Оптика атмосферного канала передачи лазерного излучения Задачи требующие

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Оптика атмосферного канала передачи лазерного излучения Задачи, требующие учета оптических свойств атмосферы: Передача информации с помощью лазерного излучения (системы оптической навигации, оптическая связь) – информационные системы «лазер-приемник» . Получение информации об объектах или явлениях на основе анализа характеристик оптического излучения, изменяющихся в процессе рассеивания от объекта или (и) распространения в атмосфере (системы оптической локации, системы лазерного дистанционного зондирования) – информационные системы «лазер - исследуемый объект - приемник» . В этом случае исследуемым объектом может быть и сама атмосфера (лидарные системы). Передача энергии лазерного излучения через атмосферу для термомеханического воздействия на объекты (лазерные технологические комплексы, связанные с дистанционным воздействием) – технологические комплексы для дистанционного термомеханического воздействия «лазер – объект воздействия» . 1. 2. 3. 1. 2. Лазер Атмосфера Приемник излучения Объект исследования Приемник излучения 3. Лазер Атмосфера Объект воздействия

Ослабление излучения в атмосферном канале Ослабление энергии или мощности оптического излучения в атмосфере обусловлено, в основном, четырьмя факторами: 1. Молекулярным поглощением, 2. Молекулярным рассеянием, 3. Аэрозольным поглощением, 4. Аэрозольным рассеянием. Оценка ослабления лазерного излучения в атмосфере проводится обычно на основе экспоненциального закона Бугера, в котором коэффициент пропускания среды распространения может быть выражен формулой: Т(λ) = ТМ (λ)· ТА (λ), ТМ (λ) и ТА (λ) – соответственно потери вследствие молекулярного и аэрозольного поглощения и рассеяния, I 0(λ), I(λ) – излучаемая и принимаемая интенсивности, соответственно, λ – длина волны излучения, L – длина трассы атмосферного канала, α(λ, z) – объемный показатель ослабления на единицу длины трассы. Для однородной трассы: Т(λ) = exp(-α(λ)·L).

Объемный показатель ослабления может быть записан в виде: α(λ)= αМ(λ)+ αА(λ)=[k. М(λ)+ σM(λ)]+ [k. A(λ)+ σА(λ)], где αМ(λ), αА(λ); k. М(λ) и σM(λ); k. A(λ) и σА(λ) – соответственно показатели молекулярного и аэрозольного ослабления, поглощения и рассеяния. 1. Молекулярное поглощение обусловлено характерными линиями поглощения атмосферных газов; оно возникает при переходе атомов с одного электронного уровня энергии на другой или переходе молекулы с одного молекулярного уровня на другой при поглощении фотона. Газы, определяющие атмосферное молекулярное поглощение – это молекулы воды, углекислого газа, азота, кислорода, озона и других возможных примесей. В видимом и ближнем ИК спектре присутствуют только отдельные узкие спектральные линии поглощения (электронные переходы), в среднем ИК имеется целый ряд интенсивных линий поглощения, связанных с колебательными переходами сложных молекул, в первую очередь – СО 2 и Н 2 О. Общая картина расположения линий поглощения дается специальными атласами или программами- базами данных типа (Spectran). Пропускание атмосферы в оптическом диапазоне

2. Молекулярное рассеяние (рэлеевское рассеяние) обусловлено рассеянием света на молекулах атмосферы. Рэлеевское рассеяние — когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. N – число молекул в единице объема, n – показатель преломления среды, δ – фактор деполяризации рассеянного излучения (изменяется в пределах от 0 до 1). Из формулы видно, что сколько-нибудь заметный вклад в ослабление молекулярное рассеяние вносит только в самой коротковолновой части оптического диапазона. Рисунок - Отношение интенсивности рассеяния солнечного света атмосферой для различных длин волн

