ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы.
Передача информации оптическими сигналами известна человечеству давно (сигнальные костры, оптический телеграф и т.п.). Но лишь с появлением в 1960 г. принципиально новых источников излучения в оптическом диапазоне — лазеров - стало возможным приступить к созданию современных оптических информационных систем.
Особенностью последних лет развития атмосферной оптики является расширение сфер ее практического применения. Это связано не только с успехами, достигнутыми в оптическом приборостроении и освоением в различных инженерных приложениях все более «далеких» участков инфракрасного диапазона электромагнитных волн, но и с растущим вниманием специалистов к проблеме изучения природных ресурсов Земли с космических объектов. Не менее важным стимулом, определяющим актуальность и широту развития атмосферно-оптических исследований, являются задачи, стоящие перед климатологами в свете прогнозирования эволюции земной атмосферы с учетом все более значительных признаков ее техногенного загрязнения [1].
Для достижения прогресса в исследовании окружающей среды необходимо соединение высокого уровня развития науки и техники, и понимания важности этой проблемы обществом. Последние пятьдесят лет мы были свидетелями создания и усовершенствования лазеров, в эти же годы возросло понимание ограниченности ресурсов Земли и «хрупкости» баланса ее экосистем.
Современные достижения квантовой электроники и оптической техники позволяют создавать высокотехнологичные атмосферные оптические информационные системы на надежной элементной базе. Все эти системы сильно зависят: от характеристик принимаемого оптического сигнала; от процессов, происходящих в атмосфере, которые, по их влиянию на сигнал, можно разделить на две группы.
Первую группу образуют процессы, вызывающие энергетическое ослабление сигнала, такие как поглощение газами и парами компонент атмосферы, молекулярное поглощение и рассеяние, поглощение и рассеяние аэрозолями и осадками. К этой группе можно отнести и световые фоны, ухудшающие отношение сигнал/помеха на входе приемного устройства.
Вторая включает процессы, связанные с неоднородностями показателя преломления воздуха и обусловливающие флуктуации амплитуды и фазы оптической волны. Это деление имеет, до некоторой степени, условный характер, так как один и тот же процесс может приводить к различным эффектам. Например, выпадение осадков вызывает не только ослабление, но и флуктуации сигнала вследствие временной и пространственной изменчивости параметров осадков.
Исследования распространения оптического излучения в горной местности представляет исключительный практический интерес, поскольку они тесно связаны с вопросами охраны окружающей среды. Использование лазеров в качестве источников излучения для исследования оптических характеристик атмосферных аэрозолей дает определенные преимущества по сравнению с другими источниками в первую очередь благодаря большой интенсивности монохроматического излучения лазеров. Наиболее важные результаты с помощью лазеров получены при исследовании вертикальной структуры атмосферных аэрозолей [2]. Кроме того, есть ряд специфических задач оптики аэрозолей, удачно решаемых при использовании лазеров [3].
Несмотря на широкие масштабы исследования свойств атмосферных образований, как в нашей стране, так и за рубежом, в этой области имеется еще ряд нерешенных вопросов. В частности, не до конца исследованы влияния состояния атмосферы (турбулентность, влажность, наличие потоков и т. д.) на особенности формирования и рассеяния аэрозолей в горных условиях. Отдельной проблемой стоит создание искусственных атмосферных образований и распространение оптического излучения в них для решения прикладных задач.
8
Частицы вещества, из которых образуются неоднородности в атмосфере, могут иметь разные формы и размеры. Задачи определения характеристик рассеяния излучения такими частицами достаточно сложны. Наименьшими трудностями вычислительного характера обладают решения, связанные со сферической формой частиц [4, 5], наибольшими — с произвольной формой. В настоящее время имеются результаты расчета рассеивающей способности естественных и искусственных аэрозольных образований. Они являются достаточно сложными и требуют значительных затрат времени на получение приемлемых результатов. Методики этих расчетов приведены в большом числе публикаций [6-11].
Особый интерес представляет исследование физических характеристик искусственных аэрозольных образований. К настоящему времени закономерности возникновения, временные характеристики существования таких образований, а также особенности поглощения и отражения в них ИК-излучения изучены не достаточно [12, 13].
Основной причиной такого положения являются:
-недостаточная точность конечного информационного продукта, получаемого с помощью цифровых и инструментально-визуальных методов обработки первичных данных;
-недостаточность данных о диэлектрических характеристиках аэрозолей;
-отсутствие надежных экспериментальных данных измерений поглощения, отражения оптического излучения в искусственных аэрозольных образованиях.
