеется еще ряд нерешенных вопросов. В частности, не до конца исследованы влияния состояния атмосферы (турбулентность, влажность, наличие потоков и т. д.) на особенности формирования и рассеяния аэрозолей в горных условиях. Отдельной проблемой стоит создание искусственных атмосферных образований и распространение оптического излучения в них для решения прикладных задач.
Частицы вещества, из которых образуются неоднородности в атмосфере, могут иметь разные формы и размеры. Задачи определения характеристик рассеяния излучения такими частицами достаточно сложны. Наименьшими трудностями вычислительного характера обладают решения, связанные со сферической формой частиц [4, 5], наибольшими — с произвольной формой. В настоящее время имеются результаты расчета рассеивающей способности естественных и искусственных аэрозольных образований. Они являются достаточно сложными и требуют значительных затрат времени на получение приемлемых результатов. Методики этих расчетов приведены в большом числе публикаций [6-11].
Особый интерес представляет исследование физических характеристик искусственных аэрозольных образований. К настоящему времени закономерности возникновения, временные характеристики существования таких образований, а также особенности поглощения и отражения в них ИК-излучения изучены не достаточно [12, 13].
Основной причиной такого положения являются:
-недостаточная точность конечного информационного продукта, получаемого с помощью цифровых и инструментально-визуальных методов обработки первичных данных;
-недостаточность данных о диэлектрических характеристиках аэрозолей;
-отсутствие надежных экспериментальных данных измерений поглощения, отражения оптического излучения в искусственных аэрозольных образованиях.
Аэрозольные частицы, созданные в атмосфере, становятся составной частью последней и в своем поведении подчиняются основным законам, определяющим поведение воздуха. Все процессы, происходящие с аэрозольными частицами: испарение, оседание под действием силы тяжести и диффузия, имеют место и в искусственных образованиях в атмосфере [14, 15, 16].
Важную роль в распространение оптического излучения в искусственных атмосферных неоднородностях играет турбулентность. Необходимо отметить, что процессы турбулентного обмена сравнительно хорошо изучены только в самых нижних слоях атмосферы (до высот несколько сотен метров), где сосредоточено основное внимание исследователей на распространение примесей от промышленных источников загрязнения атмосферы [14, 15, 16]. Намного хуже изучены турбулентные процессы на более высоких уровнях [17, 18]. Особенно это относится к уровням выше планетарного пограничного слоя. Именно здесь происходит образование облаков.
При распространении оптического излучения в атмосфере, прежде всего, действуют два фактора экстинкции излучения: молекулярное поглощение излучения и рассеяние излучения аэрозолями. Молекулярное поглощение излучения гораздо сильнее проявляется в «окне прозрачности» в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм и от 3 до 5 мкм малыми газовыми компонентами атмосферы, прежде всего водяным паром и углекислым газом. В ближней ИК и видимой части спектра существенную роль играет поглощение излучения аэрозолями. Аэрозоли могут состоять из гидрометеоров, пыли, а также иметь техногенное происхождение.
Распространяясь в реальной атмосфере, оптическое излучение не только ослабляется, но также испытывает изменения своего спектрального состава. Для практического применения оптической измерительной техники, равно как и для теоретических расчетов степени рассеяния и поглощения необходимо изучить свойства рассеивающей среды.
Распространение лазерного излучения в реальной атмосфере имеет свои особенности, обусловленные такими качествами лазерного излучения как когерентность, поляризация, узкая направленность. Изменения этих характеристик излучения зависят от многих условий состояния атмосферы: турбулентности, температурного градиента и некоторых других параметров. Таким образом, влияние атмосферы на распространение лазерного излучения носит комплексный характер, обуславливается множеством физических
процессов, происходящих в атмосфере. Особенно это касается атмосферы над горами, характеризующейся экстремальными величинами параметров, происходящими из самих физических условий в горной местности: значительный контраст освещенности склонов, различия в солнечной экспозиции склонов, температурный градиент, влияние орографии местности на прилежащий слой атмосферы. Все эти особенности атмосферы в горной местности приводят к тому, что прозрачность атмосферы может меняться быстро и в значительных пределах. Кроме того, орографические особенности могут приводить к возникновению устойчивых аэрозольных облаков, тогда как термическая неустойчивость может вызвать быстрое рассеяние искусственных аэрозольных образований.
