8.      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.

 

     8.1.   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 +26°С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение рис.21

(фрагменты г,д,е)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

продолжение рис.21

 (фрагменты ж,з,и)

 

    8.2.   Методы расчета МП.

 

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

 

                                                                                                           (6 )

/Здесь I₀ – амплитуда сигнала на уровне источника излучения,

          I_L – амплитуда сигнала на входном зрачке ОЭC, удаленном на расстояние L от источника/:

·        теоретический /”линия за линией”/, когда интегрируется функция t(l) с учетом каждой из сотен линий поглощения в пределах интервала Dl;

·        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 t_l осуществляются с разрешением по спектру длин волн для интерваловDn=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 t_l к одной достаточно сложной формуле

                                            ,                                       (7 )

где

d-среднее расстояние между линиями, I(x) –  функция Бесселя, g - полуширина спектральной линии, S-её интенсивность, w- 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 t_l 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, g_i - расстояние между линиями, d_i - интенсивность S_i.

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 t_l для основных абсорбентов атмосферы – паров воды и углекислого газа.

Как видно, полуэмпирические методы и их комбинации используют стилизации, следующие  из качественной оценки спектров t_lэксп., экспериментальные данные и теоретические модельные расчеты о спектроскопических параметров линий. При этом достигается удовлетворительное совпадение с экспериментом в отдельных участках функций t_lрасч(w), (где w - поглощающая масса газа) и расхождении расчетных и экспериментальных значений t_l 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 t_l, по крайней мере в пределах t_l=0,05…0,95 может быть аппроксимирована соотношением вида

                                                                                    (9 )

где b_l - коэффициент, определяющий интенсивность поглощения в области Dl_i /определяется из эксперимента/, m_l  и n_l  - эмпирические параметры, w - 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 w_эфф- эффективная поглощающая масса газа, определяемая интегрированием по оптической трассе L с учетом реальной стратификации поглотителя в атмосфере.

Известен также графический метод расчета t_l , 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

СО₂@3,4×10^-2 %,

СО@(1-20)×10^-5 %,

CH₄@1,4×10^-2%,

N₂O@(2,5-6)×10^-3 %,

O₂,=20,95%

Н₂ОÎ(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 q¢_h – 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,

       T – температура в К.

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

                                             ,                                               (17)

где в пределах (0-85)° от вертикали j(q)=secq и определяется табулированной функцией Бемпорад в области 85…90°.

 

     8.3.   Аэрозольное ослабление оптического излучения

 

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

-         невыполнимость для функции  t_l 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 (pr²), n_r – количество рассеивающих частиц и K₀ – эффективный коэффициент рассеяния, являющийся функцией относительного радиуса частицы

и показателя преломления m=n-ic (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 K_р, 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_l,r. 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 ³40 % частицы аэрозоля увлажнены и в их “оптике” должно учитываться проявление свойств воды. В частности, доказано, что при толщине “водяной рубашки” частицы, составляющей 10% и более, её оптические свойства полностью определяются m_l воды (раствора).

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

                                                         ,                                                  (21)

где n –эмпирический коэффициент.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.22. Пример изменений эффективных коэффициентов ослабления (К_ос),

рассеяния (К_р) и поглощения (К_п) для водяных сфер (l=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, n₂ – эмпирические параметры, одинаковые для конкретных  состояний атмосферы т.н. типов оптической погоды, a¢_l - 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), a₀- 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 S_M, связанный с показателем ослабления излучения на длине волны l=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 S_M=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.

 

     8.5.   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; r_в, r_во – плотность влажного и сухого воздуха,  N_l - число Лошмидта,  DP –деполяризация света).

Изменение º1/l⁴ и определяет тот факт, что в области l³1 мкм становится менее 0,001 и может не приниматься во внимание. (Для примера при l=0,4 мкм =0,043 км^-1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Рис.22а

На рисунке 22а t₁(l) - компонента, обусловленная поглощением излучения газами, t₂(l) - аэрозольная компонента, зависящая от погодной ситуации,t₃(l) =exp(-a¢L)- зависит только от S_М, спектральная зависимость t₃(l) показана на рис. 22б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                         

 

 

Рис.22б

 

 

 

 

     8.5.   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 r_в  (n-1=kr_в, 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 , где l-длина волны, L – расстояние.

