ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Распространение лазерного излучения через атмосферу из "Лазерная локация " Формулируя математическую модель лазерного локационного сигнала в окрестности подсвечиваемой цели и сигнала, приходящего после отражения от нее на приемную апертуру, было сделано предположение, что среда, через которую распространяется лазерное излучение, обладает идеальной прозрачностью и не вносит никаких дополнительных искажений. [c.50] Подобная ситуация весьма типична для случая, когда и лазерный локатор и цель находятся в условиях вакуума в космическом пространстве. Когда же локатор или цель, или и то и другое находятся в атмосфере, лазерный луч подвергается различным искажениям, что ведет к ослаблению суммарной энергии, к ее перераспределению в окрестности цели и к нарушению информационного содержания принимаемого от цели локационного сигнала. [c.50] Все основные эффекты, сопровождающие прохождение лазерного сигнала через атмосферу, подробно излагаются в [20, 21]. Цель настоящего раздела — выделить те эффекты, которые имеют первостепенное для лазерной локации значение, показать, к каким ограничениям приводят эти эффекты, как и при каких условиях эти ограничения могут быть частично или полностью устранены, и, наконец, как искажения, вызываемые данными эффектами в информационной структуре локационного сигнала, могут быть учтены в соответствующей математической модели. [c.50] С точки зрения лазерной локации все атмосферные эффекты могут быть (хотя в некоторых случаях и весьма условно) разделены на две группы. В первую группу входят те явления, которые вызывают изменение суммарной интенсивности направляющегося к цели светового потока. Во вторую — те, которые вызывают изменение геометрических параметров подсвечивающего пучка (его расширение и отклонение) и перераспределение энергии в зоне цели. [c.50] Для большинства представляющих интерес с точки зрения лазерной локации длин волн коэффициенты молекулярного и корпускулярного рассеяния увеличиваются обратно пропорционально величине длины волны в четвертой степени. Молекулярное (релеев-ское) рассеяние света неизбежно имеет место и оно почти не меняется во времени, но практически не препятствует прохождению света видимых и инфракрасных длин волн. Например, излучение с длиной волны 0,5 мкм, направленное вертикально с уровня моря в зенит будет ослаблено в толще атмосферы за счет релеевского рассеяния всего на 13% в дальнем инфракрасном диапазоне (10,6 мкм) релеевским рассеянием вообще можно пренебречь. [c.51] В то же время корпускулярное рассеяние при некоторых метеорологических условиях может быть весьма значительным. В основном оно имеет место в той зоне атмосферы, где происходит ее турбулентное перемешивание. Толщина этой зоны измеряется не от среднего уровня моря, а от поверхности Земли и составляет около 5 км. В пределах указанного слоя изменяющиеся во времени коэффициенты рассеяния (являющиеся функцией высоты) тесно связаны с видимостью в поверхностном слое. Поэтому, устанавливая лазерный локатор даже на горе, не удается полностью избежать влияния низковысотной дымки, поскольку ламинарные и турбулентные воздушные потоки заносят в горы с небольших высот некоторое количество аэрозолей (взвешенных частиц). Плотность аэрозолей над гористой местностью зависит не только от видимости в поверхностном слое, но также и от ветров в этом случае, от восходящих потоков воздуха и местного рельефа. [c.51] Ко второй группе атмосферных эффектов относятся прежде всего явления, связанные с турбулентным характером атмосферы. Турбулентные потоки воздуха обусловливают возникновение местных флуктуаций плотности атмосферы и, следовательно, изменение ее коэффициента преломления. Эти флуктуации имеют микромасштабное время корреляции порядка нескольких миллисекунд. Изменения коэффициента преломления вызывают изменение оптической длины пути луча. В результате в пределах лазерного пучка могут нарушиться существовавшие в нем фазовые соотношения. В силу случайного характера турбулентности коэффициент преломления вдоль всего пути распространения лазерного излучения изменяется случайным образом. Поэтому в качестве основной характеристики в данном случае выступает некоторый поперечный корреляционный размер ркор- В соответствии с определением ркор — есть минимальное расстояние между двумя ближайшими лучами, которые из-за прохождения участков атмосферы с