Системы тепловидения - Пропускание излучения атмосферой

Фиг. 2.8. Радиационный контраст в диапазоне 8—14 мкм в зависимости ют разности температур объекта и фона для четырех значений температуры  фона.
в широком спектральном диапазоне контрасты существенно меньше, чем в рассмотренных выше узких диапазонах. На этом мы закончим рассмотрение основных соотношений теории теплового излучения. Более подробную информацию можно найти в работах [1—9].

2.3, Пропускание излучения атмосферой

Тепловое излучение ослабляется при прохождении через земную атмосферу вследствие поглощения и рассеяния молекулами газа, скоплениями молекул (аэрозолями), дождем, снегом, а также дымом, туманом, дымкой, смогом. Следующие молекулы (перечисленные ниже в порядке важности) поглощают инфракрасное излучение в широких полосах с центрами, соответствующими указанным длинам волн: воды (2,7; 3,2; 6,3 мкм), углекислого газа (2,7;, 4,3; 15 мкм), озона (4,8; 9,6; 14,2 мкм), закиси азота (4,7; 7,8 мкм), окиси углерода (4,8 мкм) и метана (3,2; 7,8 мкм). Не считая ослабления в плотных дисперсных средах, молекулярное поглощение является главной причиной ослабления излучения, причем наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном. В нижних слоях атмосферы поглощением закисью азота и окисью углерода обычно можно пренебречь. Полосы поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм и углекислого газа с центрами 2,7 и 15 мкм ограничивают пропускание излучения атмосферой в диапазоне длин волн 2—20 мкм, определяя положение двух окон прозрачности: 3,5—5 и 8—14 мкм.
На данной длине волны при определенном состоянии атмосферы коэффициент пропускания атмосферы определяется законом Бугера — Ламберта — Бэра

Фиг. 2.10. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 2,8—4,2 мкм [12].
1 — трасса 300 м, толщина слоя осажденной воды 0,11 см; 2 — трасса 6,3 км, толщина слоя осажденной воды 1,37 см; 3 — трасса 18,7 км, толщина слоя осажденной воды 5,2 см.

Фиг. 2.11. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 4,3—5,6 мкм [12].
1 —трасса 300 м, толщина слоя осажденной воды 0,11 см; 2 — трасса 6,3 км, толщина слоя осажденной воды 1,37 см; 3 — трасса 18,7 км, толщина слоя осажденной воды 5,2 см.

Фиг. 2.12. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 6,5—14 мкм [12].

1. — трасса 300 м, толщина слоя осажденной воды 0,11 см; 2 — трасса 6,3 км, толщина слоя осажденной воды 1,37 см; 3—трасса 18,7 км, толщина слоя осажденной воды
2. см.

Фиг. 2.6. Значения производной плотности потока излучения, соответствующей закону Планка, по температуре для диапазона 3,5—5 мкм в функции температуры фона.

Фиг. 2.13. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 3—5 мкм [13].
Длина трассы 25 км; толщина слоя осажденной воды: 1 — 21,5 см; 2 — 25,4 см; з —

1. см; 4 — 43,3 см.