Значение R для различных l и L даны ниже

l, мкм                L, м	0,5	10,0
10 100 1000 10000	2,3 7,1 22,4 70,7	10 31,6 100,0 316

 

 

 

Флуктуации луча за счет вариаций показателя преломления принято описывать с помощью структурной функции F_n(r), которая является корреляционной функцией, определяющей разности показателей преломления m(x+r)– m(x), где r характеризует радиус (масштаб) флуктуаций. В соответствии с теорией В.И. Татарского

                                                                                                      (28)

 

для среды с масштабом флуктуаций

 

 

(-max,  -min границы размеров флуктуаций).

Коэффициент С_n – структурная постоянная показателя преломления. Если С_n=0 имеет местооднородная среда, перемещение всех её точек происходит с одинаковой скоростью.

При С_n =8×10^-9 м^-1/3 –имеем слабую (=1,2 см, =10 м)

        С_n =4×10^-8 м^-1/3 – среднюю и

        С_n =5×10^-7 м^-1/3 – сильную  турбулентность =0,3 см, =1 м

Сдвиг луча характеризуется дисперсией  или среднеквадратическим отклонением

                                                                                           (29)

 

Флуктуации луча приводят к расплыванию пучка на 2s_r и угловой ошибке . Спектр частот флуктуации лежит в пределах 0,03 Гц…20 Гц.

В заключение иллюстрируем представленные выше сведения.

Рис.23 дает представление о пространственно-временных изменениях показателя a_l в пыледымовых облаках различного происхождения. В частности на рис.23(а) даны поперечные разрезы  a(L) облака маскирующей аэрозольной завесы (МЗ). На рис.23 (б) показан эффект изменения спектра размеров частиц при удалении от оси шлейфа МЗ.

На рис. 23 (в) приведены частотные спектры вариаций показателя a_l (см. рис.23(г)) в МЗ, создаваемых генераторами различных конструкций (1…6).

Рис. 24 иллюстрирует спектральный ход оптической плотности   ряда известных дымообразующих составов,  используемых для создания МЗ

(L₃ –геометрическая  ширина МЗ)/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.23

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                

 

 

                                             Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              

 

                                              В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                    

 

                                                                                  Г

 

 

                                                                                  сек

 

 

 

 

 

 

                                      продолжение рис. 23

                                         (фрагменты Б,В,Г)

Наконец таблица ниже иллюстрирует эмпирическую модель спектральных показателей аэрозольного ослабления a(l), в которой указаны параметры для расчета и дана характеристика соответствующих метеорологических условий.

Таблица

Модель спектральных показателей аэрозольного ослабления

 

Морфологическое обозначение типа оптической погоды	Синоптическая ситуация	Температура воздуха °С	Относительная влажность, %	SM, Км	n0	n1	n2
1	2	3	4	5	6	7	8
Дымка       Дымка Дымка Дымка   Туманная дымка Дымка Дымка       Туманная дымка Дымка   Ледяной туман	Антициклоны нетропических широт             Антициклоны субтропических широт       Квазистационарные антициклоны (гребни) внетропических широт	(-20)(+20)       (-12)(+25) (-12)(+25) (-12)(+25)   (-12)(+25)   (-12)(+25)       (-12)(+25) (-12)(+25)   от –35 до -12	50-90       30-50 50-90 85-90 90-95 90-100 90-100 60-90       90-100 90-100   70-90	20-50       15-50 1—20 5-10 10-15 5-10 1-5 5-15       1-5 1-5   1-5	0,03       0,004 0,09 0,07   0,22 0,06 0,30       0,56 0,34   0,56	0,35       0,35 0,44 0,54   0,57 0,79 0,37       0,39 0,49   0,39	2       2 1,45 1,06   0,65 0,4 0,9       0,39 0,52   0,39

 

 

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              Рис.24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Рис.25.

