2.7 Влияние атмосферы

Для успешного применения АЛС и передачи информации лазерным лучом необходимо учитывать зависимость пропускания оптического излучения от состояния воздушной среды. Поэтому были проведены комплексные исследования распространения лазерного излучения в атмосфере. Изложим лишь общие сведения, имеющие прямое отношение к эксплуатации линий АЛС, которые помогут пользователям оценить возможности этих линий в конкретных погодных условиях.Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Кратко остановимся на каждом из этих явлений. Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов определяется, прежде всего, молекулярным поглощением, крайне неравномерным по частоте. Оно максимально на резонансных частотах молекул воздуха, воды, углекислого газа, озона и других компонент атмосферы. На рисунке 1 приведен спектр поглощения солнечного излучения с малым спектральным разрешением. Каждая из изображенных здесь полос, как правило, является результатом наложения и перекрытия нескольких полос как одного и того же газа, так и различных газов. В других атмосферных условиях и других регионах подобные графики будут различаться из-за различного содержания водяных паров и других компонент воздуха. Имеются участки спектра, где поглощение незначительно. Они называются окнами прозрачности. Однако при большем разрешении и в окнах прозрачности существуют целые совокупности различных полос поглощения[1].

Рис. 6. Зависимость поглощения Т в атмосфере от длины волны солнечного излучения [1].

Вертикальные черточки - положения центров основных полос атмосферных газов. На рисунке 7 [1] в качестве примера приведен спектр атмосферы вблизи длины волны излучения рубинового лазера 0,69 мкм. Имеются количественные измерения коэффициента поглощения практически для любых участков спектра. Если длина волны лазера известна, то поглощение его излучения может быть заранее определено для любых реальных условий в атмосфере [1]. 

Рис. 7. Спектр поглощения атмосферы вблизи равен 0,69 мкм [1]

Если лазерное излучение попадает в центр сильной линии спектра, то оно поглощается атмосферой на 100% даже на небольшом расстоянии. Поэтому для АЛС следует брать лазеры с излучением, находящимся на участках спектра атмосферы, занятых широкими окнами прозрачности или в промежутках между слабыми линиями поглощения, в микроокнах прозрачности. При этом частота излучения должна быть стабилизирована с достаточно высокой точностью, особенно если она находится на близком расстоянии от линии поглощения газов. Помимо молекулярного поглощения распространению луча мешает молекулярное рассеяние лучистой энергии микросгустками молекул воздуха, обладающих различной плотностью и разными показателями преломления. Эти неоднородности в газовой среде весьма нестабильны и зависят от местных температурных условий, времени года и суток, а также от содержания примесей в каждой конкретной микрозоне атмосферы. Молекулярное рассеяние достаточно хорошо изучено. Составлены обширные таблицы коэффициентов рассеяния в видимой и инфракрасной областях спектра, обеспечивающие достаточно точный количественный расчет потерь энергии излучения на заданном расстоянии. Этот тип рассеяния не оказывает существенного вреда АЛС в отличие от аэрозольного рассеяния, которое будет рассмотрено ниже. Атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морозь и осадки - дождь или снег. В облаках и туманах наиболее вероятное значение радиуса частиц составляет 5-6 мкм, а в дымках на 1-2 порядка меньше. Поэтому ослабление микронного излучения в дымках ниже.

На рисунке 8 приведены кривые ослабления лазерного сигнала в различных аэрозолях по данным Информационно-технологического центра Новосибирска [1].

Рис. 8. Зависимость ослабления света в аэрозолях от расстояния при различных метеофакторах [1].

1 - снег средней плотности (МДВ = 1 км), 2 - сильный дождь (40 мм/час), 3 - снег небольшой плотности (МДВ = 1,5 км), 5 - дымка (МДВ = 2 км), 6 - граничный уровень, 60 дБ

На рис. 8 видно, что главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности. Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветре. Например, на рис. 9 показаны две крайние зависимости вероятности ошибок BER для системы АЛС Информационно-технологического центра (Новосибирск) от дальности связи при ясной погоде - одна в условиях сильной турбулентности атмосферы, другая в слабой. Обычные значения BER лежат между этими кривыми [1].

Рис. 9. Зависимость вероятности ошибок BER от расстояния при слабых замираниях в атмосфере [1]

На рис.9 [1] (кривая 1) и сильных замираниях (кривая 2) для АЛС ЛАЛ2+. Дождь, туман, снег, дымка отсутствуют.

Самым простым способом борьбы с замираниями является увеличение размера приемной оптической антенны или использование нескольких приемных антенн (до 8). При этом происходит усреднение флуктуаций излучения, принимаемого отдельными элементами, и выравнивание сигнала. При практическом использовании лазеров в системах атмосферной связи необходимо учитывать совокупное влияние взаимодействия излучения с атмосферой - одновременно поглощающей, рассеивающей и случайно неоднородной средой. Это влияние может изменяться в чрезвычайно широком диапазоне. Поэтому для обеспечения работоспособности АЛС на заданной дистанции с определенным уровнем надежности (или доступности канала) необходимо иметь достаточный динамический запас энергетического потенциала.

Распространение лазерного излучения в открытых ненаправленных каналах сопровождается более сложными эффектами. Средой распространения здесь может быть свободное космическое пространство (космические каналы), атмосфера (атмосферные каналы), водная среда (подводные каналы). Открытые оптические каналы связи используются при построении систем лазерной локации и навигации, лазерных систем дистанционного зондирования, систем лазерного наведения, прицеливания и целеуказания, систем мобильной лазерной связи.

Для оптического диапазона атмосферные каналы передачи представляют собой каналы распространения со случайно-неоднородными средами. Условия распространения лазерного излучения в таких каналах оказывают существенное влияние на дальность действия систем, эффективность передачи, приема и обработки информации.

Исследование открытых оптических каналов наиболее просто выполняется для лазерных систем, работающих в условиях свободного космического пространства. Энергетические потери в таких системах в основном связаны с расходимостью лазерного пучка и естественными потерями при распространении оптического излучения на расстояние .

При распространении лазерного излучения в условиях турбулентной атмосферы, помимо энергетических потерь, происходит случайное перераспределение энергии и проявляются дополнительные эффекты амплитудных и фазовых флюктуаций. Такие флюктуации порождаются случайными пространственно-временными изменениями показателя преломления среды вдоль всего пути распространения лазерного пучка.

Наиболее сложное и многофакторное воздействие атмосферы на распространение лазерных излучений наблюдается в открытых каналах при появлении в атмосфере частиц аэрозоля (облака, туманы, дымки, различные осадки, пыль, загрязнения). Среда распространения становится при этом рассеивающей и анализ оптических каналов существенно усложняется. Типичные примеры лазерных информационных систем, использующих открытые каналы с рассеянием, показаны на рис.10.

Рис.10. Примеры открытых каналов передачи информации с рассеянием.

При распространении лазерного пучка в атмосфере с рассеянием на характеристики оптического поля влияют эффекты расходимости пучка, эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, эффекты фазовых флюктуаций и амплитудных замираний, эффекты молекулярного и аэрозольного рассеяния. В лазерных информационных системах при решении задач передачи, приема и обработки информации особую роль играет явление аэрозольного рассеяния. Именно этим явлением в значительной степени ограничиваются предельные возможности открытых оптических каналов и именно эффектами аэрозольного рассеяния в наибольшей степени определяется влияние атмосферы на энергетические потери в лазерных информационных системах.