Фиг. 2.14. Пропускание атмосферы в диапазоне длин волн 4,2—10,7 мкм [13]. Длина трассы 25 км; толщина слоя осажденной воды: 1 — 21,5 см; 2 — 26,7 см.
и мы их здесь рассматривать не будем. Просто мы воспользуемся наиболее подходящей из известных аналитических моделей.
Поглощение молекулами газа происходит в том случае, когда колебательные и вращательные движения атомов в молекуле вызывают изменение дипольного момента. При этом энергетическое  взаимодействие молекулы с электромагнитным полем может проявляться в резонансном поглощении и испускании квантов. Следовательно, изолированным симметричным молекулам, не имеющим дипольного момента, не свойственно колебательно-вращательное поглощение. Молекулярное поглощение в электронных зонах атомов также пренебрежимо мало. По этим причинам изолированные молекулы трех основных компонентов атмосферы — двухатомные молекулы азота и кислорода и одноатомная молекула аргона — не поглощают инфракрасного излучения. В газе, однако, происходит уширение линий поглощения, вызванное давлением. Этот эффект соответствующим образом влияет на поглощение излучения в атмосфере.
Молекулярное поглощение ослабляет пучок теплового излучения, поскольку газ переизлучает поглощенную энергию во всех направлениях, а не только в направлении первоначального распространения. Четкое объяснение процесса молекулярного поглощения дается Эндингом [14]. В его работе приведено описание модели Эльзассера, статистической модели и модели Эльзассера со случайным наложением полос. Эндинг дает рекомендации по применению моделей к различным молекулярным компонентам и сравнивает результаты, полученные с помощью этих моделей, с экспериментальными данными. Молекулярное рассеяние и ослабление излучения на аэрозолях хорошо описаны в работе Макклэтчи и др. [10]. Монографии по инфракрасной технике содержат обобщающие сведения о моделях поглощения в одиночных линиях и полосах.
При высокой относительной влажности молекулы паров воды собираются в скопления, образуя аэрозоль. Такое состояние атмосферы занимает промежуточное положение между влажной атмосферой и туманом или дымкой. Используя подходящие модели молекулярного поглощения и рассеяния, а также модель рассеяния на аэрозолях, Ходжес [15] сравнил расчетные и экспериментальные данные и выяснил, что при высокой относительной влажности ослабление практически полностью определяется поглощением на жидких аэрозолях. На небольших высотах и на умеренных расстояниях, когда концентрация паров воды мала, ослабление, по данным Ходжеса, определяется одним молекулярным поглощением.
Рассеяние молекулами, аэрозолями, туманом, дымкой и облаками можно объяснить с помощью теории Ми. Теория Ми справедлива для рассеяния на малых частицах, размер которых значительно меньше длины волны (рэлеевское рассеяние), и для рассеяния на больших частицах, размер которых значительно больше длины волны (неселективное рассеяние). Поскольку рэлеевское рассеяние происходит по закону Аг4, молекулярное рэлеевское рассеяние не играет существенной роли в области к > 2 мкм. В результате рассеяние на молекулах (р к) в этой области можно не учитывать по сравнению с поглощением; нужно принимать во внимание только рассеяние на скоплениях молекул.
Наиболее подробное рассмотрение всех источников ослабления излучения в атмосфере содержится в работе Макклэтчи и др. [10]. Их методы расчета ослабления в интервале длин волн 0,25—25 мкм основываются на следующих механизмах:
на молекулярном поглощении в отдельных линиях для всех, основных газов;
на молекулярном поглощении в уширенных давлением линиях паров воды;
на молекулярном рассеянии для всех компонентов атмосферы;
на ослаблении на аэрозолях всех типов.
В работе [10] приведены также таблицы характеристик семи моделей атмосферы: тропические условия, лето и зима в средних широтах, субарктические зима и лето, условия чистой атмосферы (метеорологическая дальность видимости 23 км) и дымка (метеорологическая дальность видимости 5 км).
На фиг. 2.15—2.19 [10] приведены зависимости коэффициентов пропускания от длины волны для различных плотностей поглощающих компонентов или длины трассы для молекулярного поглощения в линиях паров воды, не уширенных давлением; для непрерывного спектра поглощения паров воды, уширенного давлением; для равномерно распределенной смеси газов; для молекулярного рассеяния и ослабления на аэрозолях. Для однородной атмосферы кривые можно использовать непосредственно. Если атмосфера неоднородна, необходимо сначала определить эквивалентную длину трассы по методике, приведенной в работе [10]. В этой работе содержится также много других кривых для отдельных компонентов атмосферы. Порядок определения коэффициента пропускания по кривым фиг. 2.15—2.19 следующий. Соответствующая шкала коэффициента пропускания наносится на прозрачную бумагу. Совмещая заданное количество поглотителя (или длину трассы) с горизонтальной линией и передвигая шкалу на заданную длину волны, считывают значение коэффициента пропускания для этой длины волны на пересечении шкалы с кривой.
Концентрация паров воды как поглотителя выражается различными способами. Основной мерой является абсолютная влажность — масса воды в граммах на 1 см3 объема воздуха, содержащего пары воды, при определенных температуре и давлении.

Фиг. 2.15. Молекулярное пропускание паров воды в дискретных линиях [10].