В качестве датчиков получения информации о текущем состоянии объекта используются оптико-электронные средства наблюдения, а также лазерные средства целеуказания. Работоспособность оптико-электронных средств наблюдения зависит от множества внешних факторов, в число которых входит и функционирование в условиях воздействия аэрозольных помех естественного происхождения или искусственно создаваемых.
В настоящее время существует ряд различных способов описания распространения аэрозолей в атмосфере [19 - 21]. К ним относятся: статистические модели, гауссовы модели, модели с «замыканиями» различных порядков, а также модели, основанные на теории подобия. Однако ни один из перечисленных способов не может претендовать на полную точность. В связи с этим представляется перспективным исследование распространения примесей по различным моделям, дополненное измерениями аэрозольных облаков в различных диапазонах длин волн в зависимости от орографии местности.
Цель работы.
Целью настоящей работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в естественных и искусственных оптических аномалиях, формируемых в горной
местности; изучение влияния, оказываемого аэрозольными аномалиями на способность оптико-электронных систем по обнаружению и распознаванию объектов; проведение исследований по оценке эффективности применения пассивных и активных оптико-электронных систем (ОЭС), работающих в различных спектральных диапазонах в горных условиях.
Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
Рассмотрены атмосферные процессы в горной местности, способные оказывать существенное влияние на распространение оптического излучения. Рассмотрена связь различных метеопараметров атмосферы с ее оптическими характеристиками.
Создана экспериментальная установка для изучения влияния атмосферы на распространение оптического излучения, разработаны методики проведения экспериментальных наблюдений, а также методы обработки результатов наблюдений.
3. Проведены исследования прозрачности атмосферы в дальнем ИК,
ближнем ИК и в видимом диапазонах длин волн.
4. Проведены эксперименты по изучению влияния атмосферной
турбулентности на распространение оптического излучения в горной местности.
Проведен выбор информационных каналов для натурных исследований и выполнен сравнительный анализ изображений, формируемых информационными каналами, работающими в разных спектральных диапазонах
Проведены исследования по оценке эффективности применения оптико-электронных систем (ОЭС) обнаружения и распознавания с учетом результатов натурных испытаний, разработаны предложения по особенностям их эффективного применения в горах.
Научная новизна.
В работе впервые получены следующие основные результаты:
1. Установлена зависимость пропускания лазерного излучения от
концентрации водяного пара, общего давления, температуры среды и длины
волны по результатам лабораторных и натурных исследований в горной
местности. Получена обобщенная полуэмпирическая модель континуума
водяного пара в диапазоне 8-12 мкм.
2. Установлена зависимость эффективности работы лазерных каналов
оптико-электронных систем в условиях высокогорья в атмосфере с
метеорологической дальностью видимости (МДВ) больше 20 км от
влагосодержания воздуха и интенсивности турбулентности в приземном слое.
3. Впервые проведены исследования влияния горных условий на
эффективность функционирования оптико-электронных систем.
4. Проведен сравнительный анализ изображений, формируемых
информационными каналами, работающими в разных спектральных диапазонах.
Практическая ценность.
В работе представлен широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в горной местности. Полученные данные представляют научный и практический интерес, и могут быть использованы для решения задач, связанных с проблемами распространения оптического излучения в атмосфере, позволят повысить эффективность работы оптико-электронных систем с учетом пропускания оптического излучения в видимой, средне- и длинноволновой областях электромагнитных волн при их использовании в горной местности.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные результаты: - теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в горной местности;
- определения особенностей распространения оптического излучения в
естественных и искусственных оптических аномалиях, формируемых в горной
местности;
- исследований по оценке эффективности применения пассивных и
активных оптико-электронных систем, работающих в различных спектральных
диапазонах в горных условиях.
Апробация полученных результатов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях и семинарах:
1. Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству.
Владимир, 2003.
