Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Затухание (ослабление интенсивности) электромагнитного излучения в атмосфере обусловлено главным образом двумя причинами: 1) поглощением молекулами атмосферных газов и 2) рассеянием на флуктуациях плотности и аэрозольных ча­стиц. Затухание зависит от прозрачности атмосферы, протя­женности трассы и длины волны излучения. Ослабление излу­чения описывается законом Бугера:

(2.1)

где ID — интенсивность пучка излучения, прошедшего слой толщиной D; /0 — интенсивность входящего в слой пучка; а (А,)—спектральный коэффициент ослабления (так называе­мый коэффициент экстинкции), характеризующий прозрачность атмосферы и представляющий собой сумму двух слагаемых — коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния:

a(A) = an(A) + ctp(A).

Величину

называют спектральным коэффициентом прозрачности атмо­сферы на единицу длины пути (обычно на 1 км), и соотноше­ние (2.1) часто записывают в виде

ID = /0orD.

Если учитывается только поглощение, то

(2.5)

а если только рассеяние, то соответственно

(2.6)

В общем случае спектральный коэффициент прозрачности с уче­том поглощения и рассеяния пред­ставляют в виде произведения

(У — ОпСГі

Затухание электромагнитных волн часто выражают в децибелах на единицу длины пути (дБ/км).

Децибел — это относительная лога­рифмическая единица ослабления (или усиления); число децибел при

изменении мощности от значения Рі до значения Р% выража

ется величиной 10 lg

Наиболее сильное влияние на поглощение электромагнит­ных волн оказывают пары воды, углекислый газ, кислород и озон. В диапазоне видимого света и ближней инфракрасной (ИК) области поглощение вызывается преимущественно моле­кулами водяного пара. При этом в приземном слое атмосферы имеются окна прозрачности (наибольшего пропускания) в диа­пазонах 400—780, 800—920, 980—1050, 1170—1320нм (рис. 15). Коэффициент поглощения водяного пара зависит от его пар­циального давления, ограниченного уровнем насыщения. Дав­ление насыщенного пара является функцией температуры воз­духа. Парциальное давление, т. е. содержание водяного пара в воздухе, а следовательно, и обусловленное им затухание, увеличиваются с ростом температуры.

Исследования «тонкой структуры» атмосферного поглоще­ния показывают, что и в окнах прозрачности имеется ряд сла­бых линий и полос поглощения. При использовании источни­ков света с широким спектром излучения (таких, как лампы накаливания или ртутные лампы) ими можно пренебречь, од­нако при узкополосных излучателях (лазеры) их необходимо учитывать, чтобы длина волны излучения не попала в линию поглощения.

В безоблачной атмосфере неселективное (не зависящее от длины волны) поглощение вызывается сравнительно крупными взвешенными частицами (такими, как продукты сгорания); при выполнении геодезических работ в городах и промышленных районах с таким поглощением приходится считаться.

Если ослабление ИК излучения при низкой прозрачности атмосферы происходит главным образом за счет поглощения водяным паром и процессами рассеяния можно пренебречь (излучение ближней ИК области спектра лишь немного ослаб­ляется в легком тумане или дымке при размерах частиц менее 1 мкм), то для видимого излучения рассеяние является преоб­ладающим компонентом затухания. При этом рассеяние про-

3 Закал М 1935

исходит на частицах, размеры которых меньше длины волны излучения или соизмеримы с ней. Кроме того, наблюдается также отражение или преломление света частицами, размеры которых больше длины волны. Рассеяние на частицах с раз­мерами порядка длины волны называют дифракционным, а на частицах, намного превышающих длину волны,— геометриче­ским. При сильных дымках и особенно туманах основную роль играет геометрическое рассеяние, поскольку большинство ка­пельных частиц, образующих туман, имеют размер 7—15 мкм. Интенсивность излучения снижается за счет рассеяния тем больше, чем меньше длина волны. .

Субъективно прозрачность атмосферы для видимого диапа­зона спектра может быть оценена так называемой дальностью видимости. Дальность видимости (ее называют также визуаль­ной или метеорологической дальностью видимости) определя­ется как наибольшая горизонтальная дальность, на которой днем можно различить крупную темную цель (например, лес) на фоне неба. Эта дальность равна, следовательно, расстоя­нию, для которого яркостный контраст становится равным контрастной чувствительности (пороговому контрасту) челове­ческого глаза. При средней величине контрастной чувствитель­ности глаза при дневном свете, равной 0,02, связь между коэф­фициентом ослабления (экстинкции) и визуальной дальностью видимости S определяется формулой

а = 3,91 км/S, (2.8)

справедливой при длине волны Я.= 555 нм, соответствующей максимуму спектральной чувствительности глаза. С известной степенью приближения данным соотношением можно пользо­ваться и применительно к электрооптическим системам с ши­рокополосными излучателями, работающими в этом диапазоне волн. При использовании селективных излучателей инфракрас­ного диапазона коэффициент ослабления уменьшается в зави­симости от размеров взвешенных частиц. Например, при Я= =900 нм и средней дальности видимости этот коэффициент можно принять равным 2,5 км/S.

Оценив дальность видимости, можно найти по формуле (2.8) коэффициент ослабления и затем при известной началь­ной интенсивности определить по формуле (2.1) интенсивность излучения после прохождения расстояния D. При измерении расстояний электронными методами следует учитывать, что из­лучение проходит путь, равный двойному измеряемому рас­стоянию. Поскольку при устойчивой погоде значение коэффи­циента прозрачности атмосферы остается неизменным и ночью, можно пользоваться при ночных измерениях его значением, определенным во второй половине дня.

Зависимость прозрачности атмосферы от длины волны X изучалась в большом количестве работ, значительная часть ко­

торых носит экспериментальный характер. Однако, как и в боль­шинстве атмосферных исследований вообще, полученные оценки и ре­зультаты отражают различные ча­стные случаи атмосферных условий и поэтому привести универсальную и достаточно точную зависимость представляется затруднительным.

Нередко применяется формула Рокара:

(1—0*) = (1 — <7Хо) ( J2,5, (2.9)

где (Тхо— коэффициент прозрачно­сти на какой-либо «исходной» длине волны Яо, который должен быть — известен. Эта формула имеет весьма приближенный ха­рактер и справедлива только для условий, когда размеры рас­сеивающих свет частиц не превышают длины волны. При раз­мерах, больших длины волны, затухание мало зависит от Я, как, например, при наличии в атмосфере пылевых и дымовых частиц, а также при туманах.

Радиоволны большей части СВЧ диапазона в атмосфере практически не поглощаются. Во время дождя или — в еще меньшей степени — тумана происходит их некоторое ослабле­ние. Однако в целом дымка, туман или облака являются в дан­ном случае гораздо меньшей помехой измерениям, чем в опти­ческом диапазоне. Дальность действия зависит от мощности передатчика, коэффициентов усиления антенн и затухания на трассе, причем эти параметры, в свою очередь, зависят от длины волны несущих колебаний. В коротковолновой части СВЧ диапазона имеются соответствующие определенным дли­нам волн области селективного поглощения в кислороде и во­дяном паре, которые видны на рис. 16. Рис. 16 объясняет ис­пользование в СВЧ радиодальномерах волн длиной 10 и 3 см, а также 8 мм.

Другой причиной затухания волн СВЧ диапазона в атмо­сфере являются потери за счет рассеяния в каплях дождя, ту­мане, облаках, снеге и граде.

При расчете дальности действия (см. § 16 и 20) затухание электромагнитных волн в атмосфере учитывается в соответ­ствии с формулами (2.1) или (2.4).

Комментарии запрещены.