Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПОГЛОЩЕНИЕ

К наиболее мощным поглощающим компонентам атмосферы относятся пары воды, углекислый газ и озон. Влияние последнего особенно заметно на высотах 22...27 км над уровнем моря.

В своей совокупности отдельные полосы поглощения излучения компонентами ат­мосферы образуют так называемую картину спектрального пропускания атмосферы, вид которой зависит от концентрации поглощающих веществ, изменяющихся с высо­той трассы, а часто и по длине трассы, и других факторов. Можно отметить существо­вание отдельных участков спектра (окна прозрачности атмосферы), внутри которых поглощение в чистой атмосфере очень слабо. В ИК-диапазоне такими окнами являют­ся: 0,95...1,05; 1,2...1,3; 1,5...1,8; 2,1...2,4; 3,3...4,2; 4,5...5,0; 8...13 мкм (рис. 3.1). Внутри этих окон имеются узкие линии поглощения (см. [24, 25,51 и др.]), которые нужно учитывать при работе с монохроматическими источниками - лазерами. Иногда границы окон объединяют, например, пренебрегая узкими полосами поглощения на 3,2; 4,3; 4,8; 9,4; 10,4 мкм и др., говорят об окнах 3...5 или 8... 13 мкм.

0 (,°С

10

20

Рис. 3.2. Связь между абсолютной влажностью, толщиной слоя осажденной воды для трассы в 1 км и температурой атмосферы на трассе

Рис. 3.1. Пример картины пропускания атмосферы для приземной трассы длиной 1 км

Пользуясь данными о концентрации поглощающих компонент на трассе распро­странения излучения, можно с помощью специальных таблиц [51, 151 и др.] найти зна­чения кп() и тп(Х.). Для приближенных расчетов часто можно использовать упрощен­ные методы, например метод, основанный на определении толщины осажденного слоя воды, которая представляет собой толщину слоя сконденсированных до жидкого со­стояния паров воды, содержащихся в оптической трубке с поперечным сечением, рав­ным сечению распространяющегося пучка, и длиной, равной длине трассы распростра­нения.

Между толщиной и-о слоя осажденной воды, приходящейся на 1 км трассы, темпера­турой атмосферы /°С и ее абсолютной влажностью ан существует определенная связь

(рис. 3.2). Зная относительную влажность аотн и температуру Т в кельвинах, можно оп-

_ - з

Ределить значение ан (в г м ) как

Аотн 125,22 (Г-273,16)

Ап = -^ехр^ —-— --------- -—- - 5,31 In

Толщину всего слоя осажденной воды w = w0l на трассе длиной I можно ввести в показатель экспоненты в формуле для т„(/) и вычислить значение последнего. Полный коэффициент пропускания в атмосферных окнах, где отсутствует поглощение газовы­ми компонентами, можно определить, зная величину w (см., например, рис. 3.3).

Для расчета коэффициента пропускания тп(А.), обусловленного поглощением, до­вольно распространен метод учета отдельных составляющих поглощения с последую­щим их объединением и несколько более приближенный, но и более простой метод, использующий модели земной атмосферы, среди которых наиболее известны модели LOWTRAN, MODTRAN, HITRAN, FASCODE, разработанные в США [151, 178, 196], а также модель, разработанная Государственным институтом прикладной оптики (ГИПО) [25]. Модель LOWTRAN, имеющая обширную базу экспериментально полу­ченных данных, достаточно проста, но обладает сравнительно небольшим спектраль­ным разрешением (порядка 20 см-1), что не позволяет учитывать тонкие линии погло­щения, способные влиять на распространение узкополосного лазерного излучения. Мо­дель FASCODE обладает высоким спектральным разрешением, т. е. учитывает тонкие молекулярные линии поглощения. В этом смысле модель MODTRAN является проме­жуточной. Последние варианты перечисленных моделей позволяют рассчитать не только коэффициенты поглощения, но и коэффициенты рассеяния излучения в атмо­сфере, а также яркость собственного свечения атмосферы - яркость среды (путевую яркость) [178]. Известны и другие модели, например EOSAEL (США), с помощью которой можно рассчитать пропускание при наличии в атмосфере пыли, песка, дыма и ряда других рассеивающих компонент.

Модель ГИПО представляет ко­эффициент тп в виде функции дли­ны волны X, протяженности трассы /, температуры Т, давления Р и со­держания поглощающего вещества w на трассе [1,25]:

Тпа) = ехр(-М-Р-),

Где Рь Ш и пх - эмпирические ко­эффициенты, полученные в ре­зультате математической обработ­
ки результатов многочисленных экспериментов; - эффективное давление, опреде­ляемое суммой парциального давления поглощающего газа и давления азота в атмо­сфере. Для многих практических случаев Дф можно принять равным давлению атмо­сферы, а значения тхи пх - постоянными в пределах отдельных полос поглощения. В литературе (например, [25]) приводятся графические зависимости тп(Л.) для диапазона дальностей / = 4.. .5400 м и диапазона длин волн 0,6.. .25 мкм.

Подводя итог сказанному, можно еще раз отметить, что поглощение излучения име­ет ярко выраженный селективный характер и проявляется в виде полос поглощения или их совокупности, разделенных окнами пропускания с незначительным поглощением. Внутри окон пропускания атмосферы основное ослабление излучения происходит в результате рассеяния.