Влияние атмосферы на излучение

В практике аэрокосмических съемок возникают значительные осложнения, т.к. между съемочной аппаратурой и земной поверхностью находится атмосфера, которая может изменять следующие характеристики электромагнитного излучения: а) направление излучения; б) интенсивность излучения; в) длину и частоту волн, достигающих объекта на поверхности Земли; г) спектральный состав лучистой энергии. Характер этих изменений зависит, в первую очередь, от массы воздушного слоя, через который проходит излучение, от содержания в нем аэрозольных частиц водяного пара, углекислого газа, озона, а также от электронной концентрации слоев ионосферы (рис. 7).

Чтобы правильно выбрать необходимую съемочную аппаратуру и избежать или уменьшить искажение изображений вследствие влияния атмосферных примесей, необходимо знать, как происходит рассеяние, поглощение и рефракция излучения.

Рассеяние. Ослабление излучения, которое происходит за счет его рассеяния частицами, взвешенными в атмосфере, зависит как от длины волн излучения, так и от концентрации и диаметра частиц. К видам рассеяния относятся:

-- Рассеяние по закону Релея. Обуславливается молекулами и другими мельчайшими частичками с диаметрами, значительно меньшими длины волн рассматриваемого излучения. Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны излучения. Поэтому, например, ультрафиолетовое излучение. Длина волны которого составляет примерно одну четверть от длины волны красного света, рассеивается в шестнадцать раз сильнее. Это позволяет понять, почему на заходе солнца при низком его положении на небе преобладают оранжевые и красные цвета: более короткие волны видимого света отсекаются в результате поглощения в атмосфере и мощного рассеяния.

--Рассеяние по закону Ми (на сферических частицах). Происходит в тех случаях, когда атмосфера содержит частички, по форме близкие к сфере, с диаметрами, примерно равными длинам волн рассматриваемого излучения. К ним относятся водяной пар и пылинки, которые и рассеивают видимый свет.

--Неселективное рассеяние. Здесь действие оказывают частички с диаметрами порядка нескольких длин волн излучения. Например, водяные капли с диаметрами 5-100 мкм одинаково эффективно рассеивают все волны видимого света (0,4-0,7 мкм). В результате облака и туман кажутся белесыми, так как смесь всех цветов примерно в равных количествах дает белый цвет.

Поглощение. В атмосфере электромагнитное излучение избирательно поглощается водяным паром, двуокисью углерода, поэтому существует ряд различных по ширине полос поглощения. Например, атмосферный озон сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, образуя широкую и глубокую полосу поглощения 220-290 нм. Узких полос поглощения чрезвычайно много. Так, на участке спектра 7-14 мкм их обнаружено около 400. Главную роль в поглощении играют пары воды, полосы поглощения которых (например, 1,2-1,5; 1,8-2,0; 2,5-3 мкм и т.д.) в приземном слое воздуха перекрывают полосы поглощения других газообразных веществ.

Поэтому приходящая солнечная радиация при ее прохождении через атмосферу сильно ослабляется. Совместный эффект поглощения и рассеяния характеризуется с помощью коэффициента ослабления (равного сумме коэффициентов поглощения и рассеяния). Он позволяет вычислить энергию, которая достигает поверхности Земли.

Ha рис.8 показано пропускание атмосферой излучений различных длин волн. Для ультрафиолетового излучения атмосфера непроз­рачна. По мере перехода в длинноволновую часть встречаются, как отмечалось ранее, участки спектра – окна прозрачности, где коэффициент прозрачности относительно велик, хотя и не всегда равен единице. Наибольшее практическое значение в оптическом участке спектра имеют окна прозрачности, охватывающие весь видимый диапазон, и отдельные участки в инфракрасном диапазоне (3-5 мкм и 8-12 мкм). Миллиметровые радиоволны, как и более короткие волны, продолжают испытывать молекулярное поглощение в газах, входящих в атмосферу - кислороде и водяном паре. В миллиметровом диапазоне имеется несколько окон прозрачности. Наибольшее значение имеет окно прозрачности на длине волны 8,6 мм. Молекулярное поглощение перестает быть заметным при длинах волн свыше 1-2 см. Миллиметро­вые радиоволны, так же как и световые, поглощаются туманом, дож­дем, градом, снегом. Лишь сантиметровые волны длиной свыше 3-5 см начинают свободно проходить сквозь них. Волны дециметрового диа­пазона уже беспрепятственно проходят всю толщу атмосферы незави­симо от облачности. С увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизированных слоев атмосферы и декаметровые волны с длиной волны свыше 10 м уже не могут пройти сквозь, ионосферу. Для волн этих длин атмосфера непрозрачна. Приведенная на рис.8 кривая спектрального пропускания атмосферы может меняться по ве­личине пропускания и ширине окон прозрачности в зависимости от состояния атмосферы (вариаций содержания водяного пара, аэрозолей и т.п.).

