Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

и фильтров, предназначенных для выделения необходимых уча­ стков спектра.

Таблица 10.1

Элементы оптики и спектральная чувствительность каналов радиометра метеоспутника

тий

Рис. 10.13. Устройство одного из каналов радиометра:

287

Двухкаиальнын радиометр с широким полем зрения, уста­ новленный на метеорологическом спутнике, служит для количе­ ственной оценки соотношения между собственным тепловым из­ лучением Земли п отраженным солнечным излучением.

Конструкция радиометра очень проста (рис. 10.14). Термисторные приемники излучения 4 диаметром 5 мм, имеющие один черное, другое белое покрытие, расположены в глубине конус­ ных зеркальных алюминированных отражателен 2. Эти конусы обеспечивают угол поля зрения 50э с пятикратным оптическим усилением.

Так как покрытия имеют различную поглощающую способ­ ность, спектральная чувствительность приемника излучения тоже различна. Приемник с черным покрытием чувствителен как к от­

излучаемая землей, приходится в основном на длинноволновую часть ПК-спектра с /.>4 мкм (см. рис. 2.24). Когда радиометр обращен к освещенной стороне Земли, то приемник с белым по­ крытием реагирует только на излучение Земли, а приемник с чер­ ным покрытием реагирует также и на солнечное отраженное из­ лучение. Вычитая показания приемника с белым покрытием из показаний приемника с черным покрытием, можно определить альбедо Земли (см. разд. 2, стр. 63). Для того чтобы учесть влияние температуры среды и самого спутника на показания приемников, по радиоканалу на Землю передавались наряду с сигналами от приемников с черным и белым покрытием также сигналы от контрольного термистора 3, установленного на кор­ пусе радиометра (см. рис. 10. 14).

После обработки данных, полученных от пятиканального и двухканального радиометров во время полета спутников, состав­ ляют радиационные карты земной поверхности, по которым мож­ но определить температуру участков суши, водной поверхности и

288

верхних границ облаков. Так как погода существенно зависит от величины излучения Земли и атмосферы, то, сравнивая полу­ ченные данные с обычными метеорологическими картами, выяв­ ляют данные, не раскрытые на синоптических картах, и таким образом осуществляют более точный прогноз погоды. Радиаци­ онная карта, построенная по данным, полученным с метеороло­ гического спутника «Тнрос-П», приведена на рис. 10.15. Перед

Рис. 10.15. Радиационная карта, построенная по измерениям со спутника «Тирос-П» в окне прозрачности 8—12 мкм:

Т—теплый фронт; Л'—холодный фронт

фронтом области низких давлений (зубчатая кривая слева на карте) находится зона температур, указывающая на наличие вы­ соких холодных облаков. Сразу за фронтом облачности — рез­ кое очищение неба, а затем менее высокие облака, что отмеча­ ется резким повышением температуры. Вторая фронтальная си­ стема проходит в области высоких температур (у побережья Испании). Здесь излучение в основном поступает от океана или от верхних слоев низких и поэтому относительно теплых обла­ ков.

Температуру отдельных участков поверхности Земли можно точно измерять также с помощью спектрометров, определяющих спектральный состав излучения (спектральную яркость) в узких интервалах спектра. Данные со спектрометров, установленных на

289

спутнике, могут быть использованы не только для прогнозиро­ вания погоды, но н для обнаружения на земной поверхности различных излучающих объектов.

§10.3. П РИ Б О РЫ ОБН АРУЖЕНИЯ

ИЛОК АЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

При исследованиях космического пространства возникает не­ обходимость обнаружить и точно определить координаты спут­ ников и космических кораблей, измерить расстояние до них, а также точно произвести наведение на космический корабль для обеспечения с ним узконаправленной связи. Для этих целей при­ меняют оптические, инфракрасные п радиолокационные средства.

В ряде случаев инфракрасные системы имеют преимущества перед радиолокационными системами. ПК-спстемы меньше по габаритам, дешевле п проще радиолокационных систем, они име­ ют более высокое быстродействие,* а угловая разрешающая спо­ собность ИК-системы намного выше радиолокационной. Особен­ но высокую разрешающую способность имеют системы с опти­ ческими квантовыми генераторами (ОКГ).

