Лазерные навигационные устройства - Зуев В.Е., Фадеев В.Я.

Author: Зуев В.Е. Фадеев В.Я.

Tags: прикладные науки медицина технология радиоэлектроника физика радиотехника теплофизика издательство радио и связь лазерные навигационные устройства

Year: 1987

Similar

Абонентские устройства для связи с ЭВМ

Справочник. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах

Устройства электропитания бытовой РЭА. Справочник

Абонентские устройства для связи с ЭВМ Ч.1

Text

РАДИО И СВЯЗЬ
В. Е. Зуев В.Я.Фадеев
Лазерные
навигационные
устройства

В.Е.Зуев В.Я.Фадеев
д ________________________________________
|з- Лазерные
навигационные
устройства

1987
ББК 32 881 «2 L39
УДК 6^735.05 <S2Z, 37 S /
Зуев В. Е., Фадеев В. Я.
3-91 Лазерные навигационные устройства. — М Радио и
связь, 1987.— 160 с.: ил.
Изложены физические основы работы и принципы построения лазерных
средств навигационного оборудования (СНО), предназначенных для обеспе-
чения посадки самолетов и судовождения. Рассмотрены методы расчета и
оптимизации их характеристик с учетом влияния атмосферы на распростра-
нение лазерного излучения. На основании результатов опытной эксплуатации
образцов лазерных СНО даются рекомендации по их практическому исполь-
зованию.
Для инженерно технических работников, занимающихся разработкой
средств лазерной техники. Может быть рекомендована аспирантам и студен-
там старших курсов соответствующих специальностей.
2402020000-211
3 ----------------77-87
046(01 )-87
ББК 32.881
Рецензент П. А Бакут
Редакция литературы по электросвязи
Производственное издание
Зуев Владимир Евсеевич, Фадеев Виталий Яковлевич
ЛАЗЕРНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Заведующий редакцией В II Вяльцев
Редактор Е В. Комарова
Обложка художника А. А. Соломатина
Художественный редактор А. В. П р о ц е н к о
Технический редактор А. 11. Золотарева
Корректор Н. Л. Жукова
И Б № 1307
Сдано в набор 17.08.87 Подписано в печать 19 10 87
Т-20921 Формат 60Х90.'16 Бумага тип. As 2 Гарнитура литературная Печать высокая
Уел. печ л. 10.0 Усл. кр.-отт. 10.375 Уч-изд. л. 11.49 Тираж 7000 экз.
Изд Хэ 21457 Зак Ke 147 Цена 55 к
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт а'я 693
Московская типография Ms 5 ВГО «Союзучетиздат». 101000 Москва, ул Кирова, д. 40
© Издательство «Радио и связь», 1987
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время светотехнические установки имеют обшир-
ную область применения в народном хозяйстве Однако наиболь-
шее распространение они получили на транспорте.
Системы световой сигнализации на транспорте прошли боль-
шой путь становления и совершенствования, и тем не менее в сво-
их классических вариантах сегодня они не обеспечивают дальней-
шего повышения регулярности и безопасности в работе важней-
ших видов транспорта — авиации и флота. Прогресс в этом направ-
лении может быть достигнут за счет применения в световых нави-
гационных системах лазеров с целым набором удивительных,
свойств их светового излучения.
Для авиации дальнейшее повышение регулярности и безопас-
ности в работе сводится главным образом к решению проблемы
обеспечения захода самолета на посадку и его посадки на взлет-
но-посадочную полосу (ВПП), особенно в условиях пониженной
видимости. Современные аэродромы оснащены большим коли-
чеством функционально обособленных различных систем, выполня-
ющих па отдельных этапах взлета и посадки различные функции.
Основными из этих систем являются курсоглиссадные системы,
указывающие самолету курс и глиссаду планирования на этапе
посадки.
Используемые сегодня радиотехнические системы не позволяют
перейти к более жестким посадочным минимумам из-за недоста-
точной точности задания ими курса и глиссады снижения. Созда-
ние радиотехнических систем посадки, обеспечивающих требуемую
точность пилотирования самолета на конечном этапе посадки,
представляет серьезные технические трудности, основными из ко-
торых являются.
учет и устранение искажений радиотехнических зон курса и
глиссады у земли при изменениях климатических и погодных усло-
вий;
учет и локализация искажений зон из-за переотражений радио-
волн от местных предметов;
изменения коэффициента усиления контура управления по ме-
ре приближения самолета к ВПП.
Преодоление указанных трудностей приводит к существенно-
му удорожанию системы и тем не менее не исключает необходимо-
сти при современных методах пилотирования самолета обеспечи-
вать летчику ночью и днем в условиях пониженной видимости ви-
зуальный контакт с ВПП, начиная с высоты принятия решения о
посадке—примерно с удаления 2,5 км от торца посадочной поло-
сы. Кроме того, практика пилотирования современных самолетов
по приборам, в том числе и в режиме автоматической посадки, по-
казывает, что летчику на этом этапе полета всегда требуется на
3
личие световых ориентиров для визуального контакта с Землей.