V конференции молодых ученых. РАН Кабардино-Балкарский центр, Нальчик, 2004.
XX Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество». Эльбрус, 2005.
Научных геофизических семинарах ГУ «ВГИ».
Личный вклад автора.
Автором работы лично:
проведены теоретические расчеты;
принято участие в постановке и проведении экспериментов;
выполнен анализ результатов экспериментальных измерений.
Публикации по теме диссертации.
По теме диссертации опубликовано 7 работ [22 - 28].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 204 страницы машинописного
текста, включая 45 рисунков, 15 таблиц и 47 страниц приложения. Список литературы содержит 132 наименования.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложена цель исследований, рассматриваются научная новизна и практическая ценность работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В 1 главе приводится краткий обзор работ, посвященный анализу характеристик основных поглощающих компонентов атмосферы, влияющих на распространение оптического излучения в горных условиях, анализу условий прохождения и рассеяния оптического сигнала, что является основным предметом изучения в данной работе.
Показано, что изменения показателя ослабления видимого и инфракрасного излучения в «окнах прозрачности» земной атмосферы (микрофизические и химические свойства аэрозоля) сложным образом зависят от механизмов их образования и трансформации аэрозолей в атмосфере.
Выбрано два пути для практического использования результатов статистического обобщения характеристик ослабления а(Х) оптического излучения в приземном слое воздуха:
а) аппроксимация а(Х) на базе собственных функций,
б) применение уравнений среднеквадратической регрессии.
Проведенный детальный анализ имеющихся данных для температурного
диапазона (-12 Качественный анализ спектров флуктуации интенсивности лазерных пучков показывает, что независимо от параметров лазерных пучков, заметное влияние на спектры оказывает рассеяние оптических волн как на турбулентных неоднородностях показателя преломления, так и на гидрометеорах, при этом свойства турбулентности проявляются главным образом в области низких частот, а осадков - в области высоких частот. Исходя из вышеизложенного определены задачи диссертации. В частности, актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в естественных и искусственных оптических аномалиях, формируемых в горной местности. Изменения показателя ослабления видимого и инфракрасного излучения в «окнах прозрачности» земной атмосферы, т.е. участках спектра, где селективное поглощение слабыми линиями оптически активных газов несущественно, обусловлены, главным образом, флуктуациями плотности воздуха и концентрации аэрозоля. В первом случае мы имеем дело с молекулярным или рэлеевским рассеянием. Во втором - с аэрозольным ослаблением, которое учитывает не только рассеяние, но и поглощение энергии волн частицами. Молекулярное рассеяние достаточно хорошо изучено [1]. Теория молекулярного рассеяния света Рэлея дает следующее выражение для коэффициента рассеяния в газах. — фактор деполяризации рассеянного излучения, равный 0.035 [91]. К настоящему времени составлены обширные таблицы, обеспечивающие возможность достаточно точного количественного определения этого фактора потерь энергии волн, распространяющихся по любым направлениям в атмосфере (таблица 1). кр(р,т) - фактор эффективности рассеяния, значения которого могут быть получены по формулам Ми, показателя преломления вещества частиц тиих относительного размера р (или, как принято называть, параметра Ми) где п - показатель преломления, ае - показатель поглощения, Величина ар имеет размерность обратной длины и носит название объемного коэффициента рассеяния. Аналогично определяются объемные коэффициенты ослабления а и поглощения ап, причем где кп(р,т) и к(р,т) - соответственно факторы эффективности поглощения и ослабления. Наиболее полные данные о функциях к(р,т) для сфер, пригодные для применения в атмосферно-оптических расчетах, приведены в работах [53, 55]. Анализ соотношений (1.3 - 1.6) показывает, что рассеивающие и поглощающие свойства аэрозоля определяются двумя его параметрами -спектром