ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ (КВАНТОВЫЕ) СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задачи, решаемые с помощью ОЭС

2. Краткий исторический очерк

3. Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами

4. Основные энергетические и фотометрические величины

5. Основные характеристики излучателей

6. Типовая структура ОЭС и основные его характеристики

7. Фоны их общая характеристика

8. Ослабление оптического излучения в атмосфере

8.1 Молекулярное поглощение излучения

8.2 Методы расчета МП

8.3 Аэрозольное ослабление оптического излучения

8.4 Релеевское рассеяние излучения

8.5 Атмосферная рефракция и турбулентность

9. Пример оценки контрастов малоразмерных объектов

10. Оптические материалы

10.1 Показатель преломления

10.2 Пропускание, отражение

10.3 Физические свойства материалов

10.4 Используемые оптические материалы

10.5 Нетрадиционные оптические материалы на основе стекла

11. Оптические фильтры

11.1 Классификация оптических фильтров

11.2 Характеристики оптических фильтров

11.3 Основные типы оптических фильтров

12. Оптические системы формирующие изображение в ИК области спектра

12.1 Зеркальные телескопические системы

12.2 Зеркально-линзовые телескопы

12.3 Вспомогательные оптические элементы

12.4 Формирование изображения, аберрации

13. Детекторы оптического излучения

13.1 Характеристики детекторов оптического излучения

13.2 Типы детекторов излучения

13.2.1 Фотонные приемники

13.2.2 Тепловые приемники излучения

13.3 Промышленные образцы приемников

14. Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС)

14.1 Трехфазный ПЗС

14.2 Двухфазный ПЗС

14.3 Приборы с инжекцией заряда (ПЗИ)

15. Системы охлаждения приемников излучения

15.1 Охлаждение сжиженными газами

15.2 Охлаждение за счет эффекта Джоуля -Томсона

15.3 Криогенные машины

15.4 Термоэлектрическое охлаждение

16. Сканирующие системы

16.1 Траектории сканирования при регулярном поиске

16.2 Типы сканирующих устройств

16.3 Оптико-механическое сканирование

17. Анализаторы изображения - растровая модуляция

17.1 Классификация и принцип действия растровых анализаторов

17.2 Амплитудная модуляция

17.3 Частотная модуляция

17.4 Фазовая модуляция

17.5 Амплитудно-частотная модуляция

17.6 Импульсно-частотная модуляция

17.7 Амплитудно-фазовая модуляция

17.8 Частотно-фазовая модуляция

18. Технические основы систем лазерного зондирования

18.1 Применение технологии флуоресцентного анализа в других практических задачах

18.2 Источник фемтосекундного импульсного излучения в атмосфере

Ниже рассматриваются общие вопросы построения и применения оптико-электронных и квантовых систем и устройств (ОЭС) с учётом динамики внешних условий.

Оптико-электронными принято называть системы и устройства, в состав которых входят как оптические так и электронные узлы, причем и те и другие служат для выполнения основных задач, решаемых данным прибором, т.е не являются вспомогательными звеньями (примеры вспомогательных звеньев - это элементы осветительных, отсчетных и т.п. устройств).

Сущность физических процессов, определяющих действие ОЭС, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой и, в частности, энергии излучения оптического диапазона спектра в электрическую. Т.о. действие ОЭС основано на приеме электромагнитного излучения во всей оптической области спектра, которая включает диапазон длин волн от 1 нм до 1 мм. В последнем выделяют участки ультрафиолетового (0.001 -0,38 мкм), видимого (0,38-0,78 мкм) и ИК (0,78-1000 мкм) излучения (см. структуру спектра электромагнитного излучения).

1. Задачи, решаемые с помощью ОЭС

С помощью ОЭС контактными и дистанционными методами получают информации

о размерах,

форме,

положении,

энергетическом состоянии тел-объектов наблюдения, обнаружения, исследований

Указанные задачи реализуются в результате приема излучения в нужном спектральном диапазоне длин волн, при заданных ракурсах и поле зрения с получением на выходе приемника излучения электрического сигнала, который обрабатывается с целью выделения из шумов для последующего информационного анализа.

Начало развития ОЭС как мощного инженерно-физического направления техники мы вправе отнести к сороковым годам ХХ века, поскольку именно в этот период удалось перейти от уровня простейших приборов, рассчитанных только на пассивный метод работы /т.е. на прием видимого и теплового излучения нагретых объектов/ к отработке принципов построения квантовых оптических локационных систем, использующих в своей основе источники когерентного излучения - лазеры.