Для обеспечения такого контакта ночью и при условиях ограни-
ченной дневной видимости на современных аэродромах использу-
ются светотехнические средства, оснащенные огнями высокой ин-
тенсивности (ОВИ), успешно выполняющими свои функции лишь
при условиях, когда метеорологическая дальность видимости Sm
не меньше 600 . 800 м.
Далее следует подчеркнуть, что наличие большого количества
функционально обособленных систем привело к появлению на бор-
ту самолета большого количества приборов, показание которых
пилоту необходимо контролировать. В это же время он должен
следить за обстановкой вне самолета, чтобы иметь надежную ви-
зуальную информацию о пространственном положении самолета.
Это обстоятельство при наличии дефицита времени, отведенного
современному скоростному самолету на посадку, вызывает высокую
писхологическую нагрузку, затрудняет пилотирование и создает
предпосылки к летным происшествиям. Положение особенно ос-
ложняется в ночное время, поскольку переход от пилотирования по
приборам к визуальному пилотированию требует времени на адап-
тацию зрения, которая для нормального глаза может составлять в
указанных условиях до 5 с.
Последние десятилетия характеризуются ростом объема мор-
ских транспортных перевозок, а также научно-исследовательских,
геолого-поисковых и гидротехнических работ на море, направлен-
ных па освоение природных ресурсов Мирового океана.
Резко возрос количественный состав флота. Так, по сравнению
с шестидесятыми годами общее водоизмещение только транспорт-
ных судов возросло более чем в 2 раза. Появились специализиро-
ванные суда для перевозки укрупненных грузов, сжиженных газов
и химикатов, автомобилей и контейнеров. В зоне шельфа строятся
многочисленные буровые установки для морской добычи нефти и
газа. Увеличились размеры и водоизмещение судов. Расширилась
география активного мореплавания. В частности, ежегодно возра-
стает объем грузоперевозок в арктических морях.
В результате интенсификации морского судоходства наблюда-
ется рост аварийности, особенно при плавании в прибрежной зоне,
причем около 85% навигационных аварий происходит на удале-
нии от берега около 5 миль, а 30% из них — на акватории портов.
Кроме экономических потерь аварии морских судов приводят к
человеческим жертвам и зачастую вызывают тяжелые экологиче-
ские последствия, особенно при авариях крупнотоннажных танке-
ров и судов, перевозящих химические и другие вредные для ок-
ружающей среды вещества.
Одним из путей решения проблемы безопасности мореплава-
ния является совершенствование системы навигационного обору-
дования морей, повышения эффективности всех видов техниче-
ских средств
В прибрежных районах морей, особенно в зонах стесненного
судоходства, широко применяются традиционные зрительные СНО.
4
Как правило, они просты по своему устройству и надежны в экс-
плуатации, однако обладают рядом существенных недостатков, и
прежде всего низкой дальностью действия. Зачастую дальнодей-
ствие их составляет 50... 60% значения S,n. Это обстоятельство при"
водит сегодня в условиях возросшей интенсивности использования
морского флота в народном хозяйстве к значительным экономиче-
ским потерям. Радиотехнические и космические средства весьма
дороги и к тому же далеко не всегда обеспечивают требуемую точ-
ность.
Наиболее эффективным путем решения задачи повышения ре-
гулярности и безопасности работы авиации и флота является со-
здание более точных систем ближнего ориентирования, обеспечи-
вающих в то же время надежную визуальную информацию о про-
странственном положении движущегося объекта в различных ме-
теорологических условиях, и прежде всего в условиях понижен-
ной видимости.
Как показали многолетние экспериментальные и теоретические
исследования по распространению лазерного излучения в услови-
ях пониженной видимости в атмосфере, указанным требованиям
могут удовлетворить системы световой навигации с использова-
нием лазеров. Эти исследования, в частности, показали, что кон-
траст между яркостью прямого излучения, несущего информацию
о положении источника, и фоном рассеянного излучения для ла-
зерных пучков наблюдается на расстояниях, значительно превос-
ходящих соответствующие расстояния в случае использования то-
чечных или слабо коллимированных источников света, каковыми
являются традиционные навигационные огни.
Указанное выше обстоятельство вместе с высокой направлен-
ностью луча лазера, относительно малой зависимостью траектории
его распространения от особенностей рельефа местности и метеоро-
логических условий, обусловливает перспективность использования
лазера для создания точных систем ориентирования. Такие систе-
мы могут обеспечить также визуальный контакт навигатора с ме-
стом прибытия и дают возможность определять пространственное
положение движущегося объекта.
Институтом оптики атмосферы впервые в нашей стране были
предложены для практического использования лазерные навига-
ционные устройства (ЛНУ), а затем разработаны и успешно ис-
пытаны лазерные навигационные системы как для посадки само-
летов, так и для проводки судов.