распределения частиц по размерам п(г) и их составом, так как химический состав аэрозоля образующего вещества однозначно определяет его комплексный показатель преломления т(А). В свою очередь, микрофизические и химические свойства аэрозоля сложным образом зависят от механизмов их образования и трансформации в атмосфере, эффективность которых во многом определяется текущим физическим состоянием окружающей среды. В поле зрения целого ряда исследователей в настоящее время находится проблема статистического обоснования взаимосвязи величины спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления видимой и ИК-радиации а(к) с параметрами естественной атмосферы [92 - 99]. Причем конечной целью указанных работ является стремление получить исходные данные, достаточные для определения в широкой области спектра абсолютных значений а(Х.) в конкретных ситуациях по некоторым, легко доступным метеорологическим сведениям. Особый смысл приобретают подобные поиски с учетом неоднозначности разрабатываемых концепций на прогноз спектрального пропускания атмосферы, а также ввиду не изученности роли климатологических и орографических факторов в формировании оптических свойств аэрозольного вещества. В работах [97, 100, 101] показано, что в дымках над сушей и морем наблюдается высокая корреляция между вариациями Аа(Л) коэффициентов аэрозольного ослабления в различных участках видимого и ближнего ИК диапазона спектра. Эти обстоятельства с учетом важности дальнейшего накопления экспериментального материала, пригодного для выявления и уточнения закономерностей изменчивости оптико-микрофизических характеристик аэрозоля под воздействием внешних условий, послужили основанием к продолжению исследований [95, 102, 103]. Систематичность и регулярность этих наблюдений в ситуациях, когда метеорологическая дальность видимости Sm изменялась в пределах от Ідо 25 км. Экспериментальное оборудование включало аппаратуру [104, 105], которая была размещена на оптической трассе протяженностью 1200 м. Оптические измерения проводились в различные сезоны года. С целью получения сведений, пригодных для сопоставления результатами предшествующих исследований, при анализе данных был использован математический аппарат [106, 107, 108]. При этом весь массив экспериментальных спектров был разделен на отдельные ансамбли, которые включали их реализации, измеренные вблизи длин волн X равных 0,55; 0,83; 1,06; 1,18; 1,66; 2,09 (2,2); 3,97; 8,5; 9,2; 10,1; 11,1; 12,01 мкм в условиях дымок, туманных дымок, ледяного тумана, а также дымок, пронизываемых гидрометеорами [109]. Вклад континуума в ослабление при длинах волн 2,09; 3,97; 8,5; 9,2; 10,1; 11,1; 12,01 мкм исключался с использованием данных [ПО]. Для всей совокупности спектров {а(л)} исследовано экспериментальное распределение коэффициентов аэрозольного ослабления в «окнах прозрачности» атмосферы. В таблицах 2 и 3 соответственно представлены дифференциальное и интегральное распределение коэффициентов аэрозольного ослабления. Причем можно отметить, что в видимой области спектра максимум распределения равный 40% лежит в области значений Да(А) 0,2 0,4 км"1, а в ИК диапазоне он смещается в область х(Х) 0,2 км"1. Далее для каждой совокупности п спектров {ог(д)} определялось математическое ожидание, оценкой которого служит среднее арифметическое Натурные измерения ослабления излучения С02-лазера атмосферой проводились на НИБ "Терскол", расположенной в поселке Терскол на высоте 2200 над уровнем моря [121]. Этот район с горным микроклиматом характеризуется широким диапазоном изменений метеорологических условий. Для исследований по прохождению излучений в атмосфере и измерения содержания малых газовых компонент в приземном слое атмосферы на научно-исследовательской базе Высокогорной экологической обсерватории в п. Терскол были созданы горизонтальные и наклонные оптические трассы длиной от 50 до 3000 м с различными типами отражателей. Для проведения исследований ослабления излучения СОг-лазера была создана натурная горизонтальная приземная оптическая трасса переменной длины от 0,2 км до 3,0 км. Чтобы уменьшить влияния турбулентности, использована схема Уайта [121]. Базовая длина