6.2.3. Ослабление инфракрасного излучения в атмосфере

При ведении ИК разведки, а также при осуществлении мероприятий по защите объектов от ИКСР важное значение имеет учет ослабления собственного или отраженного ИК излучения в атмосфере.

Ослабление ИК излучения в атмосфере определяется полосами поглощения водяных паров и газовых составляющих, главным образом углекислого газа и озона, а также явлениями рассеивания излучения.

На рис.17а показано спектральное пропускание слоя атмосферы толщиной 1,6 км, на рис.17б - поглощение ИК излучения двуокисью

углерода, на рис.17в - поглощение озоном и на рис.17г - поглощение влагой. Из представленных рисунков можно установить "окна прозрачности" в атмосфере и участки спектра, в которых ведение ИК разведки практически невозможно. Окна прозрачности в атмосфере соответствуют длинам волн: 1,1-1,3; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,2; 4,5-5,1 и 7,5-14 мкм.

Полосы поглощения углекислого газа приходятся на длины волн 2,7 и 4,3 мкм, а озона - на участок 9,4-9,9 мкм. В полосах поглощения атмосферы скрытие ИК излучений от средств разведки не обязательно.

Ослабление ИК излучения в атмосфере вследствие рассеяния может быть выражено степенным законом [8]

Коэффициент β для случая рассеяния излучения скоплением молекул газа вычисляется по формуле, выведенной Релеем

Формула Релея справедлива лишь для среды, рассеивающие элементы которой малы по сравнению с длиной волны падающего излучения. По мере увеличения размеров рассеивающих частиц возрастает интенсивность излучения, рассеянного вперед по направлению распространения исходного лучистого потока.

В таблице 3 приведены коэффициенты рассеяния атмосферой видимого света для относительно больших рассеивающих частиц.

При приближенных расчетах можно пользоваться данными, приведенными в таблице 3, и для ИК части спектра. В этом случае необходимо пересчитать приведенные в таблице значения β в соответствии с выбранной длиной волны, используя соотношение Рх/β=(0.55/λ)⁴ (28)

В этой формуле λ выражается в микрометрах, а при использовании данных таблицы 3 дальность необходимо выражать в километрах.

Отражательная способность поверхности объекта определяется коэффициентом яркости. Коэффициент яркости поверхности объекта в данном направлении и при данных условиях освещения есть отношение яркости этой поверхности к яркости идеального рассеивателя, находящегося при тех же условиях освещения. Под идеальным рассеивателем подразумевается ортотропная поверхность, полностью отражающая по закону Ламберта весь падающий на нее лучистый поток. Коэффициент яркости не следует смешивать с коэффициентом отражения, который является отношением полного потока, отраженного во всех направлениях данной поверхностью к полному потоку, упавшему на поверхность. Коэффициент яркости для диффузно-зеркальной поверхности зависит не только от угла визирования на излучающую поверхность, но и от направления падающего на поверхность потока.

6.2.4. Физические особенности ик излучения фонов

Обнаружение и распознавание любых объектов с помощью ИК средств разведки всегда происходит на фоне излучений естественных образований, которые создают помехи и ограничивают в большей или меньшей степени дальность действия ИК средств. В связи с этим рассмотрим

некоторые физические особенности ИК излучений различных фоновых образований.

Как отмечалось ранее, ИК излучение имеет две составляющие: собственное тепловое излучение и отраженное (рассеянное) излучение Солнца и других внешних источников. Каждая из этих составляющих излучения для фоновых образований в определенных условиях и на определенных длинах волн может превалировать одна над другой.

Экспериментально установлено, что в диапазоне длин волн короче 3 мкм доминирует отраженное и рассеянное солнечное излучение. В этом диапазоне длин волн, как правило, можно пренебречь собственным тепловым излучением фонов. Наоборот, в диапазоне длин волн более 4 мкм преобладает собственное тепловое излучение фонов и можно пренебречь отраженным (рассеянным) солнечным излучением. Диапазон длин волн 3-4 мкм является как бы переходным. В этом диапазоне наблюдается ярко выраженный минимум яркости фоновых образований.