В предлагаемой монографии дано последовательное изложение
всех вопросов, связанных с проблемой использования лазеров для
посадки самолетов и проводки судов. Практически весь материал
книги основан на использовании оригинальных результатов экспе-
риментальных и теоретических исследований по проблеме рас-
пространения лазерного излучения в атмосфере, разработок раз-
личных лазерных систем навигации для авиации и флота, анали-
за данных многолетних испытаний предлагаемых систем и их опыт-
ной эксплуатации.
5
Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЛИЖНЕЙ НАВИГАЦИИ В АВИАЦИИ И НА ВОДНОМ
ТРАНСПОРТЕ
ВВЕДЕНИЕ
Сверхдальние полеты современных самолетов и кругосветные
плавания судов обеспечиваются главным образом радиотехниче-
скими средствами, расположенными по всей поверхности земного
шара, а в последнее десятилетие уверенно шагнувшими в косми-
ческое пространство Однако стремительное развитие систем даль-
ней навигации не уменьшило роли средств обеспечения ближней
навигации. Более того, появление скоростной авиации и крупно-
тоннажного флота, а также увеличение интенсивности использо-
вания данных видов транспорта обострили необходимость совер-
шенствования прежде всего именно этого вида навигационного
оборудования
1.1. СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ
САМОЛЕТОВ
В авиации к проблемам ближней навигации относятся главным
образом задачи обеспечения взлета и посадки самолетов на ВПП
Современные взлетно-посадочные системы (ВПС) состоят из раз-
личных функционально обособленных систем, выполняющих на
отдельных этапах взлета или посадки различные функции. Особо
необходимо отметить: курсоглиссадпые радиосистемы, указыва
ющие летательному аппарату курс и глиссаду планирования на
этапе посадки; радиомаячные; светотехнические, обозначающие
ВПП; системы огней подхода и приближения; системы маркерных
радиомаяков, обозначающих момент пролета дальней, ближней,
а в системе Instrument Landing System (ILS) также и средней
приводных радиостанций; различные радиолокационные системы
и т. д. [1]. Все эти системы строятся по принципу использования
электромагнитного излучения в радиодиапазоне или в диапазоне
6
видимого спектра излучения. В частности, в построении курсоглис-
садных систем используются радиоволны метрового, дециметрово-
го или сантиметрового диапазонов. Такие системы, как огни под-
хода и приближения, а также системы, обозначающие взлетно-по-
садочную полосу, строятся как визуальные, помогающие летчику
определить место положения летательного аппарата в пространст-
ве относительно ВПП. Известны также и светотехнические систе-
мы, обозначающие глиссаду планирования и курс движения лета-
тельного аппарата. Такие системы особенно часто используются
для обеспечения посадки летательных аппаратов на палубу ко-
рабля. Среди этих систем можно указать на посадочные системы
DLMS (Deck Landing, Mirror Sight), выполненную в виде зер-
кального индикатора, и DLPS (Deck Landing Projector Sight),
лолучившую название «прожекторный индикатор посадки»
В настоящее время одним из главных направлений в развитии
авиации является повышение безопасности полетов, особенно на
этапах захода на посадку и посадки В связи с этим ВПС продол-
жают непрерывно совершенствоваться, разрабатываются новые и
улучшаются характеристики старых, повышается их надежность
и долговечность. Тенденция развития и совершенствования ВПС
идет в основном в направлении улучшения составляющих харак-
теристик ее отдельных функционально обособленных систем, а так-
же создания новых систем, позволяющих обеспечить автоматиче-
ский режим захода на посадку и выполнение ее вплоть до момента
касания летательных аппаратов поверхности ВПП и осуществле-
ния послепосадочпого пробега. Кроме того, создано и продолжает
разрабатываться большое количество различных дополнительных
систем, дублирующих эксплуатируемые в настоящее время или
выполняющих различные вспомогательные функции, помогающие
летчику в процессе взлета или посадки. Даже создание новых ис-
точников электромагнитного излучения, обладающих новыми, от-
личными от традиционных источников свойствами, приводит к по-
явлению систем, по своему функциональному назначению копиру-
ющих действующие функционально обособленные системы.
Однако, как было отмечено на VII аэронавигационной конфе-
ренции, ни одна из существующих посадочных систем, в том чис-
ле и международная, в ближайшее время не смогут удовлетворить
требованиям, предъявляемым к ним сегодня. Учитывая создавше-
еся положение, на этой конференции был выдвинут проект прог-
раммы ICAO по разработке повой системы захода на посадку. Та-
кое решение было вызвано тем, что находящиеся в эксплуатации
системы имеют ряд существенных принципиальных недостатков,
среди которых особо нужно указать на низкую их чувствитель-
ность и, как следствие, — на низкую точность пилотирования ле-
тательного аппарата, а также узкий круг функциональных возмож-
ностей.
Кроме того, радиотехнические курсоглиссадные системы затруд-
няют пилотирование летательного аппарата в силу отсутствия на-
дежной визуальной информации о его пространственном положе-
7
нии. В этом направлении визуализации в последнее время сдела-
ны некоторые шаги. Так, в частности, используются телевизион-
ные системы, позволяющие летчику видеть ВПП в условиях огра-
ниченной видимости, и системы, выводящие информацию с при-
боров на лобовое стекло кабины и т. д. В качестве примера мож-
но указать на голографический индикатор посадки*, который со-
здает перед летчиком изображение взлетно-посадочной полосы,
соответствующей фактическому положению относительно нее ле-
тательного аппарата в данный момент времени. Однако эти систе-
мы не нашли широкого применения из-за технической сложности
их эксплуатации.