трассы L равна 50 м. Излучение проходит на высоте 1,5-2,5 метров от поверхности земли. Комплекс измерительной аппаратуры такой же, как и в предыдущих экспериментах. Блок-схема экспериментальной установки приведена на рисунке 10. В качестве источника излучения в области 9-11 мкм использован перестраиваемый СОг-лазер на основе ЛГ-22, в котором при помощи дифракционной решетки (100 мм) выделялись необходимые линии излучения. Излучение через ирисовые диафрагмы при помощи плоского зеркала направлялось на зеркала системы Уайта. Перед диафрагмой располагалась делительная пластинка из KRS-6, направляющая часть излучения в спектрометр для контроля длины волны. Для визуальной настройки оптической части установки, а также для определения МДВ Sm использован He-Ne-лазер (к = 0,63 мкм). С помощью зеркального переключателя излучение ССЬ-лазера попеременно поступало на фотоприемник (фотосопротивление на основе германия, легированного золотом), охлаждаемый жидким азотом, после прохождения по трассе - /, (измерительный канал) и вне ее - Д (контрольный канал). Таким образом, измерения выполнялись по двухлучевой схеме, обеспечивающей постоянный контроль интенсивности источника излучения. Измерительный комплекс аппаратуры и коллективное зеркало схемы Уайта, размещались на бетонном фундаменте внутри здания. Объективные зеркала закреплялась также на бетонном фундаменте, закрытом металлическим кожухом с окном для прохождения излучения. Регистрация метеопараметров атмосферы осуществлялась в трех точках трассы стандартными метеорологическими приборами, с характерными для них погрешностями 5-10 %. Кроме того, методом анализа проб воздуха оптико-акустическим газоанализатором определялась концентрация углекислого газа в воздухе. Величина интенсивности излучения, регистрируемая фотоприемником после прохождения излучения через настроенный на N ходов канал /,, определяется пропусканием излучения атмосферой Р и потерями на оптических элементах установки: где 10 - интенсивность источника излучения при отсутствии потерь; р - средний коэффициент отражения зеркал схемы Уайта; ег, - коэффициент потерь излучения на элементах оптической схемы согласования. Для контрольного канала интенсивность прошедшего излучения: где сь - коэффициент потерь излучения на оптических элементах контрольного канала, отсутствующих в измерительном канале. Отношение IJIk, оказывается зависимым от ак, которое трудно измерить, поэтому для нахождения пропускания излучения атмосферой Р было использовано соотношение: излучения на трассе; Ik(1) Ik(2) — регистрируемые интенсивности в контрольном канале; Р(,) и Р(2) — пропускания атмосферы после Ni и N2 прохождений излучения на трассе. Из соотношения (2.5) следует, что для измерений пропускания излучения атмосферой в натурных условиях с наилучшей точностью необходимо стремиться к максимальному числу ходов Ni и минимальному - N2. В этом случае отношение р(1)/р(2) наилучшим образом приближается к истинному значению пропускания атмосферы рэ(атм) на трассе L Ni. Обычно NL равно 36 -40, а N2 равно 4. Таким образом, пропускание излучения атмосферой на трассе L Ni определяется по величине: Из соотношения (2.6) видно, что необходимо априорное знание коэффициентов отражения зеркал системы Уайта. Чаще всего используются величины р, измеренные в лабораторных условиях [121]. Однако в данном случае с течением времени из-за воздействия атмосферы на покрытие зеркал их коэффициент отражения может изменяться. Поэтому более надежным представляется систематические измерение величины р непосредственно на натурной трассе. Из формулы (2.6) следует: При минимальной для системы Уайта разнице между максимальным Ni и минимальным N2 числом ходов равной 4 в силу относительной малости катм в условиях ясной атмосферы можно использовать для коэффициента катм его расчетное значение по литературным данным. Тогда погрешность определения р оказывается даже меньше, чем в рассматриваемом выше случае. Это видно из таблицы 6, где приведены величины pi (А, = 10,591 мкм) и рг (А, = 0,63 мкм), измеренные в разное время при различных метеорологических условиях. Кроме того, из данных таблицы 6 можно заключить, что в