ОЭС могут быть квалифицированы по следующим признакам:

рабочей области спектра (УФ, видимая, ИК);

способу формирования информационного поля или типу источника излучения;

способу обработки (использования) информации;

Спектр электромагнитного излучения

решаемой задаче;

ширине рабочей полосы длин волн и т.д.

Способ формирования информационного поля определяется, прежде всего, типом источника излучения и, в связи с этим, различают:

пассивные ОЭС, воспринимающие либо собственное излучение наблюдаемого участка пространства, либо совокупность собственного и отраженного излучения (доля последнего формируется солнцем, луной, звездами и т.д);

активные ОЭС, в которых используется искусственный источник подсветки исследуемого участка пространства при последующем информационном анализе сигналов, сформированных при приеме отраженного объектом излучения в строго выделенном спектральном диапазоне;

комбинированные, в которых задействованы оба из обозначенных выше методов.

Способ обработки (использования) информации определяет:

автоматические ОЭС,

индикационные ОЭС, в которых информация выдается в виде, пригодном для принятия решения человеком-оператором.

Исходя из решаемых задач ОЭС подразделяется на:

пеленгационные (определение положения объекта в пространстве наблюдения).Сюда относятся оптические пеленгаторы, оптические головки самонаведения.

наблюдательные (тепловизионные, приборы ночного видения и т.д.),

локационные (дальномеры, измерители скоростей и т.д.),

фотометрические приборы широкого и специального применения для оптико-физических измерений (фотометры, нефелометры и т.д).

С учетом ширины рабочей области длин волн ОЭС подразделяют на:

интегральные (радиометры, тепловизоры и т.д.),

спектральные (спектрометры, спектрорадиометры и т.д.).

Учитывая особенности квантовых систем и устройств, при их классификации выделяют:

квантовые стандарты длины, частоты и времени;

квантовые усилители;

преобразователи частоты лазерного излучения;

лазерные модуляционные устройства;

лазерные системы (лидары, лазерные доплеровские измерители скорости, системы связи, гирометры и т.д.).

2. Краткий исторический очерк

Широкое практическое использование ОЭС стало возможным только начиная с 30-40х годов XX века, когда были достигнуты первые ощутимые результаты в технологиях создания оптических материалов для различных диапазонов спектра и, прежде всего, в разработке приемников излучения, обладающих высокой чувствительностью в тех же областях длин волн.

Исследования свойств оптического излучения ведутся очень давно. Ещё в XVIII В.И. Ньютон описал опыты по разложению белого света на квазимонохроматические составляющие. Одна из первых теорий, объясняющих с физических позиций наблюдаемые оптические явления, была разработана Декартом (XVII век) и затем Ньютоном и основывалась на представлении света как совокупности корпускул-мельчайших частиц эфира, распространяющихся вдоль определенных траекторий - световых лучей. В этот же период появились первые работы Гюйгенса, в которых была сделана попытка интерпретации тех же явлений на основе понятий световой волны. Теория Гюйгенса длительное время уступала по популярности теории Ньютона и только благодаря исследованиям Юнга и Френеля на рубеже XIX века получила блестящее подтверждение. К концу XIX века Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал, что всякая световая волна является электромагнитным возмущением. Теория Максвелла была блестяще подтверждена опытным путем Герцем.

Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных уравнений, явилась вершиной классического этапа развития оптики.

Второй этап тесно связан с преобразованиями, которая оптика претерпела в начале XX века. В 1905 году Эйнштейн на основе теории Планка возродил корпускулярную теорию света в новой форме. В 1916 году



он же предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня Е_в на нижний Е_н и сопровождающее этот акт излучение могут происходить не только самопроизвольно: под влиянием внешнего электромагнитного поля возбужденный атом может преждевременно освободится от избытка энергии путем излучения фотона Такое излучение было названо вынужденным, индуцированным. Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома.Таким образом, в результате взаимодействия возбужденного атома, готового испустить фотон h= Е_в - Е_н, с фотоном получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца. Пролетающий фотон как бы стряхивает с возбужденного атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергии и результирующая волна имеет амплитуду большую, чем падающая.Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно.