Способ выполнения посадки состоит из ряда последовательных
операций и заключается в выводе летательного аппарата в зону
действия ВПС аэродрома, снижении летательного аппарата по
расчетной посадочной траектории, выравнивании его, приземлении
и послепосадочиом пробеге. Если ВПП аэродрома содержит кур
соглиссадную посадочную систему, то обычно собственно процесс
посадки начинают с момента захвата ее бортовым оборудованием
летательного аппарата.
В радиотехнических курсоглиссадных системах расчетной по-
садочной траекторией является линия пересечения плоскостей,
обозначаемых курсовым и глиссадным радиомаяками. Обычно эти
плоскости представляют собой равносигнальные зоны или в ряде
случаев — зоны минимума излучения частот модуляции. Отклоне-
ния самолета от равносигнальпой зоны курсового радиомаяка оп-
ределяют курсовым радиоприемником, а глиссадного радиома-
яка — глиссадным радиоприемником. В настоящее время в миро-
вой практике гражданской авиации в основном используют две
инструментальные радиомаячные посадочные системы: междуна-
родную систему ILS и систему посадки, применяемую на аэродро-
мах Советского Союза (СП-50), которые отличаются характером
излучения радиомаяков.
Если аэродром не оборудован курсоглиссадной посадочной си-
стемой, то движение в плоскости глиссады снижения осуществля-
ют, определяя дальность до торца (начала) ВПП и высоту полета
летательного аппарата, а также контролируя момент пролета мар-
керных радиомаяков. Курс выдерживают по сигналам приводных
радиомаяков и магнитному компасу.
По мере приближения к началу ВПП с высоты принятия ре
шення переходят на визуальный полет по земным ориентирам, а
в ночных условиях — по светотехническому оборудованию, разме-
щенному по краям ВПП и на подходах к ней Выравнивание ле-
тательного аппарата, как правило, производят вручную, визуаль-
но ориентируясь на ВПП Затем следуют приземление и после-
посадочный пробег.
Успешная и безопасная посадка самолета в условиях плохой
видимости возможна только при комплексном использовании ра
*) Пат. США № 3583784.
8
диотехиических и светотехнических средств. Оба этих вида поса-
дочных средств взаимно дополняют друг друга. Однако на послед-
нем этапе посадка осуществляется с использованием лишь свето-
технических средств аэродрома. Светотехнические средства посад-
ки оказывают тем большую помощь пилоту, чем дальше от ВПП
они обнаружены, т. е. чем с больших расстояний от ВПП обеспе-
чивается возможность перехода от полета по приборам и радио-
средствам к визуальной ориентировке по светосигнальным средст-
вам. Этот переход возможен, когда пилот уверенно наблюдает ог-
ни, обозначающие начало ВПП и зону приземления.
С целью улучшения условий для визуального пилотирования,
особенно при пониженной видимости, светотехнические средства
выносят за пределы ВПП со стороны захода самолета на посадку.
Установка светотехнического оборудования за пределами летного
поля на продолжении ВПП — отличительная особенность оборудо-
вания современных аэродромов.
Летная практика показывает, что для безопасной и уверенной
посадки самолета расстояние перехода на визуальный полет для
самолетов с турбореактивными и турбовинтовыми двигателями
должно составлять примерно 2500 м, а для самолетов с поршне-
выми двигателями — около 1000 м от начала ВПП. Следователь-
но, переход на визуальный полет для самолетов с поршневыми
двигателями осуществляется у ближнего приводного радпомаркер-
ного пункта (БПРМ), отстоящего от начала ВПП на расстоянии
1 км, а Для самолетов с турбореактивными и турбовинтовыми
двигателями — между ближним и дальним радпомаркерпыми пунк-
тами (ДПРМ). Последний находится от ВПП па расстоянии 4 км.
Поэтому па современных аэродромах светотехническое оборудова-
ние устанавливается по границам ВПП и за ней — на расстоянии
около 2500 м от ее начала.
Для того чтобы светосигнальные огни обеспечивали макси-
мальную помощь при ориентировании, их устанавливают в опре-
деленной строгой последовательности, с учетом цвета излучаемого
ими потока, количества и формы огней, расстояния между ни
ми и т. д.
Если посадка осуществляется в автоматическом режиме, то
весь процесс посадки, вплоть до послепосадочного пробега, осу-
ществляется автоматически. Однако существующие системы ав-
томатической посадки далеко не совершенны и не удовлетворяют
предъявляемым к ним требованиям.
Проблема создания взлетно-посадочной системы, отвечающей
требованиям современного состояния авиационной техники, а так-
же перспективам ее развития, может решаться только в комплек-
се и должна сопровождаться использованием новых принципов
построения этой системы, отличных от традиционных, которые уже
ВО многом себя исчерпали.