На рис.25 представлена демонстрация возможности одностороннего преимущества при постановке М3, связанного с тем, что противнику не известна область спектра, где a_l®0. Этот участок может быть использован для «скрытой» связи по аналогии с запасными частотами в радиосвязи. Представленный эффект достигается за счет оптимизированного подбора вещества частиц в М3, обладающих определенным комплексным показателем преломления n(l) и спектром размеров частиц N(r).

Ранее было отмечено, что такие газы ка СО₂, СО, СН₄ и ряд других представлены в атмосфере Земли практически в постоянной концентрации имеющей лишь незначительный (вековой) тренз. Вместе с тем в отдельных участках пространства в условиях, когда имеет место приземная инверсия температуры угарный газ СО может накапливаться и более существенно влиять на оптику атмосферы. Этот факт демонстрирует рис.26.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     Рис.26

 

Типичная погодная ситуация накопления СО в приземной атмосфере – зима, инверсия температуры, наличие интенсивных источников угарного газа –автомобилей и отопительных систем. Причем из рис.26 следует, что увеличение концентрации СО коррелирует с аэрозольным помутнением воздуха, которое определяет величина метеорологической дальности видимости. Подчеркнем, однако, что приведенный пример имеет границы в пространстве и времени и мало заметен в глобальном распределении.

Наконец рис.27 позволяет сравнить (оценки специалистов США) модель, предлагаемую с учетом соотношения (22) (на рисунке – кривые t², t¢ для возможных вариаций a_l). С принятой в США стилизованной моделью атмосферного аэрозоля (пунктир). Действительно модель аэрозоля, принятая в США входит в программу “Lowtran”  и предлагает учитывать только такие состояния аэрозоля, как “сельский”, “городской”, “морской”, что не может быть адекватным отражением атмосферыс характерным для неё перемещением воздушных масс (V_ср»50 км/час)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.27

 

    9.      Пример оценки радиационных контрастов малоразмерных объектов по данным численного моделирования в области спектра 8-14 мкм.

 

Представленные сведения об объектах (фоне) и ослаблении излучения в атмосфере позволяют представить пример их применения в общей оценке контрастов малоразмерных объектов, под которыми будем понимать объекты мешающие пилотированию (ОМП) на низких высотах. ОЭС работает в области 8-18 мкм, т.е. является тепловизором.

Рассмотрим сначала метод расчета радиационных контрастов низкотемпературных препятствий на пригоризонтальных фонах Земли и атмосферы. При этом принимаем, что отражательные характеристики (альбедо d) и температура объектов и подстилающих поверхностей известны.

 

 

 

 

Значения коэффициентов черноты некоторых конструкционных материалов в области спектра 8-13 мкм
Материал	Коэффициент черноты (1-d)=e
Кирпич Бетон Древесина Окрашенное железо Окись алюминия Сталь коррозионно –стойкая	0,93 0,81 0,90 0,90 0,75 0,50

Нужно различать фон излучения подстилающей поверхности под зенитным углом наблюдения q  и фон атмосферы, когда линия визирования не пересекает подстилающую поверхность, а проходит над ней на некоторой высоте Z_h при наблюдении с высоты Z_min.Спектральная яркость восходящего излучения Земли описывается излучением  черного тела с температурой равной температуре подстилающей поверхности, причем  коэффициент черноты e=(1-d)=0,8-0,99. В области спектра 8-14 мкм альбедо подстилающей поверхности d наиболее низко для песка (1-d)=0,8 и близко к 1 для мокрых почв и водной подстилающей поверхности.

В области 8-13 мкм естественные препятствия имеют значение альбедо d,  изменяющееся в довольно широких пределах – от 0,5 до 0,05 /В таблице выше приведены значения коэффициента черноты для некоторых конструкционных материалов/.

Радиационный контраст объектов определяется по формуле (15) или аналогичной ей

                                                  ,                                                   (30)

где I_об – интенсивность излучения от объекта, I_ф – интенсивность излучения фона. Однако для низкотемпературных объектов необходим учет излучения фонов, отраженных от объекта. Последние будут зависеть от направления визирования объекта, так как на горизонтально ориентированную площадку падает излучение  с верхней полусферы (нисходящее излучение неба), а на вертикально ориентированную площадку падает излучение неба (из верхней полусферы) и излучение Земли. При тех же самых величинах альбедо отраженное объектом излучение фона  для горизонтально ориентированной площадки всегда меньше, чем для вертикальной. Таким образом необходимо рассматриватьдва направления визирования – “в горизонт” (вертикальная площадка) и сверху (горизонтальная площадка).