Успешно подтвержденная гипотеза Планка о квантовой природе излучения света и гипотеза Эйнштейна (1916) в сочетании с успехами радиотехники и потребностями практики послужили базой для изобретения оптических квантовых генераторов и рождения интенсивно развивающейся новой области науки -квантовой электроники.

На возможность использования индуцированного излучения для наблюдения отрицательного поглощения (т.е. усиления) веществом, впервые указал в 1940 году В.А.Фабрикант.

Много сил инженерами различных стран было затрачено на создание генераторов максимально коротких волн. Длина волны наиболее коротких волн, полученных радиотехническими средствами, составляет величину порядка 1000 мкм. Попытки получить ещё более короткие волны натолкнулись на непреодолимые трудности изготовления миниатюрных резонансных систем, размеры которых должны быть порядка длины волны.

Решение последней проблемы возможно на пути использования в качестве резонаторов непосредственно атомов и молекул, имеющих самые разнообразные частоты колебания. Таким образом, такая проблема стимулировала создание нового типа прибора - квантовых генераторов излучения для генерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.

Отметим здесь, что термин "ОКГ" не бесспорен, поскольку генератором оптических (некогерентных) квантов является и горящая спичка. Поэтому для обозначения обсуждаемого класса излучателей наибольшее применение нашел термин "Лазер", сформированное из первых букв английской фразы "световой усилитель с помощью вынужденного излучения" по аналогии со своим предшественником, названным "Мазер", который относится к первым СВЧ генераторам, разработанным проф. Колумбийского университета Е.Таунсом в 1954 году и использовавшим явление вынужденного излучения.

Начало основного технологического прорыва в оптическом приборостроении следует отнести к 1920-1930 гг., когда был создан ряд искусственных источников УФ и ИК излучения. Чуть позднее появились первые многокаскадные фотоумножители, первые фоторезисторы, чувствительные в ИК-области спектра.

Успехи и интенсивность разработок в области оптоэлектроники (раздела науки и техники, исследующей процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, хранения и т.д. информации) в этот и последующий периоды в значительной степени были стимулированы расширением военных применений ОЭС. Здесь в конце XX века отчетливо проявилась тенденция к комплексированию в аппаратуре одного и того же назначения нескольких каналов, работающих как в оптическом, так и в радиодиапазоне, что оказывает подчас решающее значение, например, в повышении достоверности показаний дистанционных систем наблюдения или управления, в которых оператору или автомату-дешифратору в каждом конкретном случае предъявляется взаимодополняющий набор информационных признаков для принятия максимально правильного решения.

3. Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами

Сравнение позволяет выделить ряд неоспоримых преимуществ ОЭС по отношению к радиоэлектронным приборам, которые вытекают из различий диапазонов спектра электромагнитных волн.

Действительно, если вспомнить, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны к диаметру входного зрачка D, т.е. /D, то легко объяснить более высокую разрешающую способность ОЭС. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных измерений, ограничиваемая разрешающей способностью ОЭС, а также их преимущество по массо-габаритным показателям. Отметим в этом случае и то обстоятельство, что для формирования диаграммы направленности радиоизлучения с расходимостью 0,1 на длине волны =1 м необходимо антенное устройство с размерами 1 (100 м), с тех же позиций в оптическом диапазоне длин волн диаметр формирующего поток излучения объектива с подобной расходимостью может иметь размеры в десятки мм или единицы сантиметров.

Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, в видимом диапазоне частота световых колебаний в млн раз превышает частоту волн в радио и телевещании. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала. (Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот 5 Мгц. Поэтому в метровом диапазоне (=1 м.,300 Мгц.) можно передать лишь около 10 телевизионных программ, в оптическом диапазоне при том же отношении сигнал/шум - это число возрастает в млн.раз).

Передача информации в оптическом диапазоне осуществляется фотонами, которые в отличие от электронов - электрически нейтральные частицы, не взаимодействующие между собой и внешними полями. Это допускает возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищённость.

К числу других достоинств ОЭС следует отнести возможность двойной (пространственной и временной) модуляции излучения, а также близкую для восприятия человеком визуальную форму представления информации. Однако с представленными преимуществами должен быть назван ряд недостатков оптического диапазона длин волн, в частности, большее ослабление излучения в атмосфере, значительное число фоновых помех от естественных и искуственных источников.