атмосферных условиях алюминированные зеркала меньше подвержены изменениям со временем, чем позолоченные. При дальнейших вычислениях величины поглощения излучения атмосферой Ратм использовались постоянная величина р для алюминированных зеркал и переменная — для позолоченных зеркал. Высокая степень турбулентности воздуха не позволяла проводить измерения в дневное время в солнечные дни. Поэтому в такие дни измерения проводились только в вечернее время. В пасмурные дни наблюдения велись в течение дня. Для проведения измерений первоначально система Уайта настраивалась на 4 хода, и проводились измерения пропускания излучения He-Ne-лазера и СОг-лазера. Затем система настраивалась на 36-40 ходов, и измерения проводились в течение нескольких часов. В конце система вновь перестраивалась на 4 хода. Результаты измерений затем обрабатывались с использованием выражения (2.6). Данные для гелий-неонового лазера (А, = 0,63 мкм) использовались также для нахождения метеорологической дальности видимости Sm: 3912 S.11. (2.8) Измерения проводились в период с сентября 2002 года по август 2003 года на линиях излучения Р20 ССЬ-лазера при длине волны 10,591 мкм и He-Ne-лазера при длине волны 0,63 мкм. За этот период изменения метеопараметров составляли по температуре от -23 С до +24 С, абсолютной влажности от 1 до 10 г/м3, давления от 764 до 786 мбар. В дни, когда метеопараметры менялись незначительно, проводилось усреднение результатов за весь период измерений. Полученный результат свидетельствует, что в пределах 2-10 г/м3 содержания в атмосфере водяного пара поглощение ИК излучения с длиной волны 3,97 мкм линейно зависит от концентрации. Это указывает на то, что данная линия поглощения не зависит от межмолекулярного взаимодействия паров воды. При обработке результатов исключались те измерения, где дано примечание, что имели место осадки, поскольку отсутствуют данные об интенсивности осадков, размере капель. Впрочем, как видно из анализа величин показателя поглощения He-Ne излучения, интенсивность осадков во всех экспериментах была небольшой, He-Ne излучение не испытывало значительного поглощения. Эти данные использовались для качественного сравнения чувствительности излучения He-Ne-лазера и ИК-лазера к содержанию водяного аэрозоля в атмосфере. На рисунке 23 приведены значения коэффициента поглощения излучения He-Ne-лазера и ИК-лазера во время выпадения осадков. Прямая проведена по формуле (2.13) и определяет зависимость показателя поглощения ИК излучения, обусловленную содержанием водяного пара. Как видно, точки ложатся значительно выше прямой, в то время как показатель поглощения He-Ne излучения; колеблется около среднего значения. В случае выпадения жидких осадков значения показателя поглощения ИК излучения ложатся на представленную прямую. Поглощение излучения He-Ne-лазера не обнаруживает корреляции с поглощением ИК излучения. Можно сделать вывод, что поглощение ИК излучения диапазона 3-5 мкм более чувствительно к содержанию в атмосфере гидрометеороз, в то время как ослабление видимого излучения при небольшой интенсивности осадков (незначительной концентрации гидрометеоров) не обнаруживается. Подводя итог выполненным экспериментам, отметим следующее: ИК излучение диапазона 9-11 мкм является более чувствительным к содержанию в атмосфере аэрозолей и гидрометеоров. Исследование малых газовых компонентов атмосферы лазерным излучением указанного диапазона требует точного измерения аэрозольного вклада в поглощение. ИК излучение диапазона 3-5 мкм, — в частности, излучение эрбиевого лазера с длиной волны 3,97 мкм — может быть использовано для определения содержания в атмосфере водяного пара. Выполненные эксперименты показали пригодность метода дистанционного контроля влажности атмосферы. Представляется возможность измерения влагосодержания воздуха не в одной фиксированной точке, как это производится при метеорологических измерениях, а определять интегральное содержание водяного пара в атмосфере вдоль протяженной трассы; организовав несколько наклонных трасс различной длины, можно определить профиль влажности по высоте во всем приземном слое атмосферы. Это немаловажно, поскольку содержание