Итак, для расчета радиационного контраста необходимо знать температуру объекта Т_об и фона Т_ф, которые, наряду с известными величинами e_об и e_ф позволяют расчитать яркость фона В_об=В(Т_об)e_об  и объекта В_ф=В(Т_ф)e_ф на основе данных о яркости АЧТ В(Т_об) и В(Т_ф).

Введем далее следующее обозначение:  - средняя интенсивность нисходящего  (т.е. направленного сверху вниз) и восходящего излучений атмосферы как одной из составляющих фона. При этом расчет выполняется по формуле

                                                                     (31)

          Температура поверхности как препятствий, так и окружающего фона зависит от многих факторов - таких как положение Солнца на небосводе, замутненность атмосферы, наличие или отсутствие облачности, влажность атмосферы и почвы, скорость ветра и др. В связи с тем, что теплопроводность и теплоемкость объектов на естественных фонах. различаются, в условиях сильных солнечных засветок наблюдаются значительные перепады температуры объекта и имеет место достаточно высокий контраст при наблюдении   Радиационные и температурные контрасты существенно снижаются приналичии облачности, сильной замутненности атмосферы. В этих ситуациях контрастность объектов определяется отличиями в величинах коэффициента черноты объектов.

Величины температурных контрастов определяются среднеинтегральной яркостной температурой объекта и фона

                                                                                                   (32)

Если радиационная температура объекта больше радиационной температуры фонов, то наблюдается положительный температурный контраст. В противном случае – температурный контраст отрицательный. и относительного радиационного контраста по формуле приведенной выше. В дневных летних условиях  разброс радиационных температур яркости естественных фонов очень велик от 15 до 50°С, в связи с чем объекты могут иметь в зависимости от яркости фонов как положительные, так и отрицательные температурные контрасты, которые зависят от типа подстилающей поверхности (почва, асфальт, водная поверхность) и особенно от влажности почвы. Важно также учитывать наличие тени облаков. Только для влажной почвы (например, после обильных осадков) температурные контрасты объектов являются положительными. В ночных условиях радиационные контрасты объектов являются положительными. Большинство ОМП в сумерках приобретают заметность в основном за счет большей инерционности при радиационном выхолаживании. Большое значение приобретает здесь протяженность препятствий, от которых зависит теплоемкость ОМП и время радиационного остывания ОМП.

Наблюдение объектов препятствий всегда выгодно вести в зоне горизонта, так как рост температуры естественных фоновых ансамблей в этом случае часто приводит не к ухудшению видимости ОМП, а улучшению за счет подсветки их восходящим тепловым излучением естественных фонов.

 

 

 

 

 

Величины температурных контрастов объектов в различных атмосферных условиях визирования для визирования в “горизонт”