4. Основные энергетические и фотометрические величины

Простейший вид излучения - монохроматическое, т.е. излучение характеризуемое очень узким интервалом длин волн. ₁- (₁ при 0. Монохроматическое излучение можно характеризовать и частотой , причем связь последней с длиной волны определяет соотношение (с-скорость света).

Спектральный состав излучения, т.е. распределение электромагнитной энергии по длинам волн или частотам является как качественной характеристикой, так и количественной при определении облученности входного зрачка ОЭС.

Определим основные энергетичекие величины оптоэлектроники:

Лучистый поток Ф_е - средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время значительно большее периода электромагнитных колебаний

[Вт]

/ 1 Вт = 10^-7эргс^-1= 0234 кал.с^-1=6,2410¹⁸ эВ с^-1/.

При расчетах ОЭС особый интерес также представляют:

Энергетическая светимость (поверхностная плотность излучения) М_е: отношение испускаемого поверхностью по одну сторону от себя (т.е. - в полусферу) полного лучистого потока к площади этой поверхности

//

Облученность или энергетическая освещенность (плотность мощности) Е_е определяет отношение лучистого потока dФ, падающего на какую-либо поверхность, к площади этой поверхности dS₂

Энергия излучения

//

Сила излучения или энергетическая сила света - отношение лучистого потока dФ к телесному углу , в пределах которого он распространяется

Лучистостью или энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении силы излучения к видимой площади излучающей поверхности

Для плоских излучающих поверхностей, имеющих лучистость, одинаковую во всех направлениях действует закон Ламберта



откуда

Закон Ламберта справедлив только для АЧТ, а также идеально рассеивающих поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта

Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах чувствительности человеческого глаза.

Световой поток

,

где - максимальное значение так называемого коэффициента видности

, (= 683 лмВт^-1)

 -

относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с кривой видности человеческого глаза, максимум которой расположен в зеленой области спектра (0,555 мкм).

Соответственно различают:

Световую энергию /1 лмс=1 тальбот/

Силу света

Светимость /1лк=1лмм^-2=10^-4фот/

Яркость .

Основные характеристики излучателей

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон. Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).

Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) - отношением его энергетической яркости к энергетической яркости АЧТ при той же температуре.

Тепловой излучатель для которого величина () не зависит от длины волны называется неселективным и, наоборот, при условии =f() мы имеем дело с селективным излучателем (см.рис.1).

Световым КПД излучателя называется отношение

Световая отдача К_св - это отношение М к величине энергетической светимости

Яркостная температура - это температура черного тела, при которой оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело (излучатель)

Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает закон Планка

, (1)

где С₁=3,741510^-16Втм², С₂=1,4387910^-2мК

Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-Больцмана:

(2)

т.е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в четвертой степени (=5,6697110^-8Вт м^-2к^-4 - постоянная Стефана-Больцмана).

Экстремум функции (1) определяет закон Голицина -Вина

(3)

( - [мкм], Т-[K])

Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой Т_З290 К. Видно, что эта величина близка в то время как для Солнца (Т6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.

Для удобства использования в расчётах соотношения (1) в справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая получается заменой в (1) переменных на

.

Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к кривой Планка необходимо:

Определить по (3)

Определить

для выбранных определить

найти y(x) и в заключение-

.

Полезно отметить, что для длин волн величина изменяется пропорционально Т, а в области - увеличивается пропорционально Т⁵.

Взяв производную , можно найти длину волны , при которой скорость изменения максимальна.

В частности,

(4)

Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.

Практически для большинства видов ОЭС на стадии создания разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность) характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно - систему "объект-фон-атмосфера-прибор-оператор". В указанной системе соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т.е. фона) или, как принято, их определять, контраст объекта

(5)

и его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при определении конструктивных особенностей самой ОЭС.

Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по амплитуде за счёт влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного излучения.

Таким образом в системе наблюдения ОЭС-объект необходимо рассматривать следующие составляющие части трассы визирования:

Непосредственно с ОЭС связаны следующие части оптического канала:

оптическая система (зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая), которая осуществляет формирование изображения наблюдаемого участка пространства, фотоприемное устройство, которое состоит из приемника оптического излучения и предусилителя, сигнал с которого подается в электронную систему обработки и видеоконтрольное устройство.

В последнем случае заключает канал ОЭС оператор, на принятие решения которым (с этим также следует считаться) влияют свойства зрительного восприятия (т.е. глаза)- психофизические свойства человеческого мозга.