О характере спектральной яркости некоторых наземных фоновых образований в ИК части спектра можно судить по кривым, приведенным на рис.18 [2], на котором представлена зависимость спектральной лучистости типичных земных фонов (снег, почва, песок, трава) от длины волны при наблюдении днем.

Облачные образования являются весьма интенсивными источниками инфракрасного излучения, отраженного от их поверхности. Именно они создают многочисленные помехи инфракрасным сканирующим системам разведки. Различают облака трех фазовых составов: водные, смешанные и чисто кристаллические (верхний ярус). Водность облака зависит от ряда

причин и уменьшается с понижением температуры [3]. Так, например, для слоистых, слоисто-кучевых и высокослоистых облаков водность колеблется в пределах 0,09-0,35 г/м³ и сильно изменяется во времени в пределах облака. Радиус капель, образующих облако, обычно не превышает 45-50 мкм. Средний радиус 4-11 мкм, а число капель в 1 см³ составляет от 100 до 700. Микроструктура и водность облаков определяют их оптические свойства.

В ИК спектральном диапазоне происходит рассеяние солнечного излучения и поглощение его в каплях воды, а также поглощение в полосах водяного пара.

Яркость облака меняется в зависимости от длины волны (рис.19).

Вариации яркости облаков в диапазоне менее 3 мкм при изменении характера облачности весьма значительны. Например, при длине волны около 2 мкм величины спектральной яркости облаков могут изменяться более чем на два порядка. При длине волны более 3 мкм в случае изменения характера облачности вариации яркости не превышают 50%.

На рис. 20 приведено изменение альбедо (отношение количества отраженной облаком лучистой энергии по всем направлениям к лучистой энергии, упавшей на облако) облаков разных типов в зависимости от их толщины. Наибольшее альбедо у высококучевых облаков, что объясняется наличием большого количества ледяных кристалликов в облаках, сильно

рассеивающих падающую энергию в обратном направлении. Представленные данные соответствуют видимой и ближней ИК области спектра [4].

В таблице 4 приводятся результаты расчетов спектральных альбедо для ближнего ИК участка спектра, полученные для тонкого (Н=0,25 км) и толстого (Н=1 км) облаков с верхней границей на уровне 2 км при средней температуре облака 0°С и средней водности 0,2 г/м³ [4].

Спектральный диапазон, мкм	Н=0.25км				Н=		1км
	К=30°		К=60°		К=30°		К=60°
	А%	Р%	А%	Р%	А%	Р%	А%	Р%
0.700-0.740	33	63	50	48	67	21	78	15
0.740-0.790	32	61	53	42	65	19	76	10
0.790-0.840	33	62	50	48	65	21	77	15
0.860-0.915	32	58	50	48	67	22	78	14
0.915-0.935	33	56	54	28	64	20	75	14
0.935-0.990	33	61	50	47	67	21	76	15
1.030-1.230	32	56	50	48	64	19	75	13
1.230-1.240	32	55	49	47	64	20	72	12
1.240-1.530	24	50	42	40	48	11	55	6
1.530-2.190	24	37	37	36	41	7	45	2

А - спектральное альбедо, % ; Р - относительное пропускание, % К - зенитное расстояние Солнца - угловое расстояние от зенита

Из таблицы 4 видно, что альбедо облаков в инфракрасной области спектра возрастает с увеличением оптической толщины облаков и зенитного расстояния Солнца. Тонкое облако пропускает больше радиации, чем поглощает. Но при зенитном расстоянии порядка 60° даже тонкое облако отражает больше, чем пропускает.

Центры полос поглощения в спектрах солнечной радиации, отраженной от кучевых и перистых облаков, соответствующих линиям поглощения водяных паров 1,38 и 1,86 мкм, сдвинуты в область более длинных волн 1,45 и 1,94 мкм для капельно-жидкой фазы в случае кучевых облаков и соответственно 1,5 и 2,0 мкм для твердой фазы в случае перистых облаков.