К недостаткам наземных ПК-снстем обнаружения следует отнести то обстоятельство, что ИК-излучение сильно ослабляет­

что космические корабли п искусственные спутники Земли име­ ют значительное излучение в ИК-областп спектра. Температура оболочки космического летательного аппарата зависит как от внутренних его источников тепловой энергии, так и от лучистой энергии, попадающей на оболочку от Солнца. В том случае, ко­ гда космический летательный аппарат находится на околозем­ ной орбите, на температуру его поверхности будет оказывать влияние также собственное тепловое излучение Земли и отра­ жаемое Землею солнечное излучение.

Равновесная температура поверхности, облучаемой Солнцем, в космическом пространстве зависит от расстояния этой поверх­ ности до Солнца, а также от коэффициента поглощения ат и коэффициента излучения е материала поверхности космического аппарата. На рис. 10.16 приведен график зависимости темпера­ туры поверхности в космическом пространстве от расстояния до Солнца и отношения ат/е. По этому графику, зная для материа­ ла данной поверхности ати е, можно ориентировочно опреде­ лить, до какой равновесной температуры нагревается поверх­ ность при облучении Солнцем. При разработке реальных ИСЗ для их оболочки подбирают специальные покрытия, имеющие за­ ранее заданные значения ати е. Таким образом обеспечивается

* Быстродействие радиолокационной системы определяется прохождени­ ем импульса до объекта и обратно, в то время как быстродействие пассивных ИК-систем зависит только от достоянной времени самой системы.

290

определенный тепловой режим внутри спутника, необходимый для нормальной работы аппаратуры. Зная температуру поверх­ ности ИСЗ, ее площадь и коэффициент излучения, можно по за­ кону Стефана — Больцмана (1.40) н по формуле (1.12) при­ мерно оценить поток ПК-энергпн, излучаемой спутником.

Для слежения за летательным аппаратом может быть также использовано отражаемое им в сторону наблюдателя солнечное

Рис. 10.16. Зависимость температуры поверхности, находящейся в космосе, от расстояния до Солн­ ца и отношения от/е

излучение. Чтобы увеличить отраженный поток лучистой энер­ гии, на межпланетных станциях предполагается помещать на­ дувные отражающие зеркальные оболочки или плоские зеркала, специально ориентированные иа наблюдателя. Освещенное Солнцем плоское зеркало площадью 1 м2 может быть обнару­ жено и сфотографировано с поверхности Земли при помощи аст­ рономического телескопа со 150-сантиметровым рефлектором на расстоянии максимального удаления Венеры (т. е. около

100 млн. км).

Для обнаружения и опознавания IIC3 и ракет по спектраль­ ному составу их излучения применяют специальные спектромет­

29 L

Г л а в а XI. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНФРАКРАСНЫХ ПРИБОРОВ

Основными элементами ИК-приборов, определяющими их тех­ нические возможности, являются оптическая система (объектив) и приемник (преобразователь) излучения. Следовательно, как и всякий оптический прибор, большинство ИК-прнборов независи­ мо от конструкции и схемы можно охарактеризовать следующи­ ми основными параметрами: мгновенным полем зрения, разре­ шающей способностью, точностью определения координат (для приборов управления), избирательностью (селективностью) и чувствительностью. В предыдущих главах частично уже рассмот­ рены некоторые из этих характеристик применительно к кон­ кретным типам приборов. В настоящей главе приводятся методы расчетов некоторых параметров П1\-прпборов.

§11.1. МГНОВЕННОЕ ПОЛЕ ЗРЕНИЯ

ИРАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

Мгновенным полем зрения называется величина телесного угла Дм, с помощью которого производится обзор (просмотр) пространства. Общее поле зрения или угол обзора характери­ зуется, как известно, плоским углом 2(3 (рис. 11.1, а).

Угол поля зрения со в фокальной плоскости можно изобра­ зить линейным полем зрения s в виде кружка с радиусом а. Со-

со—телесный угол обзора; Д^—мгновенный угол поля обзора; 2(3—поле зрения; 5—'линейное поле зрения; у —угол разрешения; 1, 2—изображения теплонзлучающпх объектов в фокальной плоскости объектива

29$