Ф - световой поток, выходящий из среды;

т~ё~а:- коэффициент прозрачности среды протяженностью 1 км (удельное пропускание).

Отношение Ф/Фо называют коэффициентом пропускания (или просто пропусканием). Приведенная формула справедлива для монохроматического светового потока, распространяющегося горизонтально в атмосфере с постоянным коэффициентом ослабления на всем участке. Прозрачность атмосферы является функцией рассеяния и активного поглощения энергии излучения в атмосфере. Поэтому можно представить результирующий коэффициент прозрачности т как произведение коэффициента прозрачности, обусловленного рассеянием световой энергии тр, и коэффициента прозрачности, обусловленного избирательным поглощением атмосферы тп:

T = ТрТп

и соответственно

а - ар + ссп.

Под рассеянием энергии излучения в какой-либо среде и в том числе в атмосфере понимают процесс отклонения лучистого потока от своего первоначального направления. При этом поток выходит из пределов телесного угла, в котором он распространяется. В атмосфере причиной рассеяния является ее оптическая неоднородность и происходящие вследствие этого преломление, отражение и дифракция светового потока на этих неоднородностях.

В зависимости от соотношения размеров рассеивающих частиц н длины волны излучения рассеяние может быть молекулярным (на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны), дифракционным (на частицах, соизмеримых с длиной волны) игеометрическим (на частицах больших размеров). В реальной приземной атмосфере, где практически присутствуют частицы любых размеров, существуют одновременно все три вида рассеяния;

Рассеяние светового потока в сухой и чистой атмосфере, с которой обычно имеют дело на больших высотах, с достаточной степенью точности совпадает с законами молекулярного рассеяния, изученными Ре-леем (релеевское рассеяние). Молекулярное рассеяние тем меньше, чем больше длина волны: коэффициент рассеяния обратно пропорционален V1.

Пространственное распределение рассеянного потока характеризуется и н д и к а т -риссой рассеяния - векторной диаграммой, изображающей зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния.

При молекулярном рассеянии индикат-. рисса рассеяния симметрична относительно первичного луча и в перпендикулярном ему направлении. Пндикатрисса имеет максиму-

мы в направлении распространения луча (<р=0) и в противоположном направлении (ф=я): в обратном направлении отбрасывается примерно столько же энергии, сколько проходит вперед.

По мере увеличения размеров частиц по сравнению с длиной волны % зависимость рассеяния от длины волны ослабевает. Прн геометрическом рассеянии вешчина рассе-

8,2 CJ 0,5 0.70,91 2 3 Ь S (71310 Длено 1ел ы К,лкл

Рис. 29-46. Пропускание излучения чистой атмосферой.

яннои энергии не зависит от длины волны и пропорциональна поперечному сечению частиц. С увеличением размеров рассеивающих частиц индикатрнсса рассеяния вытягивается по направлению падения луча, (при геометрическом рассеянии отброшенная по направлению первичного луча энергия в 24 раза больше энергии, отброшенной в противоположную сторону).

Рассеяние излучения в обратном направлении приводит к появлению специфической помехи в локационных системах оптического диапазона - помехи обратного рассеяния зондирующего сигнала, для борьбы с которой в импульсных системах можно использовать временное стробирова-ние - запирание приемника на время действия помехи.

Для ориентировочных расчетов пропускания атмосферы в тех случаях, когда ослабление излучения вызывается рассеянием, можно исходить из известной связи между метеорологической дальностью видимости и удельным пропусканием Тр. Под метеорологической дальностью видимости понимают наибольшую дальность видимости днем темных предметов с угловыми размерами, большими 0,5°, проектирующимися на фоне неба у горизонта.

Поглощение излучения в атмосфере объясняется тем, что уровни энергии колебательных и вращательных движений молекул воды, углекислого газа, озона и других входящих в состав атмосферы газов расположены в области оптических частот.

На рис. 29-46 представлена спектральная зависимость степени- пропускания излучения чистой атмосферой, а на рис. 29-47 изменение спектрального поглощения на разных высотах. Как видно, имеется несколько сравнительно узких окои прозрачности1: диапазон видимого света, а также участки инфракрасного диапазона с длинами волн 0,95-1,05; 1,15-1,35; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,2; 4,5-5,1; 8-13 мкм.

Таблица 29-5

Зависимость между метеорологической дальность видимости и удельным пропусканием

1001

НОкм

0,1 о,г

o,5 i г s ю

Длина волны,мкм

Z0 50

Рнс. 29-47. Спектральное поглощение излучений на разных высотах.

3,08 3,09

Плана Ьолаы А .мкм

Рис. 29-48. Тонкая структура спектра поглощения в диапазоне 3,07-3,1 мкм.

№3 &

39 40 41 42. Волны Л/юз, Л

Рис. 29-49. Спектральное поглощение излучения в диапа о

зоне 6 933-6 946 А всей толщи атмосферы.

С увеличением высоты ширина полос пропускания окон атмосферы увеличивается.