Рефракция (искривление лучей) связана с изменением коэффициента преломления в различных слоях атмосферы, что обусловлено различной их температурой, давлением, влажностью. Влияние рефракции невелико – искажение углов визирования составляет несколь­ко угловых секунд.

5.МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Электромагнитное излучение регистрируется различными приемниками излучения. Для оптического излучения – это глаз человека, фотографические слои, фото- и термоэлектрические элементы, а для радиоизлучения – антенны.

Зрительная система человека является наиболее совершенным биологическим приемником излучения и воспринимает лишь узкую часть спектра 0,4 – 0,8 мкм. Она построена на единстве глаза и зрительной коры мозга. Лучистый поток, проникающий в глаз фокусируется хрусталиком на сетчатке, светорецепторы которой, поглощая излучение, генерируют электрические импульсы, распространяющиеся по нервным волокнам в зрительные области мозга. Сетчатка глаза состоит из светочувствительных элементов – колбочек и палочек, каждая размером 0,004 мм. Палочки воспринимают синий цвет лучше, чем колбачки; зато колбачки видят темно-красный цвет, тогда как палочки на него не реагируют. При дневном (колбачковом) зрении глаз обладает наибольшей чувствительностью к излучению с длиной волны 0,556 мкм.

В области цветного зрения основной является идея, высказаная еще М.В. Ломоносовым и Т. Юнгом о том, что сетчатка глаза имеет три вида рецепторов, чувствительных к синим, зеленым и красным лучам. В зависимости от интенсивности поступления на сетчатку глаза синего, зеленого и красного излучения, рецепторы синтезируют его и получается определенный результирующий цвет. Известно, что каждое монохроматическое излучение воспринимается глазом как определенный цвет. Однако, различные цвета, кроме насыщенных можно получить, искусственно смешивая в разных пропорциях три основных цвета – синий (С), зеленый (З) и красный (К). Из них можно синтезировать дополнительные цвета – голубой (Г), желтый (Ж), пурпурный (П) и ахроматический белый (серый) цвет (Б): С + З = Г; З + К = Ж; С + К = П; С + З + К = Б. Цветовые контрасты могут изменяться в зависимости от сочетаний изображаемых объектов.

Оптическая система глаза имеет некоторые недостатки: ограниченность остроты зрения, т.е. неспособность различать малые объекты, отдаленные на большие расстояния; глаз воспринимает ограниченную область электромагнитного спектра; зрение инерционно, что приводит к необходимости адаптирования, т.е. привыкания, приспособления глаза к условиям наблюдения. Встречающиеся дальнозоркость и близорукость, если они корректируются очками, не мешают работе со снимками.

Величина различимых глазом деталей зависит от размера воспринимаемых элементов. Острота зрения характеризуется минимальным промежутком между объектами, которые глаз в состоянии видеть. Разрешающая способность нормального глаза при оптимальных условиях рассматривания в угловых единицах составляет 1΄, а в линейных единицах – 0,05-0,08 мм. В практике для дешифровочных работ предельная ошибка определения положения точек и контуров принимается равной 0,1-0,2 мм.