Количественную оценку свойств и эффективности ОЭС в том или ином режиме его применения осуществляют с помощью ряда основных характеристик, в числе которых:

Пороговая чувствительность - это наименьшая величина потока излучения, наименьшая величина освещенности, при воздействии которой на входной зрачок оптической системы прибора, обеспечивается заданная вероятность выполнения основной функции прибора (обнаружение объекта, точность слежения, адекватность восприятия изображения и т.д.).

В тех случаях, когда необходимо характеризовать непосредственно фотоприемник, то говорят об обнаружительной способности - величине обратно пропорциональной пороговой чувствительности. В практике создания ОЭС, работающих в тепловой области спектра удобно характеризовать качество изделия способностью различать минимальную разность температур двух участков наблюдаемого тела. Эта характеристика, типичные значения которой изменяются в пределах 0,01-0,5, наиболее информативна и наглядна в инженерной практике.

Пороговому значению чувствительности естественно соответствует предельное значение отношения сигнал/шум S/N ОЭС, при котором возможна работоспособность прибора.

Дальность действия - определяется порогом чувствительности ОЭС и характеризует максимальную дистанцию (или определённый диапазон дистанций), на который при строго определенных внешних условиях реализуется основная функция прибора.

Поле обзора - телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого реализуется основная функция прибора, например для систем наблюдения - возможность различать объект. Для систем сканирующего типа поле обзора формируется как совокупность мгновенных полей зрения.

Мгновенное поле зрения - это телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого ОЭс фиксирует часть пространства с заданным пространственным разрешением в данное время t, при условии, что обзор всего пространства занимает интервал времени t₀=t.

Время обзора t₀- время осмотра поля обзора. Иногда задают число кадров- величину, определяющую телевизионные системы и частоту обновления информации. Мгновенное поле ОЭС определяется размером входного зрачка и так как всегда в приборе присутствует полевая диафрагма, её размером и фокусным расстоянием объектива.

7. Фоны, их общая характеристика

Основные свойства фонов рассмотрим для классов ОЭС, работающих на естественных оптических трассах в приземном слое воздуха, с авиационных и космических носителей. Подобный подход означает лишь тот факт, что внимание будет уделено практике применения ОЭС для наблюдения удаленных объектов.

Практически для всех случаев следует подчеркнуть, что классифицировать большинство источников излучения (объектов наблюдения) как цель или фон затруднительно, так как в зависимости от задачи, решаемой ОЭС, один и тот же объект может быть как фоном, так и целью. Например, облака - фон, мешающий пеленгации стартующих с поверхности земли ракет и эти же облака - цель для ОЭС, устанавливаемых на космических аппаратах -спутниках погоды. Вместе объекты и окружающий их фон образуют поле излучений - фоноцелевую обстановку (ФЦО), спектральные характеристики которой изменяются в пространстве и во времени. Для систем обнаружения и распознавания одной из основных функций является оперативный анализ ФЦО, завершающийся выделением из шума сигнала реальной цели. Эта задача осложняется тем, что если источником полезного сигнала является только излучение реального объекта - цели, то источником шума могут быть излучения как естественного фона, так и ложных целей, собственное излучение оптической системы, шум приемника и усилителя сигнала, а также флуктуации параметров всех элементов ОЭС.

Данные в ФЦО необходимы для решения следующих задач:

создания моделей типовых целей и алгоритмов обнаружения, распознавания и сопровождения, целей с разделением их по приоритетности;

управления основными оптическими параметрами объекта для их оптимизации при создании малозаметных целей, например, по технологии, определяемой в зарубежной практике как "Стелс-технология"

имитации и моделирования различных режимов работы ОЭС на стадии отработки конструкции и, в том числе, в плане решения задачи снижения стоимости прибора;

разработки системы идентификации объектов сложной конструкции в автоматическом режиме за счет фильтрации фона и корреляции путем сравнения характерных параметров принимаемого изображения и эталона цели.

Объем информации о ФЦО, необходимый разработчикам ОЭС, зависит от типа и назначения прибора. Например, является ли прибор пассивным или активным. При этом по мере увеличения средств радиоэлектронного противодействия, по единодушной оценке, специалистов все шире будут использоваться комбинированные пассивно-активные многоспектральные ОЭС.