9
1.2. СРЕДСТВА НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ
СУДОВОЖДЕНИЯ
В зависимости от дальности действия различают средства на-
вигационного оборудования:
ближнего действия, предназначенные для навигационного обо-
рудования зон стесненного плавания, к которым относятся зоны
плавания по фарватерам й узким каналам рек и акваторий пор-
тов, зоны прибрежного плавания по фарватерам и в районах с
разделением движения, а также зоны прибрежной части морей и
океанов с рекомендованными путями следования. Как правило,
эти зоны ограничиваются расстояниями от сотен метров до не-
скольких миль, реже десятков миль;
среднего действия, предназначенные для использования в зо-
нах прибрежного плавания на удалении до 200 миль от берега;
дальнего действия, предназначенные для зоны открытого мо-
ря на удалении свыше 200 миль.
Большинство СНО ближнего действия представлены многочис-
ленными видами зрительных технических средств среднего и даль-
него действия — радиотехническими и космическими системами.
По принципу действия средства навигационного оборудования
разделяются на радиотехнические, звукосигнальные, гидроакусти-
ческие и зрительные. В монографии достаточно подробно будут
рассмотрены зрительные СНО, которые являются основными сред-
ствами при решении задач ближней навигации на водном транс-
порте.
Из радиотехнических средств для обеспечения движения судна
по подходным каналам в портах и узостям широко используются
береговые радиолокационные станции (БРЛС) и радиолокацион-
ные дистанционные створы (РЛДС), а также судовые радиолока-
ционные станции [2]. Проводка судов с помощью указанных
средств осуществляется путем оценки отраженных от створных
знаков эхосигпалов. Если судно находится на заданном курсе, то
измеренные до створных знаков расстояния будут одинаковы. Опе-
ратор, выполняющий проводку судов по БРЛС, с помощью глазо-
мерной оценки определяет смещение судна относительно курса по
экрану локатора и передает эти данные по радиоканалу на судно
для коррекции его движения.
Для решения ряда задач ближней навигации точности суще-
ствующих радиотехнических систем необходимо повышать. Важ-
ным фактором, влияющим на точность определения положения суд-
на этими системами, является наличие разного рода помех. В част-
ности, на точность задания зон ориентирования существенно вли-
яет интерференция двух или нескольких колебаний, попавших в
точку приема различными путями. Кроме полезного сигнала, от-
раженного от антенны маяка, в точку приема попадают радиосиг-
налы, отраженные от облаков и метеообразований (дождь, снег и
т. п.), от неровностей земной поверхности, от местных предметов,
10
находящихся в зоне действия радиосредств. В результате этого
линия курса искривляется.
Недостатки радиосредств компенсируются визуальными или
зрительными устройствами, которые на водных трассах находят
самое широкое применение. Зрительные СНО предназначаются
для визуального определения места судна методом измерений на-
правлений и расстояний до них. По сравнению с другими видами
СНО они обладают существенным преимуществом простотой ис-
пользования, наглядностью и точностью ориентирования. Для из-
мерения навигационных параметров достаточно иметь на судах
штатные технические средства судовождения. Каждый объект зри-
тельных СНО имеют определенную форму и окраску, положение его
иа местности известно с высокой степенью точности, что обеспечи-
вает быстрое его опознание и определение места судна.
Для использования в темное время суток зрительные СНО обо-
рудуются светотехническими аппаратами с заданной характери-
стикой работы.
По технико-функциональным признакам зрительные СНО под-
разделяются на стационарные, к которым относятся маяки, зна-
ки, огни, створы, и плавучие — буи, бакены, вехи. Плавучие СНО
предназначаются для ограждения мест, представляющих навига-
ционную опасность, фарватеров, каналов, участков с особым ре-
жимом плавания и используются как навигационные ориентиры.
Для определения места нахождения судна служат маяки и створы.
Маяком называется средство навигационного оборудования,
представляющее собой специальное капитальное сооружение, име-
ющее светотехнический аппарат с видимостью белого огня или
приведенных к нему цветовых огней не менее 10 миль. Светящийся
навигационный знак отличается от маяка меньшей (до 10 миль)
дальностью обнаружения и более простой конструкцией. Морской
навигационный огонь — это ночной ориентир, который представ-
ляет собой светотехнический аппарат, устанавливаемый на есте-
ственных объектах пли сооружениях неспециалыюй постройки.
Светотехническая аппаратура может быть кругового или на-
правленного действия. В отдельных случаях, особенно в районах
интенсивного судоходства, устанавливаются мощные источники
света для использования в светлое время суток.
Створ — это система береговых навигационных ориентиров,
расположенных в определенном порядке и образующих либо одну
линию положения — ось створа, либо полосу положения — створ-
ную зону. Для осуществления плавания по линии створа или ст-
ворной зоне судоводитель должен удерживать судно таким обра-
зом, чтобы видимое взаимное положение створных знаков остава-
лось постоянным или менялось бы с определенной закономерно-
стью, свойственной данному типу створа. По способу формирова-
ния линии или полосы положения створы подразделяются на ли-
нейные, прицельные, щелевые, перспективные, лучевые, секторные.
