Так, например, на рис. 4.63 изображен тонкий спектр молекулярного поглощения солнечного излучения в диапазоне длин волны рубинового лазера (0,6934 ... 0,6943 мкм). Там же показана шкала температур кристалла в соответствующая ей шкала длин волн излучения лазера. Общее представление о тонкой структуре спектра поглощения земной атмосферы в спектральных участках излучения лазера можно составить на основе данных, приведенных в [7].

Высокая монохроматичность, малая расходимость и большая плотность излучения лазеров создают особые условия его распространения в атмосфере. Затухание излучения лазера подчиняется закону Бугера-Беера:

f=fe- , (4.49>

где L - длина пути, проходимого излучением в атмосфере, км; а - показатель затухания, км-\

Затухание обусловлено поглощением и рассеянием оптического излучения, поэтому а = -f- Юр, где и ар - показатели поглощения и рассеяния соответственно.

При конструировании прибора, предназначенного для работы в атмосфере, выбирают лазер с длиной волны излучения, находящейся в одном из атмосферных окон . Поэтому < ар и можно считать а~ ар.

Показатель затухания связан с метеорологическими параметрами атмосферы, которые меняются во времени и в пространстве. Обычно показатель аатухания определяют, учитывая его корреляцию с метеорологической дальностью видимости /, которая легко определяется экспериментально и систематически фиксируется метеорологами.

Для чистой атмосферы, когда I > 10 км,

a() = -(V.0,55)- . (4.Ь0>

где п = 0,585 1-

В условиях дымки и тумана показатели затухания определяют по табл. 4.15 и 4.16, где иа - показатели затухания излучения с длиной волны 10,6 и 1,06 мкм соответственно; w* - водность, мг/м^ [8].

Для дождя показатель затухания ориентировочно рассчитывают по формуле Поляковой:

а = 0,9 Уо.? дБ/км, (4.51)

где J - интенсивность дождя, мм/ч. Коэффициент а в этом случае не зависит от длины волны излучения X, так как радиус рассеивающих частиц / > А,.

При распространении излучения лазера в атмосфере, помимо его затухания, имеет место искривление световых пучков (качание луча), случайные

BS45E

633,442 Щ^О - 693,361

69iOI9 h 894,гГ5 694,38

693,3 4

4 694,5 К,нн

Рис. 4.63. Тонкий спектр поглощения в атмосфере солнечного излучения в диапазоне длин во. 6ВЗ,3...694,6 нм.

Зависимость показателя затухания от метеорологической дальности видимости (в условиях дымки)

изменения фазы колебаний, флуктуации поляризации излучения и другие явления. Они обусловлены турбулентностью атмосферы, которая вызывает колебания температуры, влажности и плотности воздуха, а следовательно, и его коэффициента преломления. Области скачков показателя преломления (неоднородности) могут иметь протяженность от нескольких миллиметров до сотен метров.

В условиях сильной турбулентности нижних слоев атмосферы присутствуют неоднородности различных масштабов и различной структуры. Поэтому при исследовании влияния турбулентности на распространение ла-аерного излучения используют так называемые структурные функции, введенные А. Н. Колмогоровым. Так, для показателя преломления среды пространственная структурная функция имеет вид

Dn (г) = in (Га) - п (/-Jp = An (/)2,

(4.Б2)

где г = - ri - расстояние менаду точками.

Для локально изотропной и однородной турбулентности справедлив закон двух третей Колмогорова-Обухова:

= /-2/3

(4.53]

где Сп - структурная постоянная показателя преломления, определяемая по формуле Сп (ft) = kch~1e~4o; ft-высота слоя, км; ftj = 3,2 км-приведенная высота; 1 < г < Ц; 1д = I ... 2 мм - внутренний масштаб турбулентности; Ц = 5 ... Юм - внешний масштаб турбулентности. Вблизи Земли можно принять сп 7: м~1. Способы определения структурной постоянной показателя преломления основаны на использовании данных о средних значениях характеристик метеорологических полей [8].

Таблица 4.16

Зависимость показателя затухания от водности и метеорологической дальности видимости (в условиях тумана)

Турбулентность атмосферы приводит к флуктуации фазы как вдоль, так и поперек пучка, в результате чего снижается временная и пространственная когерентность излучения.

При горизонтальном распространении плоских волн степень фазовой когерентности по сечению луча оценивают величиной Го, назьгааемой размером когерентности. При горизонтальном распространении плоских волн

Величина Го изменяется в пределах от единиц до десятков сантиметров.

Флуктуации угла прихода излучения ДР, вызванные трубулентностью атмосферы, оценивают по соотношению

(Дрр=.1.460-,/з dL, (4.55)

где DoHT - диаметр входного зрачка оптической системы. На реальных трассах среднее квадрэтическое значение флуктуации угла прихода излучения составляет от единиц до десятков угловых секунд.

Флуктуации интенсивности приходящего оптического сигнала характеризуют величиной

= (In / - ц)2, (4.56)

где / - интенсивность в безразмерных единицах; ц = 1п /.

Для однородной турбулентности атмосферы и слабых флуктуации величину определяют по формуле [8]

ag = l,23cv/L /e, (4.57)

где V = 2я/Я.; L - длина трассы.

Для сильных флуктуации В. И. Татарским [18] предложена формула

о2с=1 (1 + 60о=)- / (4.58)

которая хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Формула (4.58) справедлива для малых значений радиуса входного зрачка приемного устройства. При увеличении радиуса входного зрачка величина о падает вследствие усреднения, но не более, чем на 30% от его значения для точечного приемника.

Изменения плотности воздуха, вызванные малыми температурными градиентами в атмосфере, приводят к изменениям коэффициента преломления среды, в результате чего искривляются направления световых пучков.

Зависимость изменения показателя преломления воздуха от изменения температуры имеет вид

Дп = -ДГ. (4.59)

Если показатель преломления воздуха п = 1,0003, Т = 300 К и ДГ = = 1 К, то Дя10-. Изменение показателя преломления Дп является случайной функцией пространственных координат и времени. Зависимость среднего квадр этического значения изменения показателя преломления от высоты Н описывается эмпирической зависимостью

где Н - выражено в метрах.

Исследованиями установлено, что максимальное значение Дп наблюдается на высоте 300 ... 400 м

(/ дй2 ~10-в). При длине трассы l=30km такое изменение показателя преломления воздуха вызывает угловое отклонение луча, среднее квадратическое значение которого l/Дё iZ 1 мрад. Соответствующее линейное отклонение равно 30 м.