|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент потерь в атмосфере a может быть представлен в виде трех составляющих, определяемых различными физическими явлениями: поглощением (aп), молекулярным рассеянием (a м) и аэрозольным рассеянием ( aр). Полный коэффициент потерь a определится при этом следующим выражением:
a = a п + a м + a р. (15)
Поглощение газообразными веществами проявляется в виде характерных спектральных полос поглощения, между которыми наблюдаются ?окна прозрачности?. Основными поглощающими газами в видимой и инфракрасной областях спектра при отсутствии техногенных примесей являются водяной пар и углекислый газ, создающие интенсивные полосы поглощения вблизи длин волн 5 мкм и 10 мкм.
Обычно в дальнометрии используют лазеры, длина волны излучения которых лежит в окнах прозрачности. Однако и в окнах прозрачности имеются узкие линии поглощения, которые могут создавать потери при совпадении с ними длины волны излучения, величина которой зависит от температуры активной среды лазера.
При проведении оценок считают, что поглощение в окнах прозрачности составляет 0,1-0,2 км-1 или, как, например, на длине волны 1,06 мкм оно пренебрежимо мало. Для длины волны 10,6 мкм коэффициент поглощения атмосферой составляет 0,2-0,3 км-1 для температуры воздуха в пределах от 0 до 20° С.
Коэффициент потерь a м , обусловленных молекулярным рассеянием, сильно зависит от длины волны излучения (пропорционально l -4). В табл.1 приведены значения a м для атмосферы на различных длинах волн излучения.
Таблица 1
| l , мкм | 0,3 | 0,55 | 0,7 | 1,06 | 4,0 |
| a м, км-1 | 0.145 | 1,16Ч 10-2 | 4,36Ч 10-3 | 2,46Ч 10-4 | 4,0Ч 10-6 |
Очевидно, что учет молекулярного рассеяния имеет смысл только на коротких волнах, начиная же с длины волны 0,55 мкм потери на молекулярное рассеяние обычно не учитывают.
Наиболее значительные потери создаются аэрозольным рассеянием (рассеянием на частицах, взвешенных в атмосфере), которые также создают ограничения для визуального наблюдения. Потери на аэрозольное рассеяние взаимосвязаны с метеорологической дальностью видимости (МДВ), хотя эта связь неоднозначна и зависит от вида и размеров аэрозоля.
Тем не менее, удобно оценивать коэффициент потерь aр по величине МДВ. Связь a р с МДВ (Vм) обычно представляют следующей эмпирической формулой:
(16)
где q = 0,585 V м 1/3 при V м Ј 10 км; q = 1,3 при V м > 10 км.
Для длины волны 1,06 мкм при величине V м в диапазоне от 3 до 8 км можно пользоваться менее точной, но более простой формулой:
(17)
Опыт испытаний показал, что темная цель на светлом фоне (на фоне белого снега), находящаяся на дальности в несколько километров, видна в виде едва различимого пятна, не имеющего четких контуров, в условиях дымки или тумана, если
(18)
В этом случае предельные потери на рассеяние, определяемые формулой (17), независимо от дальности до цели, находящейся на пределе видимости в диапазоне дальностей 3-8 км, составляют величину
(19)
Контуры той же цели начинают различаться при
(20)
что соответствует величине потерь
.
Соотношение (17) применимо только для лазерных дальномеров, у которых наведение на цель производится с помощью оптического визира (прицела), обеспечивающего визуальное наблюдение цели и при условии L < V м. В случае лазерных локаторов, осуществляющих поиск цели по факту регистрации отраженного от цели сигнала, измерения могут производиться в условиях L > Vм , и определение величины aр по формуле (17) может в этом случае быть источником существенных ошибок по отношению к величинам a р , определенным по формуле (16).
Формула (17) была подтверждена многочисленными экспериментальными измерениями, проведенными при полигонных испытаниях лазерных дальномеров. Измеренные при испытаниях значения aр для одного и того же значения МДВ в разное время имели значительный разброс, превышающий различия между величинами коэффициента a р , определенными по формулам (16) и (17). Причем максимальные измеренные значения a р в абсолютном большинстве случаев не превосходили величин, даваемых формулой (17), что позволяет использовать эту формулу для инженерных расчетов.
В случае больших величин МДВ формула (16) может быть преобразована в формулу, аналогичную формуле (17), но в числителе формулы должна стоять величина 1,67 вместо 2 (для V м > 10 км).
Формально соотношение (16) применимо для длин волн, не превышающих 2 мкм, однако для проведения оценок энергетических характеристик дальномеров с длиной волны излучения 10,6 мкм представляется вполне допустимым использование этой формулы, поскольку нет оснований считать, что на длине волны 10,6 мкм основные закономерности претерпят коренные изменения, а ввиду упомянутого выше разброса реальных значений aр для каждого значения МДВ, ошибки расчетов, по-видимому, могут быть не слишком значительными.
Особая ситуация возникает в случае атмосферных осадков (дождя и снега). Потери на рассеяние на крупных частицах, существенно превышающих длину волны излучения, не зависят от длины волны. Коэффициент потерь на рассеяние на каплях дождя определяется интенсивностью дождя J в мм/час. Эта зависимость выражается следующей формулой:
. (21)
Формула (21) дает следующие величины коэффициента потерь на рассеяние для различной интенсивности дождя:
Интенсивность дождя может достигать в предельных случаях 25-30 мм/час, что создает коэффициент потерь aр 
2,5 км-1 . Коэффициенты потерь на рассеяние для осадков в виде снега, по-видимому, близки к коэффициентам потерь для дождя.
Таким образом, коэффициент потерь в атмосфере в наиболее неблагоприятных ситуациях определяется главным образом рассеянием на аэрозолях дымки и тумана. Во время сильного дождя или снега возможности применения лазерного дальномера сильно ограничены, и проведение оценок в этих у словиях преследует скорее познавательную цель, чем практическую. В случае высокой прозрачности атмосферы увеличивается роль поглощения, особенно при работе на длине волны 10,6 мкм, где влияние рассеяния менее значительно, чем на более коротких волнах.