Спектральная яркость ясного неба в инфракрасном диапазоне спектра более 3 мкм является функцией температуры воздуха, угла от горизонта и содержания в атмосфере паров воды и озона. [8]

Окружающая температура сильно влияет на величину спектральной яркости. В центре полос поглощения паров воды и озона яркость неба практически равна яркости черного тела при температуре нижних слоев атмосферы. По мере удаления от центров полос поглощения яркость спадает, потому что излучение идет от более далеких и более холодных слоев атмосферы. В области длин волн более 4 мкм вариации яркости ясного неба при различных азимутальных углах невелики. Максимальные отклонения порядка 15% наблюдаются только при малых углах возвышения.

Искусственные объекты при теоретических расчетах обычно рассматриваются как тела с серым излучением. В этом случае их интегральная излучательная способность подсчитывается по формуле

где: - коэффициент излучательной способности материала, из которого сделан корпус объекта.

Как видно из формулы (29), интенсивность излучения зависит от температуры в четвертой степени. Поэтому незначительное возрастание температуры вызывает сильное увеличение интенсивности излучения.

Рассмотрим некоторые объекты с точки зрения излучаемой ими ИК энергии, особенностей их излучения и возможности их демаскирования подобными излучениями.

6.3. Демаскирующие признаки некоторых объектов в инфракрасном диапазоне

6.3.1. Инфракрасное излучение баллистических ракет и космических объектов

Основными источниками ИК излучения баллистических ракет (БР) являются корпус ракеты и факел маршевого двигателя. БР летящие с большими скоростями на высотах до несколько сотен километров имеют довольно высокую температуру корпуса и поэтому представляют собой мощные источники ИК излучения. Температура корпуса БР зависит в основном от радиации Солнца и аэродинамического нагрева в атмосфере. При полете БР вне земной атмосферы основной причиной нагрева ее корпуса является солнечная радиация. При полетах в пределах земной атмосферы температура ракеты повышается за счет аэродинамического нагрева. Зависимость температуры нагрева БР от высоты полета приведена на рис 21. [7]

В плотных слоях атмосферы на высотах до 60 - 80 км решающим фактором нагрева обшивки БР является аэродинамическое сопротивление встречного воздушного потока. Так, головной конус американской БР "Юпитер" разогревался при вхождении в плотные слои атмосферы до белого каления и был хорошо виден невооруженным глазом. Это свечение является результатом не только разогревания самой головной части ракеты, но и ионизации высокотемпературного фронта ударной волны, создаваемой головным конусом при входе в плотные слои атмосферы.

Скорости и температуры типовых летательных аппаратов при полете в плотных слоях атмосферы (Н=30.5км) приведены в таблице 5.

На рис 22. приведены спектральные плотности излучения абсолютно черного тела при температурах, соответствующих приведенным в таблице 5.

Тип летательного аппарата	Скорость м/с	Температура ° К
Ракета с дальностью 1600 км	3500	3700
Ракета с дальностью 8000 км	6700	7400
Спутник с высотой орбиты 480 км	7600	8900

БР могут быть также легко обнаружены на активном участке траектории полета по факелу маршевого двигателя, который является источником мощного инфракрасного излучения. Факел двигателей БР представляет собой поток горящих газов, несущих взвешенные твердые частицы золы и сажи, которые образуются при сгорании ракетного топлива.

Температура некоторых зон факела превышает 2000°К. Газовый состав факела и характеристики его излучения зависят от вида используемого топлива. В большинстве случаев в состав факела входят: водяной пар и углекислый газ.

Так, например, двигатель J-2, который устанавливался на американской ракете "Сатурн-5", работает на топливе: жидкий кислород и жидкий водород. Поэтому его факел состоит в основном из раскаленного водяного пара, излучающего как в видимой, так и в инфракрасной области спектра. Твердотопливные двигатели, используемые в США на ряде ракет, имеют факел, состоящий в основном из углекислого газа, водяного пара, окиси углерода и твердых частиц алюминия и углерода, нагретых до высоких температур.