В практике работ наиболее часто применяют линейные ство-
ры. Линейным створом называется система из двух или трех на-
11
впгационпых ориентиров, расположенных на некотором расстоя-
нии друг от друга по прямой, образующей ось створа. Для пла-
вания по осн створа судоводитель должен удерживать центры ст-
ворных знаков в одной вертикальной плоскости.
Прицельный створ состоит из трех навигационных ориентиров,
установленных в вершинах равнобедренного треугольника, осно-
вание которого, как правило, обращено к морю. Принцип исполь-
зования основан па способности человеческого глаза определять с
высокой точностью середину расстояния между двумя точками
или симметричными фигурами. Ось прицельного створа распола-
гается па продолжении высоты треугольника, опущенной на осно-
вание, обращенное к морю. Достоинством прицельного створа яв-
ляется более высокая чувствительность, чем у линейного створа,
меныиие высота заднего знака и величина разноса знаков.
Щелевой створ внешне не отличается от прицельного, но в от-
личие от последнего средний знак должен удерживаться между
крайними знаками, не совмещаясь с ними. Фактически щелевой
створ представляет собой систему двух линейных створов с общим
задним знаком и обозначает не только ось фарватера, но н створ-
ную зону.
Перспективный створ — это система навигационных ориенти-
ров, расположенных попарно по обе стороны фарватера на равном
расстоянии друг от друга. Задача судоводителя заключается в
удержании дальней нары ориентиров симметрично относительно
ближней пары. Ось перспективного створа образуется осью сим-
метрии пар знаков
Лучевой створ основан на способности глаза обнаруживать от-
клонение прямой липин от вертика ти. Для построения лучевого
створа используется мощный источник света, луч которого направ-
лен по осп фарватера под некоторым углом к горизонту. Находясь
на осп створа, судоводитель видит луч, направленный в зенит. Ук-
лонение от оси обнаруживается по наклону луча. Обычно наклон
луча к плоскости горизонта составляет 1,5... 2,0°.
Секторным огнем называется специальное светотехническое
устройство, предназначенное для формирования световых зон с
различной характеристикой, обозначающих безопасные и опасные
для плавления секторы. Как правило, секторные огни использу-
ются в темное время суток. Для обеспечения плавания в днев-
ных условиях должен устанавливаться линейный или другой створ
соответствующего типа. Основное требование к секторному огню
заключается в том, чтобы огонь каждого сектора был виден толь-
ко в пределах заданного угла по горизонту и сохранял постоян-
ство границ.
Несмотря на значительные различия в традиционных визуаль-
ных средствах навигации воздушного и морского транспорта и
предъявляемым к ним требованиям, они обладают рядом общих не-
достатков, к которым можно отнести следующие:
недостаточная дальность действия, п прежде всего в условиях
сильно замутненной атмосферы;
12
трудность установки и использования в районах со сложным
рельефом местности, так как они требуют отвода значительных
территории для установки и обеспечения беспрепятственной их
видимости; значительное потребление энергии. Аэродромные све-
тосигнальные средства, например, потребляют сотни киловатт;
большая трудоемкость в обслуживании сложных светотехниче-
ских устройств;
сложность одновременного выполнения этими средствами двух
функций — обозначения места прибытия и задания с достаточной
точностью курса следования.
Все эти недостатки обусловлены главным образом свойствами
тепловых источников света, а также закономерностями переноса
оптических сигналов через атмосферу и особенностями глаза че-
ловека как приемника световых сигналов. Эти важные аспекты
проблемы будут подробно рассмотрены в последующих разделах
книги.
1.3. ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ НАВИГАЦИИ
Общие сведения
Источники света для целей навигации так же, как и светосиг-
нальные установки в целом, прошли длинный путь совершенст-
вования— от сигнальных костров до самых современных тепловых
источников света и сложных светооптических аппаратов. Этот путь
развития венчает одно из выдающихся достижений науки XX сто-
летия— создание лазеров, обладающих удивительными свойства-
ми излучаемого ими света и позволяющих конструировать уни-
кальные светооптические приборы.
Тепловые источники света
В качестве тепловых источников света в навигационных уст-
ройствах применяются электрические лампы накаливания, газо-
разрядные лампы и ацптеленовые горелки. Световые и эксплуата-
ционные параметры навигационных источников света приведены
в [2]
Наибольшее применение в навигации нашли электрические
лампы накаливания благодаря следующим своим качествам: изго-
тавливаются промышленностью в широком диапазоне мощностей,
световых потоков и габаритных яркостей; обладают большей ста-
бильностью световых и электрических характеристик в течение
срока службы; являются относительно дешевым и простым источ-
ником света
Современные лампы накаливания изготавливаются па рабо-
чее напряжение 1 .. 220 В, имеют мощность от долей ватт до
50 кВт, срок службы от нескольких минут до 2000 и более часов.