В виде таблицы дадим иллюстративный пример комплексирования различных диапазонов длин волн для получения требуемой информации о летательных аппарата.

ОЭС комбинированного типа из двух датчиков	Объект обнаружения	Информация, которая должна быть получена
Коротковолновый. + длинноволн. ИК диапазон ИК диапазоны Коротковолн. + Видимый ИК диапазон диапазон УФ диапазон + Видимый диапазон	Факел Холодные Объекты Аэродинамические цели	Высота полёта цели, величина тяги, состав топлива Габариты, форма конструкции, ориентация относительно солнца, температура корпуса Состав топлива

Примеры исходных условий наблюдения:

Излучение мощных ракетных двигателей на активном участке полета сконцентрировано в области 2,7 и 4,26 мкм и характеризуется температурой 1400 К. При этом сила излучения факела может достигать (1…8)10⁶втср^-1, что на несколько порядков превосходит силу фонового излучения. На заключительном этапе активного участка, при разделении головной части ракеты, двигательные установки отдельных субэлементов существенно маломощны, сила их излучения 30-100 втср^-1, а температура нагрева поверхности 300 К, что сравнимо с тепловым фоном Земли. В данном случае удобнее различать такие субэлементы на фоне "холодного" космоса, температура которого 4 К.

В системе УФ/видимый каналы условия наблюдения существенно изменяются - здесь должны учитываться факторы отражения солнечного излучения корпусом, минимальный контраст холодной цели в УФ и наличие здесь информационного сигнала от неё в том случае, если действует двигательная установка (ДУ) / минимальный контраст цели без ДУ в УФ обусловлен практически полным поглощением излучения озоном атмосферы в области 0,22 мкм и резким снижением в области длин волн короче 0,3 мкм коэффициентов отражения современных конструкционных материалов/.

Как уже отмечалось, фоновые образования являются сложными нестационарными источниками, оптические характеристики которых зависят от многих причин:

условий освещения,

географического положения,

сезона,

метеоусловий,

типа подстилающей поверхности, времени и т.д.

Поэтому наиболее адекватные результаты описания фонов могут быть получены только на основе статистического анализа экспериментальных данных с выделением дисперсии, коэффициентов корреляции, средних величин и т.д.

С учетом излучения Солнца и температурного режима естественных источников излучения на Земле в общем потоке радиации воспринимаемой ОЭС в диапазоне длин волн 3…3,5 мкм доминирует отраженное излучение - это так называемая подсветочная область спектра. В области > 5 мкм преобладает собственное излучение объектов и фонов. Участок длин волн 3-5 мкм -как бы переходный.

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.. На рисунках приведено положение основных полос поглощения основных атмосферных газов.

8.2 Методы расчета МП

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

(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 () с учетом каждой из сотен линий поглощения в пределах интервала ;

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 осуществляются с разрешением по спектру длин волн для интервалов=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 к одной достаточно сложной формуле

, (4)

где

d-среднее расстояние между линиями, I(x) - функция Бесселя, - полуширина спектральной линии, S-её интенсивность, - 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 характеризует модель полосы поглощения в виде случайно расположенных в её спектре полос Эльзассера.

В этой модели

, (5)

где N - число наложенных друг на друга полос Эльзассера.

Для j -полосы полуширина линии, _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 для основных абсорбентов атмосферы - паров воды и углекислого газа.

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

(6)

где - коэффициент, определяющий интенсивность поглощения в области _i /определяется из эксперимента/, m и n - эмпирические параметры, - количество поглощающего газа на трассе, p - давление, равное сумме давлений (поглощающегося и т.н. уширяющегося газа). Соотношение (6) отвечает однородной горизонтальной трассе визирования. В общем случае

(7)

где _эфф- эффективная поглощающая масса газа, определяемая интегрированием по оптической трассе L с учетом реальной стратификации поглотителя в атмосфере.

Известен также графический метод расчета , который базируется на использовании соотношения (7). Действительно, можно показать, что (7) соответствует:

(8)

В основной системе координат на лучах, исходящих из её центра, нанесён спектр:

, (9)

который используется для поиска луча в системе координат, представляющей график зависимости . Принцип её построения для отдельной области спектра показан на рис..

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

СО₂3,410^-2 %,

СО(1-20)10^-5 %,

CH₄1,410^-2%,

N₂O(2,5-6)10^-3 %,

O₂,=20,95%

Н₂О(2-40)10^-2 %.