водяного пара и его конденсация являются одним из главных факторов образования атмосферных аномалий распространения оптического излучения. Также на основе полученных данных о профиле содержания водяного пара по высоте предоставляется возможность строить прогноз о динамике развития атмосферных аномалий. В экспериментах пробы водяного аэрозоля брали оригинальной поточной ловушкой облачных капель (рисунок 24). Ловушка облачных капель состоит из трубы с диффузором для создания однородного потока, в которой с помощью вентилятора, вращаемого электромотором, создается стационарный однородный поток воздуха, засасываемого из камеры. Основные параметры ловушки: диаметр трубы 32 мм, скорость потока в трубе 15 м/с, объемный расход воздуха через трубу 12000 см3/с. Для взятия проб аэрозоля вне трубы установлен барабан. Ось барабана перпендикулярна оси трубы. Внутри барабана имеется 20 сквозных отверстий, в которых располагаются стержни, на концах которых укреплены приемные стеклянные пластинки размером 3,5x15 мм. В трубе имеется отверстие с диаметром несколько превышающим диаметр стержней. После установления в трубе стационарного потока, электромагнит выталкивает один из стержней барабана внутрь трубы на определенное время. В это время происходит инерционное осаждение капель из потока на стёкла. После возвращения стержня внутрь барабана происходит поворот барабана на 18 с тем, чтобы электромагнит мог выдвинуть в трубу следующий стержень. После полного оборота барабана управление ловушки блокируется так, что взятие второй пробы на одно и то же стекло невозможно. Для предохранения осевших капель от испарения стеклянные пластинки покрываются тонким слоем смеси трансформаторного масла с вазелином. Последующая обработка отобранной пробы облачных капель сводится к ее микрофотографированию и последующему определению распределения сфотографированных капель по размерам с учетом коэффициента захвата. Для поточной ловушки значения коэффициента захвата приведены в таблице Работоспособность информационных каналов оптико-электронных систем в сильной степени зависит от ослабления излучения в атмосфере, а также от наличия в окружающем пространстве фона, создающего помехи в системе пеленгации. В общем случае ослабление излучения в атмосфере связано с тремя факторами: - поглощением газовыми компонентами (молекулярное поглощение); - молекулярным рассеянием; - рассеянием инородными частицами. Следует отметить, что поглощение связано с преобразованием оптического излучения в другие виды энергии и вызвано наличием в атмосфере воды, озона, углекислого газа и др. Поглощение излучения происходит в широких полосах, соответствующих следующим длинам волн: воды (0,94; 1,1; 1,38; 1, 87; 2,7; 3,2; 6,3 мкм), углекислого газа (1,4; 1,6; 2,7; 4,3; 15 мкм), озона (4,8; 9,6; 14,2 мкм), закиси азота (4,7; 7,8 мкм), окиси углерода (4,8 мкм) и метана (3,2; 7,8 мкм). Молекулярное поглощение является главной причиной ослабления излучения, причем наиболее сильно излучение поглощается парами воды, озоном и углекислым газом. Полосы поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм и углекислого газа с центрами 2,7 мкм и 15 мкм ограничивают пропускание атмосферы и определяют положение 2-х окон прозрачности для тепловизионных каналов: 3 -5 мкм и 8 — 14 мкм. Для приборов телевизионного типа используется диапазон 0,4 — 0,9 мкм.[130]. При высокой относительной влажности молекулы паров воды собираются в скопления, образуя аэрозоль. Такое состояние атмосферы занимает промежуточное положение между туманом и дымкой. При использовании подходящей модели молекулярного поглощения и рассеяния, а также модели рассеяния на аэрозолях, показано [130], что при высокой относительной влажности ослабление почти полностью определяется поглощением на жидких аэрозолях. На небольших высотах и умеренных расстояниях при малом содержании паров воды ослабление определяется одним молекулярным поглощением. В целом, результаты свидетельствуют, что без учета характеристик источников и приемников излучения для сухого воздуха в средних широтах пропускание в диапазоне 8-12 мкм больше, чем в диапазоне 3 — 5 мкм, так как в последнем диапазоне