В зависимости от мощности, напряжения и срока службы свето-
вая отдача ламп накаливания колеблется от 5 до 30 лм/Вт. В пе-
13
которых специальных типах ламп опа может быть увеличена до
1,5 раза. В спектре ламп накаливания видимое излучение преоб-
ладает в желтой и красной частях спектра при недостатке в си-
ней и фиолетовой по сравнению с дневным светом. На рис. 1 1
изображены кривые спектрального распределения потока излуче-
ния пустотной (?) и газонаполненной (2) ламп накаливания. Для
сравнения на рисунке приведена кривая (5) спектра рассеянного
от небосвода света.
Несмотря на определенные достоинства ламп накаливания, они
обладают с точки зрения их применимости в навигационных уст-
ройствах рядом существенных недостатков В качестве одного из
них следует указать то, что лампы накаливания являются мало-
эффективными преобразователями электрической энергии в свето-
вую. В современных лампах тело накала изготавливается из
вольфрамовой проволоки и нагревается электрическим током до
температуры 2400 ... 3000 К.
Известно, что даже абсолютно черное тело (полный излуча-
тель), нагретое до температуры 6500 К, способно превратить в
световой поток всего около 15% подводимой энергии. Доля энер-
гии, превращаемая лампами накаливания в световой поток, сос-
тавляет лишь несколько процентов. В табл. 1.1 приведен энерге-
тический баланс для различных ламп накаливания.
Следует также отметить, что основная часть видимого излу-
чения находится в области длинноволнового участка спектра, чув-
ствительность человеческого глаза к которому, как это видно из
рассмотрения рис. 1.2, невелика.
Плотность излучения ламп накаливания, которая в конечном
итоге определяет эффективность световых навигационных устройств,
из-за ненаправленного характера излучения относительно невели-
ка. Для увеличения плотности излучения ламп накаливания в на-
вигационных устройствах используют различные светооптическпе
аппараты, краткая характеристика которых приведена ниже. Эти
Таблица 1.1
Лампа Распределение энергии излу- чении, %
Видимое излучение Невидимое излучение Тепло вые потери
Вакуумная Наполнен- ная; 7 86 7
аргоном 10 68 22
крипто- ном и ксе- ноном 13 76 11
Бсзепираль- ная, напол- ненная ар- гоном 12 74 14
Рис. 1 1. Сравнительные кривые
спектрального распределения по-
тока излучения ламп накаливания
14
аппараты позволяют увеличить плотность излучения, по при этом
приводят к значительным потерям видимой энергии излучения и,
следовательно, к дальнейшему уменьшению коэффициента полез-
ного действия.
Второй существенный недостаток ламп накаливания связан с
тем, что для кодирования информации в навигационных маяках
широко используется цветность огня. Наиболее широко применя-
ются при этом красный, желтый, зеленый и синий цвета.
Необходимый спектральный участок выделяется с помощью
цветных светофильтров. На рис. 1.3 приведены спектральные кри-
вые пропускания цветных стекол OCll, КС2, СС8, СЗСЗ. Видно,
что цветные стекла позволяют использовать лишь часть световой
мощности ламп. Кроме того, этот метод не обеспечивает получе-
ния достаточно чистого по спектральному составу цвета Это об-
стоятельство существенно снижает его контрастность на фоне по-
сторонних источников света, приводит к более быстрой трансфор-
мации цветности огня за счет влияния атмосферы и в целом ве-
дет к дальнейшему уменьшению эффективности применения ламп
накаливания для целей навигации.
В последние годы в навигации стали использоваться люминес-
центные лампы. Свечение применяемых люминофоров характери-
зуется довольно широкими полосами излучения, неодинаковыми
для различных люминофоров. Смешивание люминофоров в опреде-
ленных пропорциях дает возможность получать различный по
спектральному составу свет.
Люминесцентные лампы выпускают четырех типов, отличаю-
щихся по составу излучения:
дневного света (ДС), спектральный состав излучения которых
соответствует составу излучения абсолютно черного тела при тем-
пературе 6500 К;
холодного белого света (ХБС)
с цветовой температурой 4800 К;
тепло-белого света (ТБС) с
цветовой температурой 2700 К;
белого света (БС) с цветовой
температурой 3500 К-
Рис. 1.2. Спектральная чувств»
телыюсть, или вндпость глаза
в условиях'
I — дневных; 2 — сумерек
Рис. 1.3. Спектральное пропус
капие цветных стекол, исполь
зуемых в навигационных уст-
ройствах
IS
ОА 0,5 0,5 К.мкм
а)
ОА 0,5 0,5 К мкм
в)
Рис. 1.4. Спектральные характеристики люминесцентных ламп
а — ДС; б — ХБС; в — БС; г — ТБС
Спектральные характеристики люминесцентных ламп приведе-
ны на рис. 1.4.
Люминесцентные лампы обладают экономичностью примерно в
3—4 раза большей, чем лампы накаливания. Распределение энер-
гии в спектре излучения люминесцентных ламп более выгодно с
точки зрения их применения в навигации, срок службы в несколь-
ко раз больше. Несмотря па очевидные достоинства, люминесцен-
тные лампы не находят широкого применения в навигационных
устройствах прежде всего из-за большого тела свечения у этих
источников света и принципиальной невозможности получения не-
обходимой плотности излучения.