Аэрозольные частицы, созданные в атмосфере, становятся составной частью последней и в своем поведении подчиняются основным законам, определяющим поведение воздуха. Все процессы, происходящие с аэрозольными частицами: испарение, оседание под действием силы тяжести и диффузия, имеют место и в искусственных образованиях в атмосфере [14, 15, 16].
Важную роль в распространение оптического излучения в искусственных атмосферных неоднородностях играет турбулентность. Необходимо отметить, что процессы турбулентного обмена сравнительно хорошо изучены только в самых нижних слоях атмосферы (до высот несколько сотен метров), где сосредоточено основное внимание исследователей на распространение примесей от промышленных источников загрязнения атмосферы [14, 15, 16]. Намного хуже изучены турбулентные процессы на более высоких уровнях [17, 18]. Особенно это относится к уровням выше планетарного пограничного слоя. Именно здесь происходит образование облаков.
При распространении оптического излучения в атмосфере, прежде всего, действуют два фактора экстинкции излучения: молекулярное поглощение излучения и рассеяние излучения аэрозолями. Молекулярное поглощение излучения гораздо сильнее проявляется в «окне прозрачности» в диапазоне длин волн от 8 до 12 мкм и от 3 до 5 мкм малыми газовыми компонентами атмосферы, прежде всего водяным паром и углекислым газом. В ближней ИК и видимой части спектра существенную роль играет поглощение излучения аэрозолями. Аэрозоли могут состоять из гидрометеоров, пыли, а также иметь техногенное происхождение.
Распространяясь в реальной атмосфере, оптическое излучение не только ослабляется, но также испытывает изменения своего спектрального состава. Для практического применения оптической измерительной техники, равно как и для теоретических расчетов степени рассеяния и поглощения необходимо изучить свойства рассеивающей среды.
Распространение лазерного излучения в реальной атмосфере имеет свои особенности, обусловленные такими качествами лазерного излучения как когерентность, поляризация, узкая направленность. Изменения этих характеристик излучения зависят от многих условий состояния атмосферы: турбулентности, температурного градиента и некоторых других параметров. Таким образом, влияние атмосферы на распространение лазерного излучения носит комплексный характер, обуславливается множеством физических
10
процессов, происходящих в атмосфере. Особенно это касается атмосферы над горами, характеризующейся экстремальными величинами параметров, происходящими из самих физических условий в горной местности: значительный контраст освещенности склонов, различия в солнечной экспозиции склонов, температурный градиент, влияние орографии местности на прилежащий слой атмосферы. Все эти особенности атмосферы в горной местности приводят к тому, что прозрачность атмосферы может меняться быстро и в значительных пределах. Кроме того, орографические особенности могут приводить к возникновению устойчивых аэрозольных облаков, тогда как термическая неустойчивость может вызвать быстрое рассеяние искусственных аэрозольных образований.
В качестве датчиков получения информации о текущем состоянии объекта используются оптико-электронные средства наблюдения, а также лазерные средства целеуказания. Работоспособность оптико-электронных средств наблюдения зависит от множества внешних факторов, в число которых входит и функционирование в условиях воздействия аэрозольных помех естественного происхождения или искусственно создаваемых.
В настоящее время существует ряд различных способов описания распространения аэрозолей в атмосфере [19 - 21]. К ним относятся: статистические модели, гауссовы модели, модели с «замыканиями» различных порядков, а также модели, основанные на теории подобия. Однако ни один из перечисленных способов не может претендовать на полную точность. В связи с этим представляется перспективным исследование распространения примесей по различным моделям, дополненное измерениями аэрозольных облаков в различных диапазонах длин волн в зависимости от орографии местности.
Цель работы.
Целью настоящей работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в естественных и искусственных оптических аномалиях, формируемых в горной
11
местности; изучение влияния, оказываемого аэрозольными аномалиями на способность оптико-электронных систем по обнаружению и распознаванию объектов; проведение исследований по оценке эффективности применения пассивных и активных оптико-электронных систем (ОЭС), работающих в различных спектральных диапазонах в горных условиях.
Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
1. Рассмотрены атмосферные процессы в горной местности, способные оказывать существенное влияние на распространение оптического излучения. Рассмотрена связь различных метеопараметров атмосферы с ее оптическими характеристиками.