наблюдается сильное поглощение углекислым газом. В чистом тропическом воздухе с высокой влажностью пропускание выше в диапазоне 3-5 мкм, так как пары воды сильно поглощают излучение в диапазоне 8 -12 мкм. Дымка приводит к более сильному ослаблению излучения в диапазоне 3-5 мкм по сравнению с диапазоном 8-12 мкм. Это заставляет отдать предпочтение диапазону 8-12 мкм в связи с тем, что долгое отсутствие дымки во влажном тропическом климате маловероятно [130]. В качестве критерия рассеяния среды в нашем случае используется параметр метеорологической дальности видимости (МДВ) - расстояние, на котором контраст между источником определенного вида (мирой) и окружающим его фоном снижается до порога контрастной чувствительности глаза. При расчетах для человеческого глаза порог контрастной чувствительности принимается равным 0,02 [131]. На рисунках 44, 45 представлены диаграммы пропускания излучения атмосферой при наличии слабой дымки и различной относительной влажности. Как следует из рисунков 44, 45 пропускание атмосферы в диапазоне 8-12 мкм значительно сильнее зависит от влажности воздуха при постоянной температуре, чем в диапазоне 3-5 мкм. В целом же пропускание в диапазоне 8-12 при заданных условиях выше из за наличия дымки. Следует отметить, что пропускание дымки возрастает наиболее быстро при переходе от видимой к средней ИК-области спектра, а затем, при переходе в область 8-12 мкм возрастает более плавно. Кроме того, ослабление оптического излучения в дымке (МДВ 1,0 км) для диапазона 3-5 мкм и 8-12 мкм оказывается меньше, чем в видимой области, что позволяет увеличить дальность действия информационного канала в 2...4 раза[132]. Кроме пропускания атмосферы на выбор спектрального диапазона влияет контраст цель/фон. Диапазоны 3-5 мкм и 8 - 12 мкм являются здесь взаимодополняющими. Видимый диапазон 0,4 - 0,9 мкм позволяет создавать телевизионные системы, в том числе низкоуровневые. Однако следует учитывать их относительно слабую помехозащищенность от солнечного излучения. Для слабонагретых целей (Тц « 301 К) при близком по температуре фоне (Тф « 300 К) контрасты в указанных ИК-диапазонах отличаются ориентировочно в 10 раз в пользу длинноволнового. Для проведения натурных исследований были выбраны три информационных канала: низкоуровневый телевизионный канал «Гарпия» - спектральный диапазон -0,4...0,9 мкм; тепловизионный канал «МИСАМ» - спектральный диапазон - 3,4...5,5 мкм; тепловизионный канал «Сыч-2» - спектральный диапазон - 8... 12 мкм. Все вышеперечисленные каналы построены на базе матричных фотоприемных устройств. Спецификация технических характеристик информационных каналов представлена в таблице 15. Как следует из таблицы 15, низкоуровневый канал «Гарпия» имеет наиболее высокое пространственное разрешение — 0,24 угл. мин. при F равном 120 мм и высокие пороговые характеристики — Епор= 0,001 лк. Тепловизионный канал «Сыч-2» построен на базе перспективного матричного микроболометрического фотоприемника, предназначен для работы в спектральном диапазоне 8-12 мкм и имеет пространственное разрешение 1,54 угл. мин. при АТпор= 0,15К. Относительно выбора тепловизионного канала МИСАМ можно отметить следующие моменты. Для слабонагретых объектов величина контрастов в диапазоне 3-5 мкм на порядок ниже по сравнению с диапазоном 8-12 мкм. Вследствие этого для фотоприемного устройства диапазона 3-5 мкм желательно иметь величину АТпор не хуже 20 мК. Испытаниям подвергался информационный канал с приемником на основе PtSi. Учитывая относительно низкие пороговые характеристики для средневолнового диапазона (А Тпор=0,1 К) исследования с каналом МИСАМ в диапазоне 3-5 мкм проводились в целях оценки яркостных характеристик изображений нагретых объектов, сравнения качества получаемыхОслабление и рассеяние излучения в ИК «окнах прозрачности» атмосферы
Натурные исследования ослабления лазерного излучения длиной волны 9-11 мкм на приземной трассе
Экспериментальная установка для взятия проб аэрозоля и параметры аппаратуры
Обоснование выбора информационных каналов для проведения натурных исследований
Похожие диссертации на Исследование распространения оптического излучения в горной местности