Фиг. 2.16. Молекулярное пропускание паров воды в непрерывном спектре, уширенном давлением [10].

Фиг. 2.17. Молекулярное пропускание равномерно распределенной смеси С02, N20, СО и СН4 [10].

Фиг. 2.18. Пропускание, обусловленное молекулярным рассеянием всех компонентов атмосферы [10].

Фиг. 2.19. Пропускание аэрозолей [10]. 1 — поглощение; 2 — рассеяние.
Абсолютная влажность На (г/см3) является функцией парциального давления Р (мм рт. ст.) паров воды и температуры Та (К). Абсолютная влажность насыщенного парами воды воздуха равна
(2.21)
где парциальное давление Р также зависит от температуры Та. Более простой мерой концентрации поглотителя является относительная влажность, представляющая собой отношение абсолютной влажности в определенных условиях к абсолютной влажности, соответствующей насыщенному объему при тех же условиях.
Абсолютная и относительная влажности не определяют непосредственно количество поглотителя на длине данной трассы. Мерой, определяющей суммарное поглощение на трассе, является количество осажденной воды, которое можно найти по относительной влажности и длине трассы. Количество осажденной воды w характеризуется толщиной слоя жидкой воды, образовавшейся при конденсации паров в цилиндре, длина которого равна длине трассы. Эта толщина обычно выражается в сантиметрах осажденной воды на километр трассы (см/км).
Величина w связана с плотностью жидкой воды d, относительной влажностью Нт (выраженной в долях единицы) и абсолютной

Фиг. 2.20. Количество осажденной воды (см/км) и абсолютная влажность в условиях насыщения в зависимости от температуры.
влажностью На следующим образом:

Полное количество осажденной воды на трассе wT выражается в сантиметрах. Если абсолютная и относительная влажности на трассе постоянны, полное количество осажденной воды получается умножением величины w (см/км) на длину трассы R (км). На фиг. 2.20 показаны толщина слоя осажденной воды и абсолютная влажность в условиях насыщения в функции температуры.

Потери на поглощение, равные 0,1Ь7 при wT = 0, обусловлены ослаблением излучения другими компонентами атмосферы. Для окна 3—5 мкм не выявляется столь явной зависимости от wT. Это связано с тем, что в окне 3—5 мкм поглощение углекислым газом проявляется в большей степени, чем в окне 8—14 мкм.
Принципы, изложенные в работе [10], были положены в основу программы для ЭВМ, разработанной Селби и Макклэтчем [18]. Эта программа была использована Макдональдом [19] для получения кривых, представленных на фиг. 2.22—2.42. Для сравнения потерь при пропускании в диапазоне 3—5 и 8—12 мкм Макдональд выбрал три наклонных трассы протяженностью 30, 15 и 7,5 км и три высоты 90, 1220 и 3660 м. Использованы две модели атмосферы: тропические условия и стандартная атмосфера США 1962 г., обе с дымкой и без дымки. Изменения пропускания при различных метеорологических дальностях видимости на различных высотах и расстояниях для диапазона 8—12 мкм показаны на фиг. 2.22— 2.27, а для диапазона 3—5 мкм — на фиг. 2.28—2.33. Различия между тропическими условиями и стандартной атмосферой США для различных высот и протяженностей наклонных трасс в диапазоне 8—12 мкм показаны на фиг. 2.34—2.42.
Толщина слоя осажденной воды на трассе wJf см

Фиг. 2.21. Средний коэффициент пропускания в зависимости от полного количества осажденной воды для пяти спектральных диапазонов [15].
Результаты свидетельствуют, что без учета характеристик источников и приемников излучения для сухого воздуха в средних широтах пропускание в диапазоне 8—12 мкм больше, чем в диапазоне 3—5 мкм, поскольку в последнем диапазоне имеет место сильное поглощение углекислым газом. В чистой тропической атмосфере с высокой влажностью пропускание выше в диапазоне 3—5 мкм, так как пары воды сильно поглощают излучение в диапазоне 8— 12 мкм. Но дымка приводит к более сильному ослаблению излучения в диапазоне 3—5 мкм по сравнению с диапазоном 8—12 мкм, и именно это заставляет отдать предпочтение диапазону 8—12 мкм в связи с тем, что долгое отсутствие дымки во влажном тропическом воздухе маловероятно. Однако основной интерес представляет не абсолютная величина коэффициента пропускания, а соотношение тепловой чувствительности и коэффициента пропускания.

