СРЕДНИЙ И ДАЛЬНИЙ ИК-ДИАПАЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. ПРОХОЖДЕНИЕ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ

Инфракрасные излучения были открыты в 1800 году Вильямом Гершелем при изучении теплового эффекта в различных участках солнечного спектра. Было обнаружено, что наибольший тепловой эффект проявляется за пределами красной части видимого спектра – в области, получившей название инфракрасной.

Инфракрасное излучение возникает в результате внутренних физических процессов, протекающих в веществе источника этих излучений - колебательных и вращательных движений атомов и молекул, колебаний узлов решетки, электронных переходов с одних энергетических уровней на другие. Основным способом генерирования инфракрасных излучений является нагревание тел, отчего эти излучения также называют тепловыми.

Инфракрасные излучения являются областью электромагнитных колебаний, по своей физической природе сходной со световыми излучениями. Так же как световые, инфракрасные излучения представляют собой электромагнитные волны, распространяющиеся от источника прямолинейно в любой однородной физической среде – в вакууме, газах и жидкостях.

С помощью линз из материалов, прозрачных для инфракрасных излучений, или зеркал эти излучения так же, и как световые, можно отклонять в результате преломления или отражения, фокусировать и разлагать на спектральные составляющие, посредством призм или дифракционных решеток.

Как разновидность электромагнитных колебаний инфракрасное излучение занимает в спектре электромагнитных волн широкую область, смыкающуюся с одной стороны с длинноволновой частью видимой части спектра (с длиной волны λ=0,74 мкм), а с другой стороны – электромагнитными колебаниями миллиметрового диапазона. Инфракрасный диапазон излучения принято разделять на три поддиапазона. Окна прозрачности в этих диапазонах:

- ближний ИК-диапазон λ = 0,75…1,1 мкм;

- средний ИК – диапазон λ =3…5,5 мкм;

- дальний ИК – диапазон λ = 8…14 мкм.

При прохождении через атмосферу ИК-излучение ослабляется вследствие поглощения и рассеяния молекулами газов, дождем, снегом, а также мельчайшими частицами, находящимися в атмосфере во взвешенном состоянии, -аэрозолями. Молекулярное поглощение является существенной причиной ослабления излучения. В диапазоне длин волн свыше 1 мкм для высот до 12 км наибольшее значение для работы ИК - аппаратуры имеет селективное поглощение излучения молекулами водяного пара, углекислого газа, а также озона [4;5].

Концентрация водяного пара в атмосфере зависит от многих факторов – географического положения, высоты, времени года, местных метеорологических условий – и находится в пределах 0,001…4% (по объему). С увеличением высоты содержание водяного пара в атмосфере резко уменьшается, и при высотах свыше 12 км оно пренебрежимо мало. Полосы сильного поглощения излучения парами воды соответствуют следующим интервалам длин волн, мкм: 1,095…1,165; 1,319…1,948; 1,762…1,977; 2,250…2,845; 4,24…4,4; 5,25..7,5. Полосы сильного поглощения углекислым газом соответствуют интервалам длин волн, мкм: 1,38…1,5; 1,52…1,67; 1,92…2,1; 2,64…2,87; 4,63…4,95; 5,05…5,35; 12,5…16,4.

Поглощение излучения углекислым газом зависит от числа поглощающих молекул на трассе, которое прямо пропорционально длине трассы и давлению воздуха и обратно пропорционально его температуре. По мере увеличения высоты интенсивность поглощения ИК-излучения парами воды и углекислым газом уменьшается. Это учитывается поправочными коэффициентами, зависящими от высоты.

Излучение не только поглощается молекулами воды, углекислого газа и озона, но и рассеивается молекулами воздуха –молекулярное рассеивание, а также различными частицами, присутствующими в атмосфере: кристаллами солей; пылинками, поднятыми ветром с поверхности земли; остатками продуктов сгорания, каплями воды и кристаллами льда –аэрозольное рассеивание. В то время, как коэффициенты пропускания атмосферой монохроматического излучения с учетом молекулярного рассеивания можно рассчитывать с той или иной степенью точности, расчет коэффициентов пропускания излучения с учетом аэрозольного рассеивания весьма затруднен, так как для этого необходимо знать количество, размеры, форму и состав вещества аэрозольных частиц, на которых происходит рассеивание излучения. Поэтому разработаны и применяются эмпирические методы, с помощью которых пропускание ИК-излучения через атмосферу можно оценивать с точностью 5…10%. Наиболее распространен метод «Лоутран», разработанный Геофизической лабораторией ВВС США [6].

На рис. 2.1. приведена типичная зависимость пропускания атмосферы от длины волны излучения и показана тесная связь между расположением окон прозрачности атмосферы и молекулярным поглощением различных ее компонентов [6].

На рис. 2.2…2.5 представлены примеры изменения спектрального коэффициента пропускания атмосферы от протяженности трассы, от температуры атмосферы, от значения относительной влажности и величины метеорологической дальности видимости [6].

Влияние на пропускание ИК- излучения протяженности трассы при МДВ =15км иллюстрируется рис. 2.2 [6].

Рис.2.2а соответствует дальности ≈0,2 км, рис.2.2б -10км.

Влияние температуры на пропускание атмосферы иллюстрируется рис. 2.3. Температуре воздуха 0°С при МДВ = 15 км соответствует рис. 2.3а. Рис.2.3б. соответствует температуре воздуха 30°С [6].

На рис. 2.4а и рис 2.4б представлены спектральные коэффициенты пропускания при МДВ=15 км и относительной влажности воздуха 40 и 90 % [6].

На рис. 2.5а и 2.5б при температуре воздуха 20°С, относительной влажности 70% и протяженности трассы 2 км приведены коэффициенты пропускания атмосферы при метеорологической дальности видимости (МДВ) 45 и 2 км.

МДВ характеризует замутненность атмосферы и представляет собой наибольшую дальность видимости днем темных предметов с угловыми размерами, большими 30 угловых минут, проектирующихся на фоне неба у горизонта. Метеорологическая дальность видимости изменяется в широких пределах . Атмосфера считается прозрачной , если МДВ ≥ 10 км, при сильном тумане или сильном снеге МДВ не превышает 0,2…0,5 км.

Туман и облака сильно рассеивают инфракрасное излучение и практически непрозрачны для инфракрасных лучей. При толщине облачности свыше 20 м, когда солнце не просматривается через облака, ИК-излучение также через них не проходит. Дождь, в отличие от тумана и облаков, лучше пропускает ИК-излучение. Например , коэффициент пропускания ИК-излучения на трассе длинной 1,8 км при слабом дожде равен 0,88. В этих условиях возможна работа тепловизионной аппаратуры, но на сниженных дальностях.

Анализ распространения ИК-излучения в атмосфере показывает, что при равных метеоусловиях поток излучения, приходящийся на преобразователь «излучение-сигнал» в диапазоне длин волн 8…14, по крайней мере в 10 раз больше потока излучения в диапазоне 3…5мкм. Кроме того, что особенно важно, поглощение излучения в диапазоне 8…14 мкм в дыму и пыли существенно меньше по сравнению со средним ИК-диапазоном. Поэтому тепловизионные системы (ТПВ -системы) с приемниками дальнего ИК-излучения в условиях поля боя обеспечивают большую дальность обнаружения и идентификации объектов военной техники, чем ТПВ -системы, работающие в среднем ИК -диапазоне.