Флуктуационные явления в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹Студент КФ МГТУ им. Баумана

²КФ МГТУ им. Баумана

³КФ МГТУ им. Баумана

Флуктуационные явления в атмосфере

А.А. Шурыгин¹, П.А. Зорина², А.К. Горбунов³

e-mail: ¹Iron-muscle1996@yandex.ru,

²kf_MGTU_Fiz@mail.ru, ³kf_mgtu_fn@mail.ru

При распространении излучения в атмосфере происходит не только его ослабление, но имеет место и флуктуация параметров волны излучения - амплитуды и фазы. Эти флуктуации обусловлены турбулентными процессами в атмосфере, приводящими к случайному изменению показателя преломления атмосферы по направлению излучения.

Изменение показателя преломления происходит в основном из-за изменения температуры воздуха, в результате чего создаются оптические неоднородности, размеры которых изменяются от нескольких миллиметров до десятков метров.

Математическое описание процессов распространения оптического излучения через турбулентную атмосферу в настоящее время разработано для определенных простых моделей атмосферы с использование приближенных математических приемов.

Свойства турбулентной атмосферы описываются с помощью структурных функций, предложенных А.Н. Колмогоровым. Структурная функция представляющая пространственную дисперсию распределения показателя преломления, определяется как соотношение (1):

амплитуда оптический турбулентность атмосфера

(1)

Где - расстояние между точками.

Размеры оптических неоднородностей характеризуются так называемым внутренним и внешним масштабами турбулентности, которые равны наименьшему и наибольшему размерам неоднородностей соответственно.

Характерный внутренний масштаб турбулентности для атмосферы составляет примерно 1 см. Внешний горизонтальный масштаб турбулентности по разным оценкам равен примерно км.

Флуктуации амплитуды приходящей волны оптического излучения вследствие турбулентности атмосферы приводят к явлению, называемому мерцанием изображения. Этот термин, строго говоря, относится к зрительному восприятию излучения, но может быть распространен и на инфракрасную область спектра. Мерцание как случайный процесс, характеризуется дисперсией флуктуации интенсивности приходящего излучения и энергетическим спектром.

Количественные оценки этих величин в большинстве работ, посвященных этому вопросу, основаны на экспериментальных данных для некоторых частных случаев. Дисперсия флуктуации интенсивности уменьшается с увеличением площади входного зрака ОЭС, что объясняется усредняющим действием этой площади. Однако, начиная с некоторой величины входного зрачка, дисперсия мерцания не уменьшается при дальнейшем увеличении площади зрачка. Реально удается снизить дисперсию мерцания путем увеличения площади входного зрачка не более чем на 30%. Важным является учет влияния длин волн излучения на дисперсию мерцания. В областях спектра, свободных от поглощения парами воды, уровень флуктуации практически не зависит от длины волны.

Вблизи полос поглощения парами воды флуктуации значительно возрастают. Изменение дисперсии флуктуации может достигать 60-70%, то существенно для ОЭС, работающих в широком спектральном диапазоне. Дисперсия мерцания также зависит от длинны трассы и при допущении локальной изотропности и однородности атмосферы увеличивается пропорционально произведению .

Временной спектр флуктуации интенсивности излучения, проходящего через турбулентную атмосферу, также зависит от площади входного зрачка приемной ОЭС и длины трассы. Увеличение входного зрачка приводит к подавлению более высоких частот. Спектр флуктуации расширяется при увеличении интенсивности турбулентности, смещаясь в область более низких частот при увеличении длины трассы . Изменение оптической длины хода лучей из-за турбулентности приводит к флуктуациям фазы приходящей волны излучения, что вызывает дрожание изображения. Дрожание, как и мерцание, уменьшается с увеличением площади входного зрачка ОЭС. Дрожание изображения приводит к его размытию. Размытие изображения можно рассматривать как искажение пространственно-частотного спектра объекта т.е. представить атмосферу как оптический элемент, имеющий некоторую двумерную передаточную функцию, называемую оптической передаточной функцией атмосферы, модуль которой называется частотно-контрастной характеристикой атмосферы. Оптическая передаточная функция турбулентной атмосферы связана со структурной функцией фазы соотношением (2):

(2)

где - пространственная частота в плоскости изображения; - фокусное расстояние объектива; - расстояние между двумя точками в фокальной плоскости объектива. Структурная функция фазы определяется структурной постоянной , параметрами пучка, длиной трассы, длиной волны.

В общем случае с точки зрения частотного анализа турбулентную атмосферу принято рассматривать как фильтр низких частот, область пропускания которого не выходит за пределы 10^-2 угл. с^-1.

Следует отметить ряд особенностей, ограничивающих использование частотного анализа прохождения излучения через атмосферу. Оптическая передаточная функция атмосферы зависит от времени усреднения результатов измерений. Это связано с наличием как быстрых, так и медленных процессов в турбулентной атмосфере. Только при достаточном усреднении возможно разделение оптических передаточных функций атмосферы и ОЭС. Это время усреднения оценивается величинами порядка 0,05 с.

Оптическая передаточная функция зависит от длины волны излучения. По данным экспериментальных измерений на горизонтальных трассах установлено, что ИК области спектра в окнах прозрачности более высокие пространственные частоты передаются лучше, чем в видимой.

При распространении излучения по вертикальным и наклонным трассам, что характерно для ОЭС дистанционного зондирования, следует учитывать, что структурная функция изменяется с высотой. В практических расчетах часто применяется зависимость, которая выражается равенством (3):

(3)

где - некоторая начальная высота; - текущая высота, - значение структурной постоянной на высоте. При наблюдении в надир(по вертикальной трассе сверху вниз) структурная функция фазы сферической волны излучения имеет вид равенства (4):

(4)

где ; - длина трассы или для вертикальных трасс высота. Подстановка формулы (4) в (2) дает выражение для оптической передаточной функции турбулентной атмосферы при визировании в надир.

Отметим, что при визировании в зенит (снизу вверх, объект вверху) пространственное разрешение хуже, чем при наблюдении в зенит. Это объясняется тем, что при наблюдении в зенит атмосфера, имеющая наибольшую турбулентность в приземном слое, взаимодействует с плоской волной (расстояние между объектом наблюдения и турбулентными слоями велико), в то время как при наблюдении в надир атмосфера взаимодействует со сферической волной. Величина структурной функции фазы меньше для сферической волны.

Список использованной литературы

[1] http://Slater. The multispectral Scanner System//Space Remote Systems.-2010-V.35 Pp. 433-385

Размещено на Allbest.ru