Объект	Условия наблюдения	Яркостная температура фона	Температурный контраст
1	2	3	4
Кирпичное отапливаемое здание	зима,ясно,температура атмосферы Т=-10 С	-15	DT=8°С
Кирпичное здание, отопление отсутствует		-15	DT=5°С
Кирпичное здание, отопление отсутствует	лето,T=20°С	+10	DT=3°С
Кирпичное здание отопление отсутствует	лето,T=16°С	+14	DT=3°С
Дерево одиночное	зима,ясно,температура атмосферы Т=-10°С	-15	DT=3,5°С
Дерево одиночное	лето,ясно,температура атмосферы Т=-20°С	+19	DT=8°С–солн.сторона DT=4°С-тень
Провода обесточенные	зима,ясно,температура атмосферы Т=-10° С	-15°С	DT=4°С
Провода обесточенные	лето, Т=20°С, полдень	+19°С	DT=1,5°С
Провода обесточенные	лето, ясно, ночь T=16°С	+14°С	DT=0,7°С
Столб железобетонный диаметром 30 см	лето,ясно,полдень T=20°С лето, ясно, ночь зима, Т=-10°С	+19°С      +14°С -15°С	DT=3°С DT=1,5°С DT=4,5°С
Столб деревянный диаметром 30 см	лето, полдень, ясно T=20°С лето, ясно, ночьT=16°С зима, полдень Т=-10°С зима, ночьТ=-10°С	+19°С   +14°С -15°С -15°С -12°С	DT=16°Ссолн.сторонаDT=3°С-тень DT=2°С DT=3°С DT=5°С
Провода	зима,облачность сплошная	-12°С	DT=1,5°С
Кирпичное отапливаемое здание	Температура атмосферы Т=-10°С	-12°С	DT=4°С
Кирпичное здание отопление отсутствует		-12°С	DT=1°С
Столб железобетонный		-12°С	DT=1°С
Кирпичное здание, неотапливаемое	Лето,облачность сплошная,температура атмосферы Т=20°С полдень	+19°С	DT=2°С

 

 

 

 

           Величины температурных контрастов объектов в различных атмосферных условиях визирования для визирования в “надир”

Объект	Условия наблюдения	Яркостная температура фона	Температурный контраст
1	2	3	4
Кирпичное отапливаемое здание	зима,температура атмосферы Т=-10 С полдень	-12°С	2,5°С
Кирпичное отапливаемое здание,	зима,температура атмосферы Т=-10 С ночь	-12°С	1,6° C
Кирпичное неотапливаемое здание	зима,температура атмосферы Т=-10°С	+12°С	-0,3°C
Кирпичное неотапливаемое здание	зима,температура атмосферыТ=-10°С	-12°С	-0,3 C
Провода обесточенные	зима,температура атмосферы Т=-10°С день зима,температура атмосферы Т=-10°С	-12°С     -12°С	-0,7°C     -0,7° С
Столб железобетонный	ночь зима,температура атмосферы Т=-10°С		0,5°С
Столб деревянный	день,ночь зима,температура атмосферы Т=-10°С день, зима,температура атмосферы Т=-10°С	-12°С     -12°С   -12°С	3 °С     0 °С   30° С
Кирпичная труба действующих котельных	ночь,зима,температура атмосферыT=-10°С	-12°С
Одинокое дерево	день, ночь,зима, температура атмосферы Т=-10°С день,зима,температура атмосферы Т=-10°С	-12°С   -12°С	1,5 С   0 С

 

 

10.       Оптические материалы

 

В данном разделе дадим краткую информацию о материалах, которые используются разработчиками ОЭС.

Оптические материалы необходимы для изготовления фильтров, дифракционных решеток , входных окон, элементов объективов – зеркал, линз.

Основными характеристиками оптичеких материалов следует считать:

-         показатель преломления n_l и дисперсия (изменения n_l по длинам волн);

-         поглощение, пропускание отражение;

физические свойства (твердость, растворимость, теплофизические свойства).

 

10.1.  Показатель преломления

 

Показатель преломления оптических материалов в общем случае комплексная величина , изменяющаяся по спектру длин волн. Существует два типа зависимостей показателя преломления m_l (соответственно n_l и к_l) от l.

а) Материалы с нормальной дисперсией.

Эти материалы имеют хорошее пропускание в той области спектра, где они применяются. Типичный спектральный  ход n_l и к_l  показан на рис.28

 

                                                                

 

                                                                                                                                                                                                                                                   

б) материалы с аномальной дисперсией.

Это материалы, которые используются в оптических элементах в области длин волн, прилегающей к спектральной полосе поглощения. Показатель преломления здесь меняет знак, так как показано на рис.29

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, в частности,  что материалы, имеющие спектральные области аномальной дисперсии применяются для изготовления т.н. дисперсионных фильтров, основанных на эффекте Христиансена. Суть последнего заключается в том, что при условии  и для двух сред с n₁  и n₂ при величине Dn @0 в области аномальной дисперсии рассеяние на однородности прозрачного материала имеет ярко выраженную селективность – полосу пропускания.

