§ 4.1. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ОПТИЧЕСКОГО И ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ
 

  К оптическому диапазону относятся электромагнитные колебания с длиной волны 0,39—0,75 мкм, воспринимаемые человеческим глазом. К инфракрасному диапазону относятся волны длиной 0,75—1000 мкм, занимающие промежуточное положение между оптическими и миллиметровыми волнами. Инфракрасный диапазон делят на три области: ближнее инфракрасное излучение—от 0,75 до 1,5 мкм, среднее—от 1,5 до 5,6 мкм и дальнее—от 5,6 до 1000 мкм. Границы спектров оптических, инфракрасных и миллиметровых волн взаимно перекрываются. В дальнейшем для краткости инфракрасные волны будем называть ИК.

   Оптическое излучение возбуждается за счет энергии перехода в атомах и молекулах излучающего тела. ИК излучение возникает в результате колебательных и вращательных движений атомов и молекул вещества. Оптические и ИК волны могут фокусироваться линзами и зеркалами, менять свое направление при отражении и преломлении, разлагаться в спектр призмами. ИК волны подобно радиоволнам, могут проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для оптических волн. ИК волны нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.

    ИК системы, создаваемые для обнаружения источников излучения в военном деле и промышленности, значительно меньше, проще и дешевле радиолокационных систем аналогичного назначения. Простота схем и конструкций таких приборов объясняется применением оптики, что дает возможность конструировать приборы из более мелких и прочных деталей. В ИК системах отсутствует вредное явление боковых лепестков диаграммы направленности излучателей, присущее радиолокационным системам. Главным преимуществом многих ИК систем является отсутствие передатчика — используется излучение от целей, которые или сами являются источниками ИК или отражают излучение естественных ИК источников. Такие системы называются пассивными. Активные ИК системы имеют мощный источник ИК, излучение которого, отфильтрованное в узком участке спектра, концентрируется с помощью оптической системы и направляется в виде узкого пучка на цель.

     ИК системы обладают высокой разрешающей способностью. Первые советские искусственные спутники Земли обнаруживались и регистрировались наряду с другими методами по их ИК излучению.

    При использовании оптического и ИК диапазонов для целей связи преимуществом является возможность передачи большого количества информации, поскольку спектр этих диапазонов достигает 10 МГц. Системы связи оказываются помехозащищенными благодаря применению узкополосных фильтров и большой направленности излучения. Предполагается, что такие системы могут быть использованы также для космической связи и локации.

   Оптические и ИК волны испытывают ослабление при прохождении атмосферы, особенно если она насыщена водяными парами и пылью. Подобно радиоволнам, эти волны рефрагируют в неоднородной атмосфере. Излучающие и отражающие тела, если они не являются целью, создают фон, мешающий работе системы и проявляющийся как вредный шум.

§ 4.2. ОСЛАБЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ИНФРАКРАСНЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ

    Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане.

   Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Мощность, которую несут световые и инфракрасные волны, прошедшие в атмосфере некоторое расстояние r, вычисляется аналогично мощности радиоволны:

где Г—суммарный коэффициент поглощения: .

Здесь и —коэффициенты ослабления за счет рассеяния на молекулах газа и пара; —коэффициент селективного поглощения; —коэффициент затухания в тумане.

Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы

   Молекулы газов и водяных паров обладают электронной, колебательной и вращательной энергиями. При излучении или поглощении кванта электромагнитных колебаний определенной частоты скачком изменяются уровни этих энергий. Поглощение такого рода, наблюдаемое в узкой полосе частот, называется селективным поглощением. Полосу частот, в которой происходит поглощение, называют линией поглощения.

   Селективное поглощение особенно характерно для ИК диапазона. На рис. 4.1, а и б показано распределение поглощения энергии нормального солнечного спектра атмосферными газами, измеренное для диапазона волн 0,1—100 мкм у поверхности Земли и на высоте 11 км над Землей. На рисунке указаны газы, обусловливающие поглощение на отдельных участках спектра.

    В видимой части спектра на волнах 0,4—0,76 мкм поглощение незначительное, при длине волны 0,76 мкм наблюдается поглощение в кислороде. Участки сильного поглощения парами имеются вблизи волн длиной 0,94; 1,10; 1,38; 1,87 мкм, в интервалах длин волн 2,6—3,3; 5,5—7,5 мкм.

   Поглощающее действие оказывают углекислый газ-(на волнах 2,7; 4,3; 12—20 мкм) и озон (на волнах 4,7 и 9,6 мкм). Слабое поглощение вызывают метан, закись азота, окись углерода. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы.

   Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95—1,05; 1,2—1,3;

1,5—1,8; 2,1—2,4; 3,3—4,0; 8,0—11,0 мкм. В указанных пределах поглощением можно пренебречь, тогда как на промежуточных волнах и волнах длиннее 13 мкм происходит практически полное поглощение.