В спектре факелов ракет можно наблюдать набор разных линий излучения водяного пара, углекислого газа и окиси углерода, а также непрерывного фона, образуемого излучением нагретых частиц. Факел - это сложная газодинамическая структура, которая имеет меняющиеся от точки к точке термодинамические параметры: давление, температуру, плотность. Рассчитать излучение факела можно с достаточной точностью в том случае, если известны поля температур, а также спектральные коэффициенты пропускания или поглощения.

По изменению параметров ИК излучения в моменты отделения отработавших ступеней и начала работы следующих ступеней можно определять время работы ступеней двигателя, количество ступеней и некоторые их параметры.

В результате запусков искусственных спутников Земли накопился обширный статистический материал о температуре нагрева их оболочки, по которой можно, судить об их инфракрасном излучении.

В тепловом отношении искусственный спутник Земли является телом, находящимся в лучистом теплообмене с окружающим пространством. Его поверхность нагревается за счет излучения Солнца, отраженной энергии от поверхности Земли, собственного теплового излучения Земли, внутренних источников тепловой энергии на самом искусственном спутнике [30].

За пределами атмосферы удельный тепловой поток прямой солнечной радиации может быть определен по формуле

Искусственные спутники Земли нагреваются в течение всего времени, пока они облучаются Солнцем. В зависимости от ориентации в пространстве и высоты орбиты это время может составлять от 65 до 100%. Количество тепла, поступающего к спутнику за счет солнечного излучения, зависит как от коэффициента поглощения солнечной радиации А₈, так и от коэффициента черноты наружной поверхности е» (табл.6), т.е. от оптических коэффициентов материала наружной поверхности спутника.

Вторым источником излучения, нагревающим спутник, является Земля, которая отражает часть солнечных лучей, попавших на нее. В результате спутник получает дополнительное количество тепловой энергии. Ее величина зависит от положения орбиты по отношению к освещенной части поверхности Земли и от положения спутника на орбите и достигает величины примерно 35 - 40% солнечной постоянной.

	Коэффициент	Степень
Материал или покрытие	поглощения А,	черноты
Алюминий полированный	0,26	0,04—0,05
Медь полированная	0,26	0,02
Железо полированное	0,45	0,14—0,38
Железо оцинкованное	0,65	0,23
Железо окисленное	0,74	0,80
Алюминиевая краска	0,35—0,40	0,27—0,67
Масляная краска черная	0,97—0,99	0,96—0,98
Масляная краска белая	0,12—0,26	0,92—0,95
Эмаль белая (краситель ТiO2)	0,30	0,81
Карбид титана ТiС	0,92—0,83	0,82—0,72
Окись алюминия А12Оз	0,38—0,48	0,89—0,95
Двуокись церия Се02	0,82	0,91
Стеклоткань	0,40	0,80

Удельный тепловой поток, отраженной солнечной радиации можно определить по графикам (рис. 23) [7].

Третьим источником излучения является сама Земля. Собственное тепловое излучение Земли лежит в инфракрасной части спектра. Эта энергия составляет примерно 15% от солнечной постоянной q_солн

Для искусственного спутника Земли удельный тепловой поток, поступающий от планеты на его поверхность, зависит от высоты орбиты (рис. 24).

На нагрев искусственного спутника Земли существенное влияние оказывают и внутренние источники тепловой энергии на самом спутнике. Количество выделяемого тепла зависит от мощности аппаратуры, установленной на спутнике, режима ее работы во времени и состава экипажа:

Здесь не рассматриваются некоторые второстепенные источники нагрева ИСЗ, которые по своей величине значительно меньше перечисленных.

Равновесная температура оболочки ИСЗ при известных тепловых потоках определяется из соотношения

Величину оценивают для двух крайних режимов теплообмена: перегрева и переохлаждения (орбита ИСЗ перпендикулярна или параллельна

ПОТОКУ q соля ).

Температуру поверхности спутника можно подсчитать если ввести некоторые допущения. Так, для предельного случая, когда теплоемкость его оболочки настолько велика, что колебания ее температуры при изменении освещенности пренебрежимо малы, может быть найдена некоторая средняя равновесная температура.

По отношению к этой температуре на самом деле имеют место колебания температуры на орбите. Результаты расчетов в зависимости от коэффициентов А_s и , приведены на рис. 25 [7]