 

10.2. Пропускание, отражение

       

           Показатель ослабления k_l  в области нормальной дисперсии определяет пропускание материала (поглощение в нем излучения).

Исходя из законов Френеля можно определить коэффициент отражения R, т.е. отношение отраженного излучения к величине приходящего потока излучения. При нормальном падении

                                                                             (33 )

В случае, если среда прозрачна, т.е. k=0

                                                                                                            (34)

При нанесении на поверхность среды с показателем преломления n слоя, имеющего показатель преломления n^¢, толщиной l, при условии, что n^¢l=l/4, коэффициент отражения такой двухслойной системы определяется формулой:

                                          ,                                             (35)

из которой видно, что R становится равным нулю при .

Например, для германия (n=4) при l=10 мкм при нанесении слоя сульфида цинка (ZnS) с показателем преломления n¢=2,2 и толщиной l=l/4n¢=10/8,8=1,14 мкм, коэффициент отражения будет равен:

                                           ,      т.е. имеет место                 (36)

эффект просветления (без просветления R_Ge = 0,36). Многослойное просветляющее покрытие позволяет снизить отражение на границе двух сред в более широкой спектральной области и таким образом уменьшить потери излучения в рабочей спектральной области ОЭС.

В качестве просветляющих покрытий используются пленки следующих веществ:

MgF₂ – фтористый магний (n¢=1,38)

SiO – окись кремния (n¢=1,6-1,9)

СеО₂ – окись церия (n¢=2,2)

ZnS – сульфид цинка (n¢=2,2)

AlF₃-NaF-криолит (n¢=1,3)

Для металлов, т.е. материалов с большим k_l

                             ,                                            (37)

где с – скорость света,

       m - электрическая проводимость,

         - круговая частота.

Из (36) видно, что для металлов R растет с ростом l  и g. Это обстоятельство, в частности, обращает внимание на то, что зеркальная поверхность, изготовленная путем нанесения слоя алюминия, меди, серебра и золота, которую следует характеризовать, прежде всего, величиной R, будет лучше всего в случае позолоченной поверхности, несколько хуже – для серебра, затем для меди, еще хуже – для алюминия с учетом определяющих эти  наиболее распространенные материалы зеркальных покрытий величин g.

 

   10.1. Физические свойства материалов

 

           При выборе оптического материала следует учитывать их механические, теплофизические, электрические и химические свойства. В первом случае – это прежде всего твердость. Твердость обычно определяется как отношение нагрузки P к площади S и имеет размерность  давления.

Определение твердости важно, когда выбирается материал для обтекателей и входных окон, а также для других деталей, которые должны подвергаться оптической полировке и сохранять свое состояние  в процессе эксплуатации. Из практики следует, что твердость материалов указанных элементов должна быть не менее 15.  Это качество должно сохраняться при воздействии химических реактивов, влажности, температуры. Теплофизические свойства важны для материалов, работающих при значительных перепадах температур. Здесь следует оценить теплопроводность, тепловое расширение, удельную теплоемкость.

 

10.4. Используемые оптические материалы

 

Материалы, используемые в оптике, включают стекла, керамики, природные и синтетические кристаллы, а также пластмассы и металлы.

 

                        

Стекла и керамика

Большинство стекол прозрачно лишь в области l£2,7 мкм из-за сильного поглощения ионами ОН. Плавленный кварц имеет длинноволновую границу ~5 мкм (далее поглощение /Si –0/. Используются специальные стекла из алюмината кальция, а также полученная горячим прессованием керамика на основе фтористого магния, InS, флюорита (CaF₂), MgO,  теллурида кадмия (CdTe) и др.

                

 

 

Кристаллы

Наиболее употребимы монокристаллы NaCl, CaF₂, сильвин (КСl), AgCl, бромисто-йодистый калий КRS (КRS-5) и таллий (КRS-6).

 

Поликристаллические структуры

Кремний,германий, арсенид галлия.

 

Пластические материалы

Полиметилметакрилат – плексиглас, полиэтилен.

Металлы – алюминий, медь, золото, серебро. На их поверхность обычно наносится защитное покрытие – SiO (окись кремния).

