4.Ослаблення лазерного випромінювання при поширенні в атмосфері.

Рассмотрим главные причины, определяющие величину ослабления (затухания) лазерного излучения в атмосфере Земли. Таковыми факторами являются селективное молекулярное поглощение и рассеяние, а также селективное рассеяние на частицах (аэрозолях). Как понятно, атмосфера Земли представляет собой оптическую среду, состоящую из смеси газов и водяного пара со взвешенными в ней посторонними жесткими и жидкими частицами — аэрозолями (капельки воды, появляющиеся при конденсации водяного пара, пылинки, частицы дыма и т. П.), Размер которых колеблется от 5-10-6 до 5-10-3см. Азот (78%) и кислород (21%) являются основными неизменными компонентами приземного слоя атмосферы. На долю остальных газов (углекислый газ, водород, озон, аргон, ксенон и др.) Приходится менее одного процента размера. На оптические характеристики (прозрачность) атмосферы в основном влияют вода в газовой и жидкой фазах, углекислый газ, озон, а также аэрозоли. Содержание их в атмосфере Земли различно на различных высотах, в различных географических районах и зависит от метеорологических условий. Не считая того, состав атмосферы непрерывно изменяется из-за турбулентности, т. Е. Хаотических вихревых движений слоев атмосферы. Концентрация водяного пара в атмосфере зависит от географического положения района, времени года, высоты слоя атмосферы, местных метеоусловий и колеблется по размеру от 0,001 до 4%. Основное количество водяного пара сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое и резко миниатюризируется с дальнейшим увеличением высоты.

Концентрация СО2 при увеличении высоты от 0 до 25 км изменяется некординально: от 0,03 до 0,05% по размеру. Концентрация же озона по высотам неравномерна. Основная его часть находится в слоях атмосферы на высоте 15—40 км с максимумом концентрации на высоте до 25—30 км (более 0,001%); в нижних слоях атмосферы (высота до 20—25 км) концентрация озона не превосходит 10-5%. Оксид углерода имеет полосу поглощения на длине волны 47 мкм; озон — слабую полосу поглощения при 4 мкм и сильную на длинах волн 4,5 и 7,8 мкм.

Ослабление излучения в атмосфере обусловлено не лишь его поглощением, но и рассеянием. Вследствие оптической неоднородности атмосферы появляются преломление, отражение и дифракция электромагнитных колебаний на этих неоднородностях. Если размеры частиц, взвешенных в атмосфере, малы по сравнению с длиной волны колебаний, то происходит молекулярное рассеяние, которое подчиняется закону Релея. Согласно этому закону интенсивность рассеяния излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Молекулярное рассеяние существенно в видимой и инфракрасной областях диапазона. Ослабление излучения в итоге релеевского рассеяния может быть во много раз больше, чем молекулярное поглощение. При размерах частиц, соизмеримых с длиной волны излучения, наблюдается дифракционное рассеяние. Этот вид рассеяния является несимметричным: вперед рассеивается больше энергии излучения, чем назад. Если размеры частиц много больше длины волны, то происходит геометрическое рассеяние, которое проявляется основным образом в инфракрасной области диапазона оптических излучений. В настоящей атмосфере имеют место все три вида рассеяния, поскольку в ней находятся частицы практически всех указанных размеров. Наибольшее рассеяние лучистых потоков наблюдается на маленьких высотах (до 1000 м) в городах, где дым промышленных компаний и пыль сильно замутняют атмосферу.

Селективный характер поглощения и рассеяния лазерного излучения атмосферой обусловливает наличие в ней «окон прозрачности», которые более выражены в спектрах волн 0,38—0,9 и 9—13 мкм. С увеличением высоты слоя атмосферы ширина этих «окон» возрастает. Излучению рубинового лазера (l=0,6943 мкм) соответствует «окно прозрачности» 0,6932—0,6945 мкм при sпl=0,0023—0,0069 км-1; spl=1,19—0,29 км-1, где sпl и spl — коэффициенты ослабления потока монохроматического излучения атмосферой за счет поглощения и рассеяния, км-1.

Следовательно, ослабление лазерного излучения за счет рассеяния приблизительно на два порядка больше, чем за счет поглощения, что в основном справедливо и для остальных «окон прозрачности» атмосферы в оптическом спектре волн. Поэтому для «окон прозрачности» атмосферы справедливы приближенные равенства: sl»spl и Таl»e-tpl.

Заметим, что закон Бугера (Формула 3) справедлив при sl£15—20 км-1. к примеру, при sl=25 км-1 отклонение от этого закона составляет приблизительно 30%.

разумеется, что в случае активной локации имеет место двукратное прохождение трассы, т. Е. Общественная длина пути, половину которого проходит прямое лазерное излучение ЛЛС, а вторую половину — отраженное от цели лазерное излучение, определяется как L=21=2R.