3.8. Загасання сигналу в атмосфері [36-46]

3.8.1. Модель атмосфери. Загасання сигналу

За звичай атмосфера має локально-неоднорідну структуру (пил, теплові флуктуації її параметрів, забруднення повітря, і т. ін.), що приводить до поглинання та розсіяння, тобто до ослаблення випромінювання при його розповсюдженні. Як правило, не дивлячись на таку локальну неоднорідність середовище можна розглядати як однорідне з певними інтегральними (усередненими) характеристиками.

Розглянемо основні закономірності ослаблення випромінювання в такому оптичному середовищі. Нехай паралельний пучок монохроматичного потоку випромінювання з довжиною хвилі поступає на шар середовища товщиною (див. Рис. 3.9).

Рис.3.9

Схема опромінювання (проходження) шару атмосфери

Будемо передбачати, що частинки середовища ослаблюють поле незалежно одна від одної. Тоді зміну потоку (його зменшення) при проходженні шару товщиною можна описати співвідношенням:

, (3.16)

де – коефіцієнт ослаблення потоку (з розмірністю, км^-1), який залежить в загальному випадку від властивостей середовища та довжини хвилі;

– товщина елементарного шару середовища в км.

При інтегруванні (3.16) по l отримаємо відомий вираз для закону Бугера:

, (3.17)

де – потік монохроматичного випромінювання на виході шару середовища.

На основі (3.17) можна записати вираз для закону Бугера в термінах інтенсивності випромінювання:

, (3.18)

де – інтенсивності монохроматичного випромінювання до та після проходження шару середовища (Вт/стерад); – спектральний коефіцієнт прозорості середовища протяжністю 1 км (питоме пропускання) – .

Добуток називають оптичною товщиною шару середовища, а коефіцієнт у виразі (3.18) – спектральним коефіцієнтом пропускання (прозорості) оптичного середовища.

Треба відзначити, що залежність для атмосфери має селективний за характер.

Таким чином, вираз (3.18) можна записати як:

. (3.19)

3.8.2. Фракції атмосфери, які впливають на загасання сигналу

Розглянемо основні фактори, які визначають величину ослаблення (затухання) сигналу в атмосфері Землі. Такими факторами є селективне (за ) молекулярне поглинання і розсіяння, а також селективне розсіяння на частинках (аерозолях).

Рис. 3.10

Атмосферу Землі можна уявити собі як оптичне середовище, що містить суміш газів і водяної пари та зваженими в ній сторонніми твердими і рідкими частинками – аерозолями (крапельки води, які виникають при конденсації водяної пари, порохи, частинки диму и т.п.), розмір яких коливається від 5-10^-6 до 5-10^-3см. Азот (78%) и кисень (21%) є основними постійними компонентами приземного шару атмосфери. На долю інших газів (вуглекислий газ, водень, озон, аргон, ксенон і ін.) приходиться менше одного процента об’єму.

На оптичні властивості (прозорість) атмосфери в основному впливають вода в газовій і рідких фазах, вуглекислий газ, озон, а також аерозолі. Кількість їх в атмосфері Землі різна на різних висотах, в різних географічних районах і залежить від метеорологічних умов. Крім цього, склад атмосфери неперервно змінюється за рахунок турбулентності, тобто. хаотичних вихрових рухів шарів атмосфери. Концентрація водяної пари в атмосфері залежить від географічного положення району, пори року, висоти шару атмосфери, місцевих метеоумов і коливається за об’ємом від 0,001 до 4%. Основна кількість водяної пари зосереджена в нижньому п’ятикілометровому шарі і різко зменшується із збільшенням висоти.

Концентрація СО₂ при збільшенні висоти від 0 до 25 км змінюється незначним чином: від 0,03 до 0,05% за об’ємом. Концентрація озону за висотами нерівномірна. Основна його частина знаходиться в шарах атмосфери на висоті 15-40 км з максимумом концентрації на висоті до 25-30 км (більше ніж 0,001%); в нижніх шарах атмосфери (висота до 20-25 км) концентрація озону не перевищує 10^-5%. Оксид вуглецю має смугу поглинання на довжині хвилі 47 мкм; озон – слабку смугу поглинання при 4 мкм и сильну на довжинах хвиль 4,5 и 7,8 мкм.

Загасання, яке зумовлене основними газами, ілюструється рисунком 3.10.

Рис. 3.11

Залежність спектрального коефіцієнта пропускання „чистої” атмосфери

від довжини хвилі

Залежність спектрального коефіцієнта пропускання „чистої” атмосфери від довжини хвилі наведене на рисунку 3.11.

Ослаблення випромінювання в атмосфері обумовлене не тільки його поглинанням але і розсіянням. Внаслідок оптичної неоднорідності атмосфери виникають заломлення, відбивання і дифракція електромагнітних коливань на цих неоднорідностях. Якщо розміри частинок, зважених в атмосфері, малі у порівнянні з довжиною хвилі коливань, то відбувається молекулярне розсіяння, яке підкоряється закону Релея. Згідно з цим законом інтенсивність розсіяння випромінювання обернено пропорційна довжині хвилі в четвертому ступені. Молекулярне розсіяння досить велике у видимій та інфрачервоній областях спектра. Ослаблення випромінювання в результаті релеєвського розсіяння може бути в багато разів більше, ніж молекулярне поглинання. При розмірах частинок, які за розмірами співрозмірні з довжиною хвилі випромінювання, спостерігається дифракційне розсіяння. Цей тип розсіяння є несиметричним: вперед розсіюється більше енергії випромінювання, ніж назад.

Якщо розміри частинок набагато більше довжини хвилі, то відбувається геометричне розсіяння, яке проявляється головним чином в інфрачервоній області спектра.

В реальній атмосфері мають місце всі три типа розсіювання, оскільки в ній присутні частики практично всіх вказаних розмірів. Найбільше розсіяння світлих потоків спостерігається на невеликих висотах (до 1000 м) особливо в містах, де дим промислових підприємств і порохи сильно замутняють атмосферу, тобто саме в тих місцях, де передбачається використання систем FSO.

Селективний характер поглинання і розсіювання лазерного випромінювання атмосферою обумовлюють наявність в ній «вікон прозорості», які найбільш виражені в діапазонах хвиль 0,38-0,9 и 9-13 мкм. Із збільшенням висоти шару атмосфери ширина цих «вікон» збільшується.

Ослаблення лазерного випромінювання за рахунок розсіювання приблизно на два порядки більше, ніж за рахунок поглинання. Наприклад, для =0,6943 мкм (рубіновий лазер) відповідає «вікно прозорості» 0,6932-0,6945 мкм з =0,0023-0,0069 км^-1 (коефіцієнт затухання по поглинанню) та =1,19-0,29 км^-1 (коефіцієнт затухання по розсіянню).

Тому для «вікон прозорості» атмосфери справедливі наближенні рівності:

(3.20)

і

. (3.21)

Відзначимо, що закон Бугера справедливий при 15-20 км^-1. Наприклад, при 25 км^-1 відхилення від цього закону складає приблизно 30%.

При цьому потужність оптичного сигналу на вході приймача приймального модуля прямо пропорційна спектральному коефіцієнту пропускання атмосфери:

, (3.22)

де – потужність оптичного сигналу на вході приймача при роботі системи у вільному просторі.