различными коэффициентами преломления оказываются некоррелированными у цели. [c.52] Для вертикального прохождения лазерного излучения в космическое пространство от локатора, расположенного на высокой горе, Сп может быть принято равным l,7-10 i Тогда из (1.4.4) находим, что для Я=0,5 мкм ркор Ю см, для Я=10,6 мкм ркор — г 390 см. [c.52] Ориентируясь на результаты исследований, проведенных в разд. [c.55] Сравнивая (1.2.17) и (1.4.17), видим, что турбулентность среды, через которую осуществляется наблюдение, приводит к появлению дополнительного фазового множителя. Этот множитель оказывает существенное влияние на принимаемую информацию и, в частности, на формируемое оптическое изображение. Эти вопросы будут подробно рассмотрены в гл. 3. [c.55] Влияние турбулентности может быть снижено с помощью методов адаптивной оптики. Известно несколько методов адаптивной компенсации [34], но большинство из них аналогичны по своему принципу излучение, приходящее от цели, обрабатывается, в результате чего выделяется информация об относительной разнице между длинами оптических путей в пределах принятого пучка. Затем фазовый фронт передаваемого излучения предварительно деформируется для компенсации этой разницы. Подобная операция достигается либо путем искажения формы фокусирующего зеркала, либо фазовым сдвигом субапертур с помощью оптикоакустических, электрооптических эффектов или на основе явления четырехволнового вырожденного смещения. [c.56] Все адаптивные методы обладают вполне определенными ограничениями. Одни — возникают вследствие необходимости достаточно большого уровня принимаемой энергии, необходимой для обеспечения указанного ранее анализа принимаемого сигнала, другие ограничения возникают в связи с кинематикой системы локатор — цель . [c.56] Действительно, если цель имеет высокую тангенциальную скорость, то необходимо, чтобы лазерный луч был направлен в упрежденную точку. Вследствие этого он будет проходить путь, отличающийся от пути, проходимого излучением, принимаемым от цели. Если же принимаемый и передаваемый лучи будут разнесены более чем на одну поперечную корреляционную длину ркор. то они будут проходить через различные воздушные каналы, имеющие статистически независимые характеристики турбулентности. Следовательно, информация о турбулентности, полученная от прошедшего луча, не может быть использована для определения величины компенсации турбулентности, воздействующей на передаваемый сигнал. [c.56] Наибольший телесный угол, внутри которого оптические сдвиги коррелированы по фазе (условие изопланатизма), называется изопланатическим участком . Для локатора, находящегося на Земле, и цели, находящейся вне атмосферы, этот участок можно определить как телесный угол 0и, хорда дуги которого на приведенной высоте турбулентного слоя равна ркор, так что 0 = ркор/ п. Необходимый угол упреждения цели 0у определяется умножением угловой скорости цели на сумму следующих временных интервалов интервала, требующегося для того, чтобы рассеянное целью излучение достигло локатора интервала, необходимого для определения и осуществления необходимой фазовой коррекции интервала, требующегося для того, чтобы локационный сигнал достиг цели. [c.56] Хотя проведенные рассуждения относились к случаю повышения эффективности подсвета цели, они, конечно, полностью справедливы и с позиции повышения информативности принимаемого локационного сигнала. Очевидно, что для того, чтобы адаптивная обработка сигнала была эффективна, необходимо, чтобы цель в течение времени, пока проводится эта обработка, не успела сместить ся на угол, соизмеримый с углом 0у. [c.57] После обсуждения основных эффектов, сопровождающих прохождение лазерного излучения через атмосферу, естественно возникает вопрос о том, какое же излучение наиболее целесообразно использовать, чтобы как можно сильнее снизить вредное влияние этих эффектов. К сожалению, однозначного ответа, относящегося к любым локационным системам, сформулировать невозможно. Если же ориентироваться на лазерные локаторы, расположенные на Земле и предназначенные для наблюдения космических объектов, го предпочтение можно отдать излучению инфракрасного диапазона. Помимо того, что в этом диапазоне достаточно мал коэффициент рассеяния, для него также характерен сравнительно большой поперечный корреляционный размер ркор, что значительно упрощает применение адаптивных методов. [c.57] Вернуться к основной статье