 

Примеры характеристик оптических материалов.

1.Баросиликатный крон (SiO₂, B₂O₃, K₂O, Na₂O) 

      (l»0,2 –2,7, твердость~300,нерастворим в воде.

2.Тяжелый флинт (SiO₂, K₂O, Na₂O,РbO)

 (0,25 –3,0, нерастворим )

3.Плавленный кварц (SiO₂)

(0,2 – 4,2, 460,0, нерастворим).

4.Керамика ZnS

(0,35 – 13,5, 354,  нерастворимая).

5.Керамика CaF₂

(0,2 –12,0, 200, слабая растворимость)

6.Керамика ZnSе

(0,4 –20,0, 100-250, нерастворимая).

7.NaCl

(0,21 –26,0, 18, сильная растворимость)

8.NaF

(0,2 –15, 60, умеренная растворимость)

9.КСl

(0,2 –30,0, 8, сильная растворимость)

10.KBr

(0,23-40, 6 –7, сильная растворимость)

11.LiF

(0,12 –9, 110, нерастворим).

12.Хлористое серебро

(0,45 –28,0, 0,5, нерастворимо, чернеет под действием УФ).

13.Германий

(1,8 –23,0, 700, нерастворим)

14.Al₂O₃

0,17 –6,5, 1700, нерастворим).

15.Кварц – природный аристал (0,2 – 4,5, 741, нерастворим)

16.Полиэтилен

(0,2 – 3,2; 35 – 7; 7,5-13, 14-30)

 

   10.5. Нетрадиционные оптические материалы на основе стекла

 

Общее требование к оптическому стеклу (ОС) – химическая и структурная однородность. В новейших производственных процессах изготовления ОС совершенствуется технология ‘золь-гель”, в которой используется раствор кремнезёма, однородный на уровне, близком к молекулярному с исключением стадии плавления. Другое направление - управляемое создание в однородном оптическом стекле структурно-химических неоднородностей, придающих стеклу новые свойства, в частности, выделение в объеме стекла кристаллической фазы с формированием композиционного материала, который сочетает свойства стекла и кристалла. Это- ситаллы (доля кристаллической фазы ~ 70…80%), обладающие высокой механической и тепловой стойкостью, термостойкостью и коэффициентом термического расширения близким к 0 (астроситаллы). Перспективно также создание стекол с микродисперсной полупроводниковой фазой, в которых концентрация кристаллической фазы £ 1% в связи с малой растворимостью полупроводниковых соединений в стеклообразной матрице. Эти композиты обладают, в частности, фотохромными нелинейно-оптическими свойствами и создаются с добавлением галогенидов серебра и меди на основе сульфоселенидов кадмия.

 

  11.    Оптические фильтры

 

Задача улучшения отношения сигнал/шум, выделения полезной информации на фоне помех не может быть решена без применения методов оптической фильтрации. Т.о. оптические фильтры – один из основных элементов ОЭС.

 

   11.1. Классификация оптических фильтров

 

Оптические фильтры с учетом выделяемой области спектра разделяются на полосовые и отрезающие. Для  классификации фильтров по физическому принципу их взаимодействия с излучением необходим учет не только оптических постоянных материала, но и отношения длины волны фильтруемого излучения к размерам конструктивных элементов фильтра. Лишь в простейшем случае, когда оптический фильтр (ОФ) представляет собой плоскопараллельную пластинку от соотношения показателей преломления и поглощения зависит, какая часть спектра излучения пройдет через пластинку. При этом, если пластинка имеет области селективного отражения, то она может использоваться как отражающий фильтр, при сильном поглощении в отдельных участках длин волн пластинка будет фильтровать проходящее излучение, т.е. являться поглощающим фильтром.

В том случае, если одно измерение пластинки, например, толщина уменьшается, наступают условия, при которых становятся существенными волновые эффекты. В частности, если размеры пластинки в двух измерениях велики по сравнению с длиной волны, а в одном сравнимы, т.е. она обращается в тонкую пленку и наблюдается интерференция волн в отраженном и прошедшем потоках. Система таких пленок с соответствующим образом подобранными оптическими постоянными позволяет реализовать интерференционный фильтр.