Фгтг. 2.22. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 7,5 км; стандартная атмосфера США 1962 г.;--- дымна
и аэрозоли отсутствуют; — — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км; 2 — высота 1,22 км; з — высота 90 м.

Фиг. 2.23. Пропускание атмосферы.
Длина волны, мим

Наклонная трасса 7,5 км; тропическая атмосфера;             дымка
и аэрозоли отсутствуют; — — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км; 2 — высота 1,22 км; 3 — высота 90 м.

Фиг. 2.24. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 15 км; стандартная атмосфера США 1962 г.;         
дымка и аэрозоли отсутствуют; — — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км; 2 — высота 1,22 км; 3 — высота 90 м.

Фиг. 2.25. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 13 км; тропическая атмосфера;-- дымка
и аэрозоли отсутствуют;---- дымка, метеорологическая
дальность видимости 5 км. 1—высота 3,66 км; 2 — высота

1. км; 3 — высота 90 м.

Фиг. 2.26. Пропускание атмосферы.
Наклонная 'трасса 30 км; стандартная атмосфера США 1962 г.;---------------------
дымка и аэрозоли , отсутствуют; — — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. I — высота 3,66 км; 2 — высота 1»22 км.

Фиг. 2.27. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 30 км; тропическая атмосфера;------------ дымка и аэрозоли отсутствуют;  дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66; 2 — высота 1*22 км.

Фиг. 2.28. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 7,5 км; стандартная атмосфера США 1962 г.,----------------------------- дымка и аэрозоли
отсутствуют; — —>— дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 —высота 3,66 км; 2 — высота 1,22 км; з — высота 90 м.

Фиг. 2.29. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 7,5 км; тропическая атмосфера; дымка и аэрозоли отсутствуют;
— — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км; 2 — высота 1,22 км; з'л— высота 90 м.

Фиг. 2.30. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 15 км; стандартная атмосфера США 1962 г.;   дымка аэрозоли
отсутствуют; — — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,60 км; 2 — высота 1,22 км; 3 — высота 90 м.

Фиг. 2.31. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 15 км; тропическая атмосфера;--------------- дымка и аэрозоли отсутствуют;
— — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км; 2 — высота 1,22 км; 3 — высота 90 м.

Фиг. 2.32. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 30 км; стандартная атмосфера США 1962 г.;--------- дымка и аэрозоли
отсутствуют; — — — дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км; 2—высота 1,22 км.

Фиг. 2.33. Пропускание атмосферы.
Наклонная трасса 30 км; тропическая атмосфера;--------------- дымка и аэрозоли отсутствуют;
------------- дымка, метеорологическая дальность видимости 5 км. 1 — высота 3,66 км;
2 — высота 1,22 км.

Фиг. 2.34. Пропускание атмосферы.
Высота 150 м; наклонная трасса 1,5 км; -------------------------- стандартная атмосфера США 1962 г.;
-------------- тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; з — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.35. Пропускание атмосферы.
Высота 150 м; наклонная трасса 4,5 км;---- стандартная атмосфера США 1962 г.;

1. — — тропическая атмосфера. J — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; 3 — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.36. Пропускание атмосферы.
Высота 150 м; наклонная трасса 17,5 км; ---------------  стандартная атмосфера США 19G2 г.;
------------- тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; 3 — метеорологическая дальность видимости 5 км.


Фиг. 2.37. Пропускание атмосферы.
Высота 600 м; наклонная трасса 1,5 км; -------  стандартная атмосфера США 1962 г.;
— — — тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; з — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.38. Пропускание атмосферы.
Высота 600 м; наклонная трасса4,5 км;--------- стандартная атмосфера США 1962 г.;-----------------
тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; з — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.39. Пропускание атмосферы.
Высота 600 м; наклонная трасса 15 км; ------------------  стандартная атмосфера США 1962 г.;
------------------- тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; 3 — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.40. Пропускание атмосферы.
Высота 3 км; наклонная трасса 4,5 км; ------------------------  стандартная атмосфера США 1962 г.;

1. — — тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; з — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.41. Пропускание атмосферы.
Высота 3 км; наклонная трасса 15 км; -----------------  стандартная атмосфера США 1962 г.;
-------- — тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; з — метеорологическая дальность видимости 5 км.