Стереоскопическое зрение. Зрительное восприятие одним глазом называется монокулярным, а двумя глазами – бинокулярным. Бинокулярное зрение, позволяющее непосредственно воспринимать глубинность пространства и пространственные формы наблюдаемых объектов, называется стереоскопическим. Если рассматривать какой-либо объект одновременно правым и левым глазом, то глаза поворачиваются так, что их визирные оси пересекаются под так называемым углом конвергенции, а изображения на сетчатке попадают в зону особо четкого видения. Наблюдатель как бы засекает наблюдаемые объекты зрительными лучами с двух центров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, называемом базисом. Глазной базис (расстояние между зрачками) колеблется в пределах от 52 до 74 мм. В среднем он составляет 65 мм. Угол конвергенции изменяется в зависимости от расстояния объекта, если объект очень далеко, то визирные оси глаз параллельны, а угол равен 0, чем ближе объект тем больше угол.

По величине конвергенции человек судит об абсолютном удалении объектов и дает весьма приближенные оценки расстояний и пространственного положения объектов по глубине. Более точную оценку взаимного пространственного положения объектов обеспечивает другой механизм стереоскопического зрения, основанный на различиях двух глазных изображений. Если немного ближе или дальше от уже наблюдаемой точки выбрать другую точку (объект), то ее изображение на левой и правой сетчатках попадает на их разные участки. Величина этого смещения называется физиологическим параллаксом и зависит она от относительного удаления точек фиксации и наблюдения. Чем ближе к наблюдателю расположен объект и больше физиологический параллакс, тем сильнее воспринимается объемность (рельефность, пластичность, стереоскопичность) пространственного образа. Если величина физиологического параллакса больше критической величины, равной 0,4 мм, то объект воспринимается двоящимся и его пространственный образ разрушается.

Зрительные пороги. Эффективность зрительного процесса зависит от порогов чувствительности зрительного анализатора. Под порогом чувствительности подразумевается минимальное световое воздействие, которое может быть зарегистрировано приемником излучения. Различают три порога чувствительности: различительный, разрешающий и стереоскопический.

Различительный порог чувствительности определяется контрастом изображения, т.е. разностью оптических плотностей изображения соседних объектов. Человек в состоянии воспринимать лишь такие яркостные различия объектов, которые выше пороговых. Порог контрастной чувствительности для любых размеров изображаемых объектов, установленный опытным путем, равен 0,06. На контрастную чувствительность глаза оказывает влияние ряд факторов – условия освещения, время наблюдения и т.д. Считается, что человек в состоянии различать до 100ахроматических тоновых градаций, от белого до черного, хотя в практической работе со снимками эту величину уменьшают до 20.

Цветовые контрасты могут изменяться в зависимости от сочетаний изображаемых объектов. Например, серое поле на белом кажется темнее, а на черном светлее.

Разрешающий порог (острота зрения) – минимальный размер воспринимаемого глазом объекта. Опытным путем установлено, что невооруженным глазом может быть воспринят кружок диаметром 0,12 мм, имеющий резкие очертания и контраст по отношению к фону. Чем больше контраст изображения, тем меньше воспринимаемый размер кружка.

Стереоскопический порог зрения (глубина зрения), т.е. способность воспринимать глубину пространства и оценивать относительное положение объектов в пространстве. Различимость объектов по глубине зависит от остроты стереоскопического зрения – наименьшего значения физиологического параллакса, равного среднему расстоянию между рецепторами 0,002 мм. Величину остроты стереоскопического зрения можно выразить и в угловой форме. Для различного вида расчетов среднее значение остроты стереоскопического зрения принимают равной 30΄΄.

Фотографическая регистрация. Наиболее распространенным и универсальным способом регистрации излучения является фотографическая регистрация, которая осуществляется с помощью двухмерного слоя. Фотографические слои являются непревзойденными хранителями информации, простыми и удобными в практическом использовании.

Строение черно-белых фотографических материалов. Фотографическая пленка состоит из подложки 4, подслоя 3, защитного слоя 1, противоореольного слоя 5 и эмульсии или светочувствительного слоя 2 (рис.9). Два слоя являются основными: подложка и светочувствительный слой.