2. Создана экспериментальная установка для изучения влияния атмосферы на распространение оптического излучения, разработаны методики проведения экспериментальных наблюдений, а также методы обработки результатов наблюдений.
3. Проведены исследования прозрачности атмосферы в дальнем ИК, ближнем ИК и в видимом диапазонах длин волн.
4. Проведены эксперименты по изучению влияния атмосферной турбулентности на распространение оптического излучения в горной местности.
5. Проведен выбор информационных каналов для натурных исследований и выполнен сравнительный анализ изображений, формируемых информационными каналами, работающими в разных спектральных диапазонах
6. Проведены исследования по оценке эффективности применения оптико-электронных систем (ОЭС) обнаружения и распознавания с учетом результатов натурных испытаний, разработаны предложения по особенностям их эффективного применения в горах.
Научная новизна.
В работе впервые получены следующие основные результаты:
12
1. Установлена зависимость пропускания лазерного излучения от концентрации водяного пара, общего давления, температуры среды и длины волны по результатам лабораторных и натурных исследований в горной местности. Получена обобщенная полуэмпирическая модель континуума водяного пара в диапазоне 8-12 мкм.
2. Установлена зависимость эффективности работы лазерных каналов оптико-электронных систем в условиях высокогорья в атмосфере с метеорологической дальностью видимости (МДВ) больше 20 км от влагосодержания воздуха и интенсивности турбулентности в приземном слое.
3. Впервые проведены исследования влияния горных условий на эффективность функционирования оптико-электронных систем.
4. Проведен сравнительный анализ изображений, формируемых информационными каналами, работающими в разных спектральных диапазонах.
Практическая ценность.
В работе представлен широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в горной местности. Полученные данные представляют научный и практический интерес, и могут быть использованы для решения задач, связанных с проблемами распространения оптического излучения в атмосфере, позволят повысить эффективность работы оптико-электронных систем с учетом пропускания оптического излучения в видимой, средне- и длинноволновой областях электромагнитных волн при их использовании в горной местности.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные результаты: - теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в горной местности;
13
- определения особенностей распространения оптического излучения в естественных и искусственных оптических аномалиях, формируемых в горной местности;
- исследований по оценке эффективности применения пассивных и активных оптико-электронных систем, работающих в различных спектральных диапазонах в горных условиях.
Апробация полученных результатов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях и семинарах:
1. Пятой Российской конференции по атмосферному электричеству. Владимир, 2003.
2. V конференции молодых ученых. РАН Кабардино-Балкарский центр, Нальчик, 2004.
3. XX Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество». Эльбрус, 2005.
4. Научных геофизических семинарах ГУ «ВГИ».
Личный вклад автора.
Автором работы лично:
- проведены теоретические расчеты;
- принято участие в постановке и проведении экспериментов;
- выполнен анализ результатов экспериментальных измерений.
Публикации по теме диссертации.
По теме диссертации опубликовано 7 работ [22 - 28].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 204 страницы машинописного
14
текста, включая 45 рисунков, 15 таблиц и 47 страниц приложения. Список литературы содержит 132 наименования.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложена цель исследований, рассматриваются научная новизна и практическая ценность работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В 1 главе приводится краткий обзор работ, посвященный анализу характеристик основных поглощающих компонентов атмосферы, влияющих на распространение оптического излучения в горных условиях, анализу условий прохождения и рассеяния оптического сигнала, что является основным предметом изучения в данной работе.
Показано, что изменения показателя ослабления видимого и инфракрасного излучения в «окнах прозрачности» земной атмосферы (микрофизические и химические свойства аэрозоля) сложным образом зависят от механизмов их образования и трансформации аэрозолей в атмосфере.
Выбрано два пути для практического использования результатов статистического обобщения характеристик ослабления а(к) оптического излучения в приземном слое воздуха:
а) аппроксимация а(к) на базе собственных функций,
б) применение уравнений среднеквадратической регрессии. Проведенный детальный анализ имеющихся данных для температурного
диапазона (-12Качественный анализ спектров флуктуации интенсивности лазерных пучков показывает, что независимо от параметров лазерных пучков, заметное влияние на спектры оказывает рассеяние оптических волн как на турбулентных
15
неоднородностях показателя преломления, так и на гидрометеорах, при этом свойства турбулентности проявляются главным образом в области низких частот, а осадков - в области высоких частот.
Исходя из вышеизложенного определены задачи диссертации. В частности, актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований распространения оптического излучения в естественных и искусственных оптических аномалиях, формируемых в горной местности.