Фиг. 2.42. Пропускание атмосферы.
Высота 11 км; наклонная трасса 15 км; --------------------  стандартная атмосфера США 1962 г.;

1. — — тропическая атмосфера. 1 — дымка и аэрозоли отсутствуют; 2 — метеорологическая дальность видимости 23 км; 3 — метеорологическая дальность видимости 5 км.

С этой точки зрения диапазон 8—12 мкм предпочтительнее диапазона 3—5 мкм из-за существенной разницы в чувствительности Ь этих диапазонах даже при отсутствии потерь на пропускание (см. разд. 5.12).
Сравнение пропускания атмосферы в двух спектральных диапазонах на протяженных морских трассах сделано Егером и др. [20]. Используя в радиометре приемники излучения на основе InSb и (Hg, Cd)Te с высокими параметрами, авторы экспериментально подтвердили, что на трассах протяженностью 1—13 км в условиях ограничения шумами внешнего фона (изменяющаяся морская поверхность) диапазон 8—14 мкм имеет преимущества в пропускании сигнала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брамсон М. А., Инфракрасное излучение нагретых тел, «Наука», 1964.
2. Джемисон Дж. Э. и др., Физика и техника инфракрасного излучения, изд-во «Советское радио», М., 1965.
3. Merritt Т. P., Hall F. F., Blackbody Radiation, Proc. IRE, 47, 1435— 1441 (1959).
4. Jones R. C., Terminology in Photometry and Radiometry, JOS A, 53, 1314-1315 (1963).
5. Хадсон P., Инфракрасные системы, изд-во «Мир», М., 1972.
6. Hadni A., Essentials of Modern Physics Applied to the Study of the Infrared, Pergamon, N. Y., 1967.
7. Wolfe W. L., Ed., Handbook of Military Infrared Technology, Superintendent of Documents, U. S. Government Printing Office, 1965.
8. Круз П., Макглоулин JI., Макквистан Р., Основы инфракрасной техники, Воениздат, М., 1964.
9. Seyrafi К., Ed., Engineering Design Handbook: Infrared Military Systems, Pt. 1, U. S. Army Materiel Command Pamphlet 706—127.
10. McClatchey R. A.,FennR. W., Selby J. E. A., Volz F. E., Garing J. S., Optical Properties of the Atmosphere, U. S. Air Force Cambridge Research Laboratories report AFCRL-72-0497, Hanscom Field, Massachusetts, 1972.
11. Farrow J. B., Gibson A. F., Influence of the Atmosphere on Optical Systems, Optica Acta, 17, 317—336 (1970).
12. Taylor J. H., Yates H. W., Atmospheric Transmission in the Infrared, JOS A, 47, 223—226 (1957).
13. Streete J. L., Infrared Measurements of Atmospheric Transmission at Sea Level, Appl. Opt., 7, 1545-1549 (1968).
14. Anding D., Band-Model Methods for Computing Atmospheric Slant-Path Molecular Absorption, IRIA State of the Art Report 7142-21-T, February 1967, reprinted 1969.
15. Hodges J. A., Aerosol Extinction Contribution to Atmospheric Absorption in Infrared Wavelengths, Appl. Opt., 11, 2304-2310 (1972).
16. Hodges J. A., Xerox Electro-Optical Systems, Pasadena, California (частное сообщение).
17. Moser P. A., Naval Air Development Center, Warminster, Pennsylvania (частное сообщение).
18. Selby J. E. A., McClatchey R. М., Atmospheric Transmittance from 0.25 to 28.5fxm: Computer code LOWTRAN 2, U.S.A.F. Cambridge Research Laboratories Report AFCRL-72-0745, 1972.
19. MacDonald D. A., Honeywell Radiation Center, Lexington, Massachusetts (частное сообщение).
20. Jaeger Т., Nordbryhn A., Stockseth P. A., Detection of Low Contrast Targets at 5цт and Юцт: A Comparison, Appl. Opt., 11, 1833-1835 (1972).