Поглощающую массу газа с постоянной концентрацией будем определять в соответствии с (6). Тогда для горизонтальной трассы L(км), расположенной на высоте h(км)

, [cм] (10)

где q_h - относительная эффективная концентрация, определяемая соотношением:

(11)

при условии, что функция давления в атмосфере определяется барометрической формулой:

(12)

Для паров воды в приземном слое воздуха

(13)

где е - парциальное давление паров воды,

T - температура в К.

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

, (14)

где в пределах (0-85) от вертикали =sec 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 закона Бугера*⁾

высокая спектральная селективность Закон Бугера применим при молекулярном поглощении только для монохроматического излучения.

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):

, (15)

Причем

(16)

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

(17)

В (20) присутствует поперечное сечение частицы (r²), n_r - количество рассеивающих частиц и K₀ - эффективный коэффициент рассеяния, являющийся функцией относительного радиуса частицы

и показателя преломления m=n-i. 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,. 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 40 % 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 воды (раствора).

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

, (18)

где n -эмпирический коэффициент.

Позднее специальными исследованиями было показано, что формула Ангстрема на основе незначительного усложнения может быть распространена на широкую область длин волн. В этой модифицированной трактовке

(19)

В (22) n₀, n₁, n₂ - эмпирические параметры, одинаковые для конкретных

состояний атмосферы т.н. типов оптической погоды, - компонента, независящая от типа оптической погоды, имеющая выраженный селективный ход (физически связана с поглощающими свойствами вещества аэрозоля - его водной оболочки, задается таблично), ₀- 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 =0,55 мкм . Согласно соотношения Кошмидера

, (20)

Коэффициент 3,912 в (20) определяется исходя из возможности человека при заданной контрастной чувствительности глаза различать на расстоянии S_M=L раздельно два предмета. Таким образом, с учетом (6, 17, 21)

имеем: (21)

Аэрозольная и молекулярная компоненты действуют независимо, поэтому, следуя (6,17,21)

(26)

В (26) 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

, (27)

(n - показатель преломления воздуха; _в, _во - плотность влажного и сухого воздуха, N - число Лошмидта, P -деполяризация света).

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

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 _в (n-1=k_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 -длина волны, L - расстояние.

Значение R для различных и L даны ниже

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 =810^-9 м^-1/3 -имеем слабую (=1,2 см, =10 м)

С_n =410^-8 м^-1/3 - среднюю и С_n =510^-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 2_r и угловой ошибке . Спектр частот флуктуации лежит в пределах 0,03 Гц…20 Гц.

В заключение иллюстрируем представленные выше сведения.

Дает представление о пространственно-временных изменениях показателя в пыледымовых облаках различного происхождения. В частности поперечные разрезы (L) облака маскирующей аэрозольной завесы (МЗ). Показан эффект изменения спектра размеров частиц при удалении от оси шлейфа МЗ.

Приведены частотные спектры вариаций показателя в МЗ, создаваемых генераторами различных конструкций (1…6).

Иллюстрирует спектральный ход оптической плотности ряда известных дымообразующих составов, используемых для создания МЗ (L₃ -геометрическая ширина МЗ)/

Наконец таблица ниже иллюстрирует эмпирическую модель спектральных показателей аэрозольного ослабления , 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	Относите-льная влажность, %	SM, Км	n0	n1	n2
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

На рис.25 представлена демонстрация возможности одностороннего преимущества при постановке М3, связанного с тем, что противнику не известна область спектра, где 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() 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.

Типичная погодная ситуация накопления СО в приземной атмосфере - зима, инверсия температуры, наличие интенсивных источников угарного газа -автомобилей и отопительных систем. Причем 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 сравнение (оценки специалистов США) модель, предлагаемую с учетом соотношения (22) (кривые , для возможных вариаций ). 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_ср50 км/час)

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 ) и температура объектов и подстилающих поверхностей известны.

Значения коэффициентов черноты некоторых конструкционных материалов в области спектра 8-13 мкм
Материал	Коэффициент черноты (1-)=
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 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 =(1-)=0,8-0,99. В области спектра 8-14 мкм альбедо подстилающей поверхности наиболее низко для песка (1-)=0,8 и близко к 1 для мокрых почв и водной подстилающей поверхности.

В области 8-13 мкм естественные препятствия имеют значение альбедо , 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).