5. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ЛИУ

Эффективность работы ЛИУ при использовании их в условиях приземной атмосферы значительно снижается. Это объясняется как явлением ослабления лазерного излучения атмосферой, так и рядом других эффектов, вносимых атмосферой при распространении высоконаправленного когерентного излучения.

В настоящее время в связи с отсутствием достаточного количества экспериментальных материалов и строгой методики точная оценка влияния атмосферы затруднительна. Существующая теория и методы расчета влияния атмосферы на распространение лазерного излучения позволяют приближенно оценить степень ослабления излучения атмосферой для определения требуемой мощности и выбора нужной длины волны.

В общем случае ослабление излучения средой, имеющей коэффициент ослабления а при дальности R определяется законом Бугера:

где — интенсивность излучения до ослабления;

— интенсивность излучения после ослабления;

— коэффициент прозрачности среды, протяженностью в

— коэффициент ослабления в

— дальность в км.

Ослабление излучения происходит под действием следующих факторов:

поглощение молекулами газов, входящих в состав атмосферы;

рассеяние частицами дымки и частицами, из которых состоят туманы и облака.

Поглощение молекулами атмосферных газов селективно и проявляется на резонансной частоте молекул. Основными поглотителями являются озон, углекислый газ и водяной пар, которые имеют ряд полос поглощения в диапазоне волн лазерного излучения. Рассеяние оптического излучения обусловлено присутствием в атмосфере гидрометеоров и водяного пара. Гидрометеоры образуются при определенной концентрации водяных паров при данной температуре. Для характеристики влажности атмосферы вводится понятие водности или эквивалентного слоя воды — длина столба воды, которая получится, если сконденсируется весь пар в слое атмосферы с поперечным сечением в

Рис. XI.22. Прозрачность атмосферы

График прозрачности слоя атмосферы толщиной 1830 м, водность которой 17 мм, при дымке, концентрация которой соответствует прохождению 60% излучения с длиной волны

0,61 мкм, приведен на рис. XI. 22 [5].

В результате избирательного поглощения существуют полосы прозрачности или «окна» прозрачности. С увеличением высоты над уровнем моря ширина «окон» прозрачности атмосферы увеличивается вследствие уменьшения плотности воздуха и количества водяных паров.

Если пренебречь молекулярным рассеянием, учитывая высокую монохроматичность излучения ЛИУ, прозрачность атмосферы можно определить в виде произведения прозрачности атмосферы за счет молекулярного поглощения и рассеяния

где

При рассмотрении суммарного поглощения внутри широкой спектральной полосы Элдер и Стронг [5] заметили, что чем больше эквивалентный слой воды тем меньшее дополнительное

поглощение вызывает приращение эквивалентного слоя воды на величину и предложили использовать эмпирическую формулу

откуда

где — постоянные в интервале интегрирования.

Значения для отдельных участков спектра приведены в табл. XI.2. Экспериментальные графики, соответствующие эквивалентному слою воды до 200 мм, приведены на рис. XI. 23.

Таблица XI.2

Значения параметров и для различных участков спектра

Рис. XI.23. Графики для участков спектра I—VII.

Для определения водности атмосферы используется формула

где — абсолютная влажность у земли;

Н — высота;

R — расстояние.

Источником рассеяния оптического излучения является оптическая неоднородность атмосферы. Основным параметром, определяющим коэффициент ослабления излучения за счет рассеяния является концентрация рассеивающих частиц в атмосфере, для характеристики которой введено понятие дальности видимости R в морских милях.

Существует зависимость

где — коэффициент ослабления для мкм.

В результате были получены коэффициенты ослабления за счет рассеяния для различных метеорологических условий (табл. XI. 3).

Таблица XI.3. Значения коэффициента ослабления для различных метеорологических условий

На рис. XI. 24 показана прозрачность атмосферы на трассе длиной при различной метеорологической дальности и для одинакового эквивалентного слоя воды, равного 17 мм для различных длин волн [5]. Как видно из формулы (XI. 32), характеристики атмосферы в значительной степени определяют величину требуемой мощности лазера ЛИУ.

Рис. XI.24. Прозрачность атмосферы за счет рассеяния при различной метеорологической дальности

Рис. XI.25. Расширение диаграммы направленности: 1 — теоретическая диаграмма направленности; 2 — диаграмма направленности, при затухании 3,5 дб/км, 3 — диаграмма направленности при затухании

Если считать, что для стандартной чистой атмосферы на длине волны излучения 0,63 мкм коэффициент затухания то при дальности действия 10 км требуется в 30 раз большая мощность лазерного передатчика, чем в случае свободного пространства.

Значительное влияние на работу ЛИУ оказывает туман, дождь или снег. В этом случае потери могут превышать 60 дб на расстоянии

2,6 км. При этом наблюдается также существенное искажение диаграммы направленности.

На рис. XI. 25 показано расширение диаграммы направленности при снегопаде различной интенсивности для лазера с мкм, при дальности 2,6 км.

Кроме того, определенные ограничения создает турбулентность атмосферы, обусловленная в основном температурными градиентами, которые приводят к изменению плотности воздуха. Воздействие таких изменяющихся во времени образований с различными коэффициентами преломления проявляется в искажениях фазового фронта волны от когерентного источника, что приводит к флуктуациям сигнала и изменению направления луча. Так как коэффициент преломления зависит от температуры, давления и других факторов, то угловые координаты, измеренные ЛИУ, могут отличаться от истинных координат объекта.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)