Подложка – гибкая пленка, изготовленная из триацетатцеллюлозы, она должна быть прозрачной, эластичной, термо- и гидроустойчивой, прочной и однородной по составу. Подложку всегда стремятся сделать тонкой (0,1 - 0,05 мм) для уменьшения веса и малодеформируемой.

Светочувствительный слой состоит из желатинового раствора, в котором взвешены кристаллы галогенов серебра. Важным показателем является размер кристаллов: чем крупнее зерна, тем выше светочувствительность пленки. Подслой служит лучшему скреплению эмульсии с основанием пленки – подложкой.

Защитный слой предохраняет верхнюю часть эмульсии от случайных повреждений. Противоореольный слой предохраняет фотопленку от образования ореолов, возникающих при съемке ярко освещенных объектов, а так же ее электризации.

При воздействии света на светочувствительный слой в кристаллах бромистого серебра восстанавливается некоторое количество металлического серебра, которое и формирует на пленке, невидимое для человеческого глаза, изображение. Для выявления этого скрытого изображения, пленку помещают в раствор фотографического проявителя, под воздействием которого кристаллы бромистого серебра, которые подверглись воздействию света, целиком превращаются в металлические, образуя серебряное изображение. В процессе проявления достигается колоссальное усиление действие света (в десятки миллионов раз), которое тем больше, чем крупнее светочувствительные кристаллы. Для удаления из эмульсионного слоя не восстановленных в процессе проявления кристаллов бромистого серебра производится фиксирование.

Количество восстановленного металлического серебра соответствует количеству освещения падающего на данный участок светочувствительного слоя. Практически удобнее измерять не количество восстановленного серебра, а обусловленное им почернение фотографического материала, которое выражается в единицах оптической плотности.

Различные фотографические материалы обладают не одинаковой чувствительностью к излучению разной длины волн. Если светочувствительный слой состоит только из желатина и галогенидов серебра, он имеет естественную чувствительность к фиолетовым и синим лучам с длинами волн не более 500 нм. Для расширения чувствительности к длинноволновому излучению в светочувствительный слой вводят органические красители. Добавление красителей, поглощающих определенные лучи, приводит к повышению чувствительности слоя именно к этим лучам. Это явление называется оптической сенсибилизацией (очувствлением). Таким образом были получены ортохроматические, изохроматические, панхроматические и инфрахроматические фотографические пленки.

Наиболее широко при аэрокосмической съемке используется пленка типа панхром (максимум чувствительности в зоне 650 нм) или изопанхром (680 нм). Она наиболее универсальна, имеет большую область применения и дает снимки высокой дешифрируемости. Эффективно ее использовать при осенней и весенней съемках для изучения лесных почв. Ортохроматическая пленка 550 нм) и приближающаяся к ней по характеристикам пленка изохром (600нм) применяется для решения частных задач, например, для съемки морских мелководий.

Для фотографирования в ближней инфракрасной зоне спектра (700-900 нм) применяются пленки типа инфрахром, дополнительно очувствленные к инфракрасной зоне спектра до 800-900 нм. Эту пленку эффективно использовать при изучении растительности и степени увлажнения почв. На инфракрасных снимках хвойная растительность изображается темным, а лиственная светлым тоном изображения.

Цветное фотографирование. Цветные пленки в отличие от черно-белых имеют три светочувствительных слоя. Верхний слой представляет собой несенсибилизированную эмульсию, чувствительную к синим лучам спектра. Средний эмульсионный слой чувствителен к лучам зеленой части спектра (ортохром), а нижний слой имеет чувствительность к красным лучам (панхром). После экспонирования и цветного проявления трехслойной цветной фотопленки в верхнем синечувствительном слое из несенсибилизированной эмульсии образуется желтое изображение, во втором светочувствительном слое из изоортохроматической эмульсии – пурпурное и в нижнем панхроматическом слое, чувствительном к красным лучам – голубое изображение (рис.10).

