Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем

Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем

Дальность лазерной локации. Дальность действия лазерного локатора в условиях земной атмосферы ограничивается особенностями распространения оптических сигналов (зондирующих и отраженных) на трассе локации. Обычно атмосфера (особенно тропосфера) имеет локально неоднородную структуру (пыль, тепловые флуктуации ее параметров, загрязнения воздуха и т.п.), что приводит к поглощению и рассеянию, т.е. к ослаблению лазерного излучения при его распространении. В отличие от РЛС[1] при работе ЛЛС[2] в атмосфере поле на оси пучка первичного лазерного излучения при достаточно большом удалении от передатчика лазерного локатора почти полностью определяется рассеянной компонентой излучения. Кроме того, наличие неоднородностей среды вызывает значительную пространственную диффузию энергии лазерного излучения в направлении от оси излучения: лазерный пучок по мере удаления от источника излучения расплывается в пространстве. Это приводит к дополнительному ослаблению лазерного излучения на оси пучка, что, в свою очередь, обусловливает дополнительное уменьшение дальности действия, а также угловой точности и разрешающей способности лазерного локатора.

Для приближенных расчетов оптические среды, в которых распространяется поток монохроматического (лазерного) излучения, считают однородными (изотропными). При этом зависимость ослабления от длины волны излучения в среде может иметь как селективный, так и не селективный характер.

Рассмотрим основные закономерности ослабления лазерного излучения в оптической среде. Пусть пучок параллельных лучей монохроматического потока излучения на длине волны l входит в слой однородной среды толщиной (протяженностью) l (Рисунок 1). Предполагая, что частицы среды ослабляют поток излучения независимо друг от друга, можно представить изменение (уменьшение) его величины при прохождении слоя среды толщиной dl соотношением

Формула 1

где sl — коэффициент ослабления потока монохроматического излучения, зависящий в общем случае от свойств среды и длины волны, км-1; dl — толщина элементарного слоя среды, км.

При интегрировании Формула 1 по l для случая однородной оптической среды получим известное выражение закона Бугера:

Формула 2

где Fll — поток монохроматического излучения на выходе слоя среды.

На основании Формулы 2 можно записать выражение закона Бугера через интенсивность излучения:

Формула 3

где J0l, Jll — интенсивности монохроматического излучения до и после прохождения слоя среды, Вт/стерад.

Спектральный коэффициент прозрачности среды протяженностью 1 км (удельное пропускание)

Произведение называют оптической толщиной слоя среды, а экспоненциальный множитель в выражении Формула 3

—спектральным коэффициентом пропускания (прозрачности) оптической среды. Зависимость Tal=f(l) для атмосферы имеет селективный характер (Рисунок 2).

Таким образом, выражение Формула 3 принимает следующий вид:

Рассмотрим основные факторы, определяющие величину ослабления (затухания) лазерного излучения в атмосфере Земли. Такими факторами являются селективное молекулярное поглощение и рассеяние, а также селективное рассеяние на частицах (аэрозолях). Как известно, атмосфера Земли представляет собой оптическую среду, состоящую из смеси газов и водяного пара со взвешенными в ней посторонними твердыми и жидкими частицами — аэрозолями (капельки воды, появляющиеся при конденсации водяного пара, пылинки, частицы дыма и т. п.), размер которых колеблется от 5-10-6 до 5-10-3см. Азот (78%) и кислород (21%) являются основными постоянными компонентами приземного слоя атмосферы. На долю других газов (углекислый газ, водород, озон, аргон, ксенон и др.) приходится менее одного процента объема. На оптические свойства (прозрачность) атмосферы в основном влияют вода в газовой и жидкой фазах, углекислый газ, озон, а также аэрозоли. Содержание их в атмосфере Земли различно на разных высотах, в разных географических районах и зависит от метеорологических условий. Кроме того, состав атмосферы непрерывно меняется из-за турбулентности, т. е. хаотических вихревых движений слоев атмосферы. Концентрация водяного пара в атмосфере зависит от географического положения района, времени года, высоты слоя атмосферы, местных метеоусловий и колеблется по объему от 0,001 до 4%. Основное количество водяного пара сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое и резко уменьшается с дальнейшим увеличением высоты.

Концентрация СО2 при увеличении высоты от 0 до 25 км меняется незначительно: от 0,03 до 0,05% по объему. Концентрация же озона по высотам неравномерна. Основная его часть находится в слоях атмосферы на высоте 15—40 км с максимумом концентрации на высоте до 25—30 км (более 0,001%); в нижних слоях атмосферы (высота до 20—25 км) концентрация озона не превосходит 10-5%. Оксид углерода имеет полосу поглощения на длине волны 47 мкм; озон — слабую полосу поглощения при 4 мкм и сильную на длинах волн 4,5 и 7,8 мкм.

Ослабление излучения в атмосфере обусловлено не только его поглощением, но и рассеянием. Вследствие оптической неоднородности атмосферы возникают преломление, отражение и дифракция электромагнитных колебаний на этих неоднородностях. Если размеры частиц, взвешенных в атмосфере, малы по сравнению с длиной волны колебаний, то происходит молекулярное рассеяние, которое подчиняется закону Релея. Согласно этому закону интенсивность рассеяния излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Молекулярное рассеяние значительно в видимой и инфракрасной областях спектра. Ослабление излучения в результате релеевского рассеяния может быть во много раз больше, чем молекулярное поглощение. При размерах частиц, соизмеримых с длиной волны излучения, наблюдается дифракционное рассеяние. Этот вид рассеяния является несимметричным: вперед рассеивается больше энергии излучения, чем назад. Если размеры частиц много больше длины волны, то происходит геометрическое рассеяние, которое проявляется главным образом в инфракрасной области спектра оптических излучений. В реальной атмосфере имеют место все три вида рассеяния, поскольку в ней присутствуют частицы почти всех указанных размеров. Наибольшее рассеяние лучистых потоков наблюдается на небольших высотах (до 1000 м) в городах, где дым промышленных предприятий и пыль сильно замутняют атмосферу.

Селективный характер поглощения и рассеяния лазерного излучения атмосферой обусловливает наличие в ней «окон прозрачности», которые наиболее выражены в диапазонах волн 0,38—0,9 и 9—13 мкм. С увеличением высоты слоя атмосферы ширина этих «окон» увеличивается. Излучению рубинового лазера (l=0,6943 мкм) соответствует «окно прозрачности» 0,6932—0,6945 мкм при sпl=0,0023—0,0069 км-1; spl=1,19—0,29 км-1, где sпl и spl — коэффициенты ослабления потока монохроматического излучения атмосферой за счет поглощения и рассеяния, км-1.

Следовательно, ослабление лазерного излучения за счет рассеяния примерно на два порядка больше, чем за счет поглощения, что в основном справедливо и для других «окон прозрачности» атмосферы в оптическом диапазоне волн. Поэтому для «окон прозрачности» атмосферы справедливы приближенные равенства: sl»spl и Таl»e-tpl.