3. Аэрозольное ослабление (совместное влияние поглощения и рассеяния на аэрозольных частицах). Наиболее часто встречающиеся в атмосфере аэрозоли и осадки естественного происхождения представляют собой капли воды в жидком и твердом состояниях, иногда, для краткости, объединяемых общим понятием – гидрометеоры (дождь, туман, дымка и т. д. ) Помимо гидрометеоров в аэрозольном ослаблении принимают участие и частицы пыли, как естественной, так и возникающей в результате антропогенных факторов (деятельность человека). Объемный показатель ослабления за счет гидрометеоров описывается теорией Г. Ми. Поэтому такое рассеяние часто называют рассеянием Ми в отличии от Рэлеевского рассеяния.

С практической точки зрения использование расчетной теории Ми затруднительно, т. к. требует учета множества факторов. Поэтому для оценок аэрозольного ослабления удобно использовать его связь с параметром метеорологической дальности видимости (МДВ), следующую из соотношение Кошмидера: Предложенное выше выражение справедливо для приземной трассы. Для установления влияния высоты можно воспользоваться следующим выражением:

Для практических расчетов удобно пользоваться следующей сводной таблицей, полученной экспериментально и предложенной проф. А. С. Башкиным:

Влияние атмосферы на расходимость лазерного излучения Атмосферный канал распространения излучения является неоднородным по своим характеристикам – распределение температуры, плотности и других физических параметров меняется в нем случайным образом из-за ветра, естественной конвекции, неоднородного нагрева различных слоев воздуха и т. д. (атмосферная турбулентность). Следовательно также случайно изменяется в нем показатель преломления, т. к. показатель преломления напрямую зависит от темературы и плотности. Оптическое излучение, распространяясь по среде с переменным показателем преломления изменяет направление распространения, что приводит и к изменению угла расходимости. На бытовом уровне указанные физические процессы проявляются, например, когда наблюдается искажение удаленных предметов, если трасса наюлюдения проходит через нагретый подвижный воздух. Для математического описания эффектов, связанных с распространением излучения через турбулентную атмосферу используются статистические модели атмосферной турьбулентности (теория Колмогорова) и соответвующие опические модели.

Расчет распространения излучения в атмосфере (методика Дж. Даути) С практической точки зрения для расчета оптических систем нам необходимо знать, как атмосферная турбулентность повлияет на угол расзодимости излучения. Для этого удобно использовать соотношение: - Дифракционная расходимость излучения; - Расходимость связанная с атмосферной турбулентностью; - Расходимость, связанная с «дрожанием» и уходом оптической оси из-за неточностей и статичстических ошибок приемно-передающей системы β – фактор оптического качества излучения на выходе из лазера. Можно считать, что β**2≈1/Sh

Как видно из формул, влияние атмосферной турбулентности на расходимость излучения оценивается с помощью так называемого структурного коэффициента показателя преломления CN 2. Его величина определяется целым рядом фактров – высотой, временем дня, географическим положением. Наиболее точно определить эту величину можно экспериментально. Однако для расчетов можно воспользоваться эмпирическими соотношениями: Профиль Хафнагеля: высота H – берется в м. При провендении оценочных расчетов величина θJ принимается равной 1/3 от θD. С учетом всех факторов можно оценить интенсивность излучения после прохождения им атмосферного канала: I=3. 2·P·T(λ)·LTB/[π·(θ·L)**2], где LTB – параметр теплового расплывания пучка ( «термоблюминг» ) за счет нагрева излучением атмосферного канала и и зменения показателя преломления. Для предварительных расчетов можно считать, что LTB=1.

Практическое задание: Необходимо определить оптимальный тип лазера (СО 2 –ГДЛ, ХКИЛ, химический HF) для передачи излучения по атмосферному каналу при заданных параметрах L, D, H, МДВ, P. Время года – лето.

Скачать презентацию Оптика атмосферного канала передачи лазерного излучения Задачи требующие

Оптика лазеров 8.ppt

Количество слайдов: 13