Между первым и вторым слоями находится желтый фильтровой слой, который задерживает синие лучи, предохраняя изохроматический слой от их действия. Трехслойное строение фотоматериала позволяет получить три совмещенных цветоделенных изображения, окрашенных в желтый, пурпурный и голубой цвета, являющиеся дополнительными к цветам оригинала. Изготовление позитива на трехслойном фотоматериале аналогичного строения позволяет воспроизвести оригинал объекта и его крупных деталей в цветах, близких к натуральным. Цветные пленки наиболее эффективно использовать для съемки лесной растительности в осенний период, когда изменяется окраска листвы.

Цветное спектрозональное фотографирование проводится на специальных двух и трехслойных пленках, в которых отсутствует синечувствительный слой, но имеется слой, чувствительный к инфракрасным лучам. Спектрозональные снимки в отличие от цветных, дают изображение в искаженных (ложных) цветах, но обеспечивают наилучшее цветовое деление изучаемых объектов.

Спектрозональные пленки широко используются для съемки растительности в летний период.

Электрическая регистрация излучения. С помощью электрических приемников удается регистрировать значительно более длинноволновое излучение, чем глазом или фотографическими слоями.

Электрическая регистрация оптического излучения основана на его поглощении чувствительным элементом приемника. При этом электрический сигнал возникает вследствие непосредствен­ного воздействия излучения на чувствительный элемент (фото­электрический эффект) или его нагревания (термоэлектрический эффект). В соответствии с этим приемники излучения в оптиче­ском диапазоне делят на фото- и термоэлектрические.

Электрическая регистрация излучения в радиодиапазоне осно­вана на электромагнитной индукции, на превращении энергии радиоизлучения в энергию переменного электрического тока. Это осуществляется с помощью антенны.

Фотоэлектрические приемники или фотоэлементы — это боль­шая группа электронных приборов, действие которых основано на так называемом внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фото­электронные умножители) и внутреннем фотоэлектрическом эф­фекте (полупроводниковые фотосопро-тивления, фотодиоды и др.).

В электровакуумном фотоэлементе чувствительный элемент (фотокатод) делают из металла, который под действием погло­щенного излучения, испуская электроны, вырабатывает фототок (внешний фотоэффект). Например, спектральная чувствительность одного из эффективных фотокатодов – сурьмяно-цезиевого – лежит в пределах 0,2-0,6 мкм. Общая чувствительность вакуумных фотоэлементов невелика. Их достоинство — высокие фотометрические свойства, заключающиеся в стабильной пропорциональности силы фототока падающему световому потоку.

В полупроводниковых фотоэлементах — фотосопротивлениях (фоторезисторах) — чувствительный элемент делается из полу­проводника, который под действием излучения резко изменяет электрическое сопротивление (внутренний фотоэффект). При осве­щении полупроводникового фотоэлемента величина тока в элект­рической цепи будет меняться пропорционально освещенности. Типичным полупроводником является селен, спектральная чувст­вительность которого охватывает видимый и ближний инфракрасный диапазон. Сернисто-свинцовые фотосопротивления чувстви­тельны к среднему инфракрасному излучению. При охлаждении полупроводниковых фотосопротивлений их чувствительность повышается и смещается в более длинноволновую область электромаг­нитных волн. По сравнению с вакуумными полупроводниковые фотоэлементы отличаются малыми габаритами, они более чувстви­тельны, а главное могут регистрировать длинноволновое оптиче­ское излучение. Например, фотоэлементы из германия, теллура, антимонида индия используются для приема инфракрасного излучения в зоне 3-5 и 8-12 мкм. Но по своим измерительным свойствам (непостоянству чувствительности, не строго линейной зависимости электрического сигнала от освещения) полупроводниковые фотоэлементы уступают электровакуумным. Фотоэлектрический эффект лежит также в основе телевидения — он используется в передающих трубках телевизионных камер для преобразования оптического изображения в электрические сигналы.

В последние годы получают распространение многоэлементные фотоэлектрические приемники излучения, которые состоят из самосканирующихся твердотельных детекторов в виде одномерных линеек и двумерных матриц, называемых приборами с заря­довой связью (ПЗС). Размер отдельного чувствительного элемента приемника очень мал (десятки микрометров). Лучшие образцы современных приемников-линеек могут состоять из нескольких тысяч, а матрицы — сотен тысяч чувствительных элементов. Применение многоэлементных фотоэлектрических прием­ников для регистрации излучения открывает новые перспективы в создании съемочных систем, в частности систем, способных быст­ро адаптироваться к изменяющимся внешним условиям съемки.