На рис. 29-46 представлена интегральная кривая пропускания, снятая приборами с широкой полосой пропускания. На самом деле колебательно-вращательные спектры имеют более сложную структуру. На рис. 29-48 показана тонкая структура спектра поглощения водяного пара в диапазоне 3,07-3,1 мкм. Высокая селективность и большая густота линий в спектрах поглощения атмосферных газов могут обусловить весьма большие флуктуации прозрачности атмосферы для излучения ОКГ, вызванные зависимостью спектра излучения последнего от температуры рабочего тела (активного вещества). Это обстоятельство иллюстрируется рис. 29-49, где по оси ординат отложено спектральное поглощение всей толщи относительно сухой атмосферы, полученное с помощью спектрометра высокого разрешения и Солнца как источника. По оси абсцисс нанесена шкала длин волн в ангстремах и шкала температуры t, при которой реализуются соответствующие длины волн излучения рубинового лазера. Как видно из рисунка, поглощение излучения рубинового генератора в атмосфере должно существенно зависеть от температуры его рабочего тела. Следует заметить, что вершины линий поглощения, приведенные на рисунке, безусловно, уменьшены спектрометром из-за его хотя и высокой, но все же ограниченной разрешающей способности.

Большая селективность поглощения видимой и инфракрасной

w вне

радиации в атмосфере обусловливает непригодность большинства экспериментальных и теоретических данных о функциях поглощения радиации для оценки поглощения излучения ОКГ в атмосфере. В пределах окон прозрачности атмосферы можно найти большое количество слабых линий, существенно поглощающих монохроматическую радиацию. Для расчета поглощения излучения ОКГ требуется точность определения положения линий в спектрах поглощения по крайней мере не ниже 0,1 см~1 [Л. 21].

29-10. ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Квантовая электроника позволила решить три очень важные задачи: 1) создать высокостабильные квантовые генераторы радиочастотных колебаний (молекулярные генераторы, атомные стандарты частоты );

2) резко повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры, применяя в ней квантовые усилители с низким уровнем шумов:

3) разработать генераторы монохроматического излучения в оптическом диапазоне частот. Достижения квантовой электроники позволяют по-новому решать многие вопросы радиоэлектроники, в частности вопросы связи и локации.

Онтнческая локация *

При анализе различных информативных систем, работающих в оптическом диапазоне, необходимо учитывать следующие особенности.

Высокое значение частоты позволяет при малых размерах антенных устройств получить высокую пространственную концентрацию электромагнитной энергии, а также большую точность определения координат и высокую угловую разрешающую способность без использования специальных методов обработки сигнала (методов формирования искусственного раскрыва). Высокое значение частоты позволяет также с очень высокой точностью измерять скорость путем измерения допплеровского сдвига частоты. Приемные устройства оптического диапазона имеют худшую пороговую чувствительность, а передающие устройства - худший к. п. д., чем аналогичные устройства, работающие в радиодиапазоне.

Худшие показатели обусловлены, с одной стороны, причинами принципиального характера.(особенно это относится к чувствительности приемников), с другой - пока еще относительно низким техническим уровнем развития средств квантовой электроники.

. Перечисленные особенности определяют рациональные области использования оптического диапазона для целей локации. В тех случаях, когда требования получения высоких точностей доминируют, а возможность использования высокой пространственной

* Параграф иаписан докт. техн. наук В. М. Сидорииьш.

концентрации энергии в значительной степени компенсирует ухудшение качества системы вследствие худших показателей приемных и передающих устройств, целесообразно использовать локационные системы оптического диапазона. При этом следует отметить, что при работе в атмосфере их характеристики зависят от метеоусловий.

В качестве примеров целесообразного использования систем оптического диапазона можно указать на измерение дальности до различных объектов при нх визуальной видимости и отслеживание с высокой точностью космических объектов, местоположение которых в момент поиска и захвата достаточно хорошо известно.

Вследствие высокой аппаратурной разрешающей способности оптических локаторов нет необходимости производить оценку параметров, и основным режимом работы оптического локатора является режим обнаружения и разрешения.

Величина энергии излучения при обнаружении точечной цели с эффективной отражающей поверхностью о на расстоянии г в секторе обзора, ограниченном телесным углом й, может быть найдена из соотношения

Ее =---- е2кг. (29-46)

Здесь А-площадь раскрыва приемной оптики;

г) - к. п. д. приемной оптики, учитывающий потери в оптической системе;

Еп- энергия порогового сигнала; ее- коэффициент ослабления в атмосфере.

В случае, если размеры цели больше размеров сечения пучка излучения в районе цели (такой случай является типичным при измерении дальности до визуально наблюдаемых целей), потребная энергия излучения может быть определена по формуле

£и = 2п е2сс (29.47)

Здесь р - коэффициент отражения (альбедо) цели.

По поводу величин, входящих в приведенные выражения, необходимо сделать следующие замечания.

Площадь приемной оптики А зависит от допустимых размеров, выбираемых из конструктивных соображений. К. п. д. приемной оптики с учетом потерь в интерференционном фильтре, стоящем на входе приемника, сЗычно лежит в пределах ti = =304-50%.

Величина эффективной отражающей поверхности о зависит от размеров, характера цели и используемой длины волны. Для большинства целей по порядку величины она совпадает со значением о в радиодиапазоне. Коэффициент отражения р, как и а, зависит от характера цели. Значение р для длин волн используемых в настоящее время лазеров лежит в пределах 0,2-0,9.