Если два измерения пластинки сравнимы с длиной волны и она преобразуется в полоску или нить, то наступит более сложный характер интерференционного взаимодействия излучения с объектом – дифракция. Система таких полос, представляющих собой совокупность неоднородностей в поле излучения, составляет дифракционный фильтр.

Наконец, если все три измерения пластинки сранимы с длиной волны и пластинка обращается в частицу, форма которой может быть произвольной – то наступает самый сложный случай взаимодействия – рассеяние излучения. Совокупность частиц, а также шероховатая поверхность раздела двух сред, размеры неоднородностей которых сравнимы с длиной волны могут служить рассеивающими фильтрами. Вообще говоря, оптические неоднородности, в рассеивающем фильтре обладают дисперсией оптических постоянных. Если, например, показатель преломления совпадает с показателем преломленияокружающей среды лишь для одного узкого участка длин волн, то такая система фильтрует проходящее излучение и называется рассеивающим дисперсионным фильтром. Т.о. спектральная характеристика ОФ зависит как от спектрального хода оптических постоянных, так и от соотношения между конструктивными элементами фильтра и длиной волны фильтруемого излучения. В некоторых случаях удается использовать оба эти фактора.

 

     11.2.  Характеристики ОФ

 

Выше отмечалось, что ОФ разделяется на полосовые и отрезающие.

Полосовые фильтры характеризуют l₀(l_max), Т_max, полушириной d на уровне 0,5 Т_max, Т_min в крыльях, контрастностью  (см. рис.30).

Соответственно для отрезающего фильтра: T_min, l_0,1, l_0,1Tmax, l_0,5Tmax, l_0,9Tmax,  l_Tmax и их положение в центре.

Крутизна полосового ОФ

 

                                                                                              (38)

 

Для полосовых П – образных фильтров должны быть заданы граничные длины волн.

 

Рис. 30

Заметим, что, если область чувствительности приемника излучения Dl значительно шире d ОФ, величина T_min должна быть прослежена во всем интервале Dl .

 

11.3. Основные типы оптических фильтров.

          

            11.3.1. Отражающие фильтры

Здесь должны быть выделены:

·        фильтры для выделения  достаточно широких участков длин волн, работающие по методу остаточных лучей. В таком фильтре используется наличие у его материала области с резко заниженным коэффициентом отражения. В этом случае организуется схема, в которой от материала фильтра (кристаллов) после двух –трехкратного отражения в спектре остаются только те лучи, которые относятся к области максимального отражения (схема Уайта). Материалы: LiF, CaF₂, NaCl  и т.д. для области >50 мкм.

·        Диэлектрические зеркала можно отнести к фильтрам, работающим по методу остаточных лучей и образуются за счет использования многократного отражения от зеркал, изготовленных из многослойных диэлектрических покрытий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·        Фильтры полного внутреннего отражения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Простейшее конструктивное исполнение: излучение с длиной волны большей чем зазор между призмами проходит в прямом направлении. С меньшими длинами  волн – отражается от воздушного промежутка.

·        Отражение от дифракционных решеток и сеток.

·        Матированные зеркала – используется зеркальная составляющая рассеянного излучения, амплитуда которого зависит от дисперсности частиц на поверхности зеркал.

 

            11.3.2.  Поглощающие фильтры

 

Конструктивно – это пластинки (кристаллические, стекла, оптическая керамика, пластмассы), а также кюветы, наполненные жидкостью или газом: жидкостные и газовые фильтры.

 

            11.3.3.  Интерференционные фильтры

 

Узкополостные и отрезающие представляют собой пластину из оптического материала, на которую наносится последовательность пленок других оптических материалов.Интерференция излучения в такой системеи определяет требуемые характеристики ОФ.

 

            11.3.4.  Рассеивающие дисперсионные фильтры

 

Представляют собой пластины оптического материала с нанесенным слоем мелкодисперсных частиц с заданным n(l) и спектром размеров.

 

          11.3.5.     Комбинированные фильтры – интерференционно-абсорбционные