Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем

| Категория реферата: Рефераты по технологии
| Теги реферата: особенности реферата, отзыв на дипломную работу
| Добавил(а) на сайт: Кира.

[pic]

Рисунок 2

Зависимость спектрального коэффициента пропускания чистой атмосферы от длины волны
Спектральный коэффициент прозрачности среды протяженностью 1 км (удельное пропускание)

[pic]

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

[pic]

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

Таким образом, выражение Формула 3 принимает следующий вид:

[pic]

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 ((=0,6943 мкм) соответствует «окно прозрачности»
0,6932—0,6945 мкм при (п(=0,0023—0,0069 км-1; (p(=1,19—0,29 км-1, где (п( и
(p( — 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: ((((p( и Та((e-(p(.

Заметим, что закон Бугера (Формула 3) справедлив при (((15—20 км-1.
Например, при ((=25 км-1 отклонение от этого закона составляет примерно
30%.

Очевидно, что в случае активной локации имеет место двукратное прохождение трассы, т. е. общая длина пути, половину которого проходит прямое лазерное излучение ЛЛС, а вторую половину — отраженное от цели лазерное излучение, определяется как L=21=2R.

При этом мощность оптического сигнала на входе приемника ЛЛС прямо пропорциональна квадрату спектрального коэффициента одностороннего пропускания атмосферы:

[pic]

где Р20( — мощность отраженного оптического сигнала на входе приемника ЛЛС при ее работе в свободном пространстве.

Следовательно, в интервале малых дальностей (RRг), т. е. при работе по точечной цели, дальность действия ЛЛС в атмосфере

[pic]

Формула 6-7

Формула 4-7 свидетельствуют о том, что ослабление мощности лазерного зондирующего и отраженного оптических сигналов атмосферой приводит к уменьшению отношения сигнал/шум на входе приемника ЛЛС; это, в свою очередь, снижает дальность лазерного обнаружения цели.

На практике для определения коэффициента Та( при работе в «окнах прозрачности» атмосферы пользуются эмпирической формулой

[pic]