Термоэлектрические приемники. Для регистрации инфракрасного теплового излучения применяются приемники, основанные на термо­электронной эмиссии, которые реагируют на поглощенное излуче­ние через нагревание своего чувствительного элемента. Чувстви­тельный элемент, который делают черным, одинаково хорошо поглощает излучение всех длин волн. Таким образом, термоэлект­рические приемники, в отличие от фотоэлектрических, которые об­ладают избирательной чувствительностью по спектру, регистри­руют излучение в широком спектральном диапазоне. Однако температура термочувствительного элемента зависит также от темпе­ратуры окружающих предметов. Поэтому для надежной работы термоэлектрический приемник необходимо защитить от посторон­него теплового воздействия. При регистрации теплового инфра­красного излучения (8—12 мкм) необходимо глубокое (—200°С) охлаждение приемника, что достигается с помощью жидкого азота и даже гелия и является сложной самостоятельной задачей. Термо­электрические приемники по сравнению с фотоэлектрическими медленнее реагируют на изменение интенсивности регистрируемо­го излучения, т.е. их быстродействие ниже. К классу термо­электрических приемников относятся болометры,радиационные термоэлементы (термопары) и др. Работа болометра основана на изменении сопротивления чувствительного элемента, нагреваемого падающим излучением. В металлических болометрах чувствитель­ный элемент для увеличения их быстродействия изготавливают из тончайшей зачерненной металлической фольги, в полупроводнико­вых, называемых терморезисторами (термисторами), — из полупро­водников. Некоторые полупроводники (селен, кремний, гелий, германий, теллур) чувствительны не только к облучению, но и нагреванию.

К электрическим следует отнести и двумерные рельефографические приемники излучения, принцип действия которых основан на изменении формы их поверхности под действием излучения. Для регистрации оптического изображения наиболее перспективна фототермо-пластическая пленка, состоящая из нескольких очень тонких слоев, важнейшим из которых является термопластический слой, легко размягчаемый при нагревании. Очувствление фототермопластической пленки производят путем нанесения та нее равно­мерного электрического заряда. При проектировании на пленку оптического изображения на ее поверхности возникает электриче­ское изображение. В процессе теплового проявления (нагревание ИК-лучами в течение долей секунды) размягченный термопласти­ческий слой под действием электрических сил деформируется, обра­зуя микрорельеф, количество элементов которого пропорционально интенсивности подействовавшего излучения. Таким образом, если фотографическая пленка регистрирует излучение в виде почерне­ний, то фототермопластическая пленка — в виде неровностей (микрорельефа) ее поверхности. Ценным свойством термопласти­ческой пленки является ее высокая разрешающая способность и возможность многократного пользования ею. Путем повторного нагревания можно быстро стереть изображение и использовать фототермопластическую пленку для регистрации изображения еще раз. Для воспроизведения невидимого глазом фототермопластиче­ского изображения его необходимо спроектировать на экран, по­следовательно просвечивая пленку узким световым лучом, яркость которого на экране будет пропорциональна неровностям на термо­пластике.

Антенны. В качестве антенны, которая является приемником и излучителем электромагнитных волн радиодиапазона, можно использовать любой проводник. Простейшей антенной может служить металлический стержень, так называемый полуволновой резонансный вибратор. Если такой вибратор соединить с генератором электрических колебаний, он станет излучать в окружающее пространство электромагнитные волны и наоборот – приходящие электромагнитные волны будут индуцировать в нем электрический ток. Наиболее эффективно работает вибратор, длина которого равна половине длины волны электромагнитных волн. Таким образом, антенны принимают электромагнитное излучение только определенной волны, величина которой зависит от размера и конструкции антенны. Антенны обладают направленным действием, которое характеризуется диаграммой направленности – зависимостью напряженности принимаемой или излучаемой энергии от направления. Вид диаграммы направленности существенно зависит от конструкции антенны.