Глава 2 посвящена:
1. Лабораторным и натурным исследованиям ослабления излучения СО2-лазера в «окне прозрачности» атмосферы 8-14 мкм и He-Ne-лазера на длине волны 0,63 мкм.
2. Лабораторным исследованиям зависимости пропускания лазерного излучения от концентрации водяного пара, общего давления, температуры среды и длины волны. Созданию горизонтальной трассы переменной длины в горных условиях, где изменения метеорологических условий происходят в широких пределах в относительно короткие промежутки времени, что позволило получить данные об ослаблении лазерного излучения воздухом при постоянном контроле параметров атмосферы.
3. Созданию экспериментальной установки для измерения содержания водяного пара в атмосфере.
4. Натурным экспериментам по определению содержания водяного пара в воздухе. Экспериментальная установка предоставила возможность проводить не только дистанционные измерения влажности, но и получать профиль влажности по высоте. Эта характеристика является одним из главных факторов, приводящих к образованию естественных атмосферных процессов.
5. Выполнению измерений концентрации и спектрального состава водяного пара и искусственных аэрозольных образований, возникающих в атмосфере при горении дымовой шашки и резины.
16
6. Прогнозированию наиболее благоприятных периодов применения лазерных каналов ОЭС в условиях высокогорья с целью повышения эффективности их функционирования с приемлемой точностью.
7. Методике расчета предельной дальности видения активных лазерных систем, использующей понятие «минимально разрешаемого контраста» и учитывающей особенности восприятия изображений, которая позволяет оценивать эффективность работы лазерных систем с учетом реальных атмосферных параметров в приземном слое.
Глава 3 посвящена исследованиям влияния горных условий на работоспособность телевизионных систем.
1. Создана экспериментальная установка для проведения натурных исследований телевизионных систем в горной местности.
2. Выбраны информационные каналы телевизионных систем для натурных исследований:
- сделан анализ характеристик информационных каналов с учетом пропускания оптического излучения в видимой, средне - и длинноволновой областях спектра электромагнитных волн;
- информационные каналы выбранные для натурных исследований: Низкоуровневый телевизионный канал «Гарпия» (0,4 мкм - 0,9 мкм), Тепловизионный канал «MilCAM» (3 мкм - 5 мкм), Тепловизионный канал «Сыч-2» (8 мкм — 12 мкм).
3. Проведены натурные исследования телевизионных информационных каналов, проведена обработка полученной информации и сделана оценка технических характеристик каждого из рассматриваемых каналов.
По результатам проведенных исследований сделаны выводы о необходимости использования многоспектральных систем, обладающих высокой точностью, круглосуточностью применения, и помехозащищенностью.
В заключении приведены основные выводы и даны рекомендации по использованию результатов исследований, полученных в диссертационной работе.
17
ГЛАВА 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИМЕСЕЙ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1 Основные поглощающие компоненты атмосферы.
Успешная работа оптико-электроных и радиотехнических средств определяется не только их техническими данными, но и состоянием атмосферы, в которой распространяются электромагнитные волны.
Прохождение электромагнитных волн в атмосфере зависит от ряда факторов, в том числе от метеорологических условий, наличия естественных и искусственных метеообразований [29, 30]. При распространении оптического излучения через атмосферу происходит ослабление, вызванное поглощением и рассеянием энергии. В области видимой части спектра преобладает рассеяние, а в ультрафиолетовой, и в инфракрасной областях атмосфера является главным образом поглощающей.
Основную роль в поглощении лучистой энергии в атмосфере играет кислород, озон, углекислый газ и водяной пар, а также аэрозоль.
Кислород Ог имеет полосы поглощения в видимой, главным образом ультрафиолетовой, части спектра. В видимой части спектра полосами поглощения являются: полоса с центром около 0,76 мкм и полоса с центром около 0,09 мкм. Поглощение в этих полосах мало, поэтому и влияние их на ослабление солнечной радиации также невелико.
В результате поглощения кислородом солнечной радиации в ультрафиолетовой области спектра (к < 0,24 мкм) в высоких слоях атмосферы происходит диссоциация молекулярного кислорода, образование озона.
Озон Оз, располагающийся в виде слоя на высотах от 10 до 60 км с центром тяжести на высоте около 22 км, обладает чрезвычайно большей поглощательной способностью в нескольких областях спектра, особенно в его ультрафиолетовой области. |