Люминесцентные или газоразрядные лампы применяются в тех
случаях, когда требуется иметь узкую протяженную светящуюся
поверхность. Прямолинейные газоразрядные трубки, дающие
цветнын огонь, будут обладать в этом случае наиболее характер-
ным отличительным признаком сигнального огня, так как они вос-
принимаются в виде светящихся цветных линии. Это имеет боль-
шое значение, например, для щелевых створов, где особенно важ-
но выделить средний ведущий огонь.
Все большее применение в навигации находят газоразрядные
импульсные лампы, которые могут работать в проблесковом режи-
ме, обладают значительно большей яркостью, чем лампы накали-
вания и люминесцентные лампы. Длительность проблескового ог-
ня таких ламп находится в пределах 0,015 ... 0,4 мс, энергия вспыш-
ки у отдельных ламп может достигать десятки джоулей, срок
службы характеризуется десятками тысяч вспышек.
Ацетиленовые горелки классифицируются по объему расхода
газа на 1 ч работы. Средние значения силы света типовых ацети-
леновых горелок находятся в пределах 3. 110 кд. Видимость све-
товых устройств с ацетиленовыми горелками невелика. Эти уст-
ройства используются, как правило, в некоторых труднодоступ-
ных районах Севера.
16
Светооптические системы
Оптические системы предназначаются для перераспределения
светового потока от источника света и вывода его в пространство
по требуемому направлению. Основными частями таких устройств
являются источники света и оптическая система.
В качестве стационарного или мобильного светового маяка
широко применяются маяки прожекторного типа, например БМ-
60 1. Диаметр отражателя составляет 64 см. Расходимость свето-
вого луча 4° в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При
использовании электрической лампы накаливания мощностью
2000 Вт ночная дальность видимости световых сигналов прожекто-
ра достигает в условиях слабо замутненной атмосферы (S,n~
«5 15 км) 35 миль.
В настоящее время наибольшее распространение нашли диоп-
трические системы, представляющие собой набор плосковыпуклых
линз, профиль которых рассчитан по методу Френеля Он харак-
терен тем, что внешняя поверхность линзы имеет ступенчатые
выступы, а внутренняя расположена на одной плоскости. Число
ступеней одинаково, и они расположены симметрично относитель-
но оптической оси. Внешний профиль каждой ступени имеет оп-
ределенную кривизну. Световой луч, падающий на внутреннюю по-
верхность, претерпевает преломление и выходит из линзы направ-
ленным параллельно оптической оси системы.
Маячные диоптрические линзы широко используются в свето-
оптических аппаратах на береговых знаках и буях. В настоящее
время изготавливаются линзы двух типов: цилиндрические (по-
ясные) и дисковые (полизональные). Световой поток, падающий
на внутреннюю поверхность линзы, после двойного преломления
выходит в пространство в виде светового пучка кругового дей-
ствия из цилиндрической линзы и в виде направленного светового
пучка из дисковой линзы.
Маячные оптические аппараты представляют собой устройства,
состоящие в общем случае из оптической системы, источника све-
та, проблескового аппарата, лампоменятеля, устройства фокуси-
ровки и управления. В зависимости от мощности источника света
маячные аппараты используются на классных маяках, береговых
знаках и буях.
Наиболее сложную конструкцию имеют аппараты, устанавли-
ваемые на классных маяках. Оптическая часть высокой чистоты
обработки состоит из системы диоптрических н катодооптрических
линз с большим (до 140° по вертикали) углом охвата, что обеспе-
чивает максимальное использование светового потока. Аппараты
этого типа выпускаются в двух основных модификациях ЭВМ и
ЭМН, отличающихся методом формирования проблесковых харак
терпстик
Аппараты ЭВМ — вращающиеся. Оптическая часть состоит из
нескольких дисковых линз, которые формируют направленные пуч-
ки света При вращении оптической системы’ вокруг источника
1 17
1 (
Таблица 12
света лучи перемещаются в пространстве в горизонтальной пло-
скости, в результате чего наблюдатель видит световые проблески.
Меняя скорость вращения, получают различные группопроблеско-
вые характеристики.
В аппаратах ЭМН оптическая часть неподвижна и состоит из
цилиндрических линз, формирующих круговой световой поток.
Проблесковая характеристика создается специальным проблеско-
вым аппаратом.
Питание электроэнергией этой аппаратуры осуществляется от
маячной электростанции или промышленной сети. Источником све-
та служат лампы накаливания типов ММ-110-1000, ММ-110-500,
ПЖ-220-1000, ПЖ-220-500. Аппараты формируют световой поток с
осевой силой света до 2 000 000 кд и обеспечивают дальность види-
мости белого огпя до 35 миль. Дальность видимости зависит от
состояния атмосферы и проблесковых характеристик маяка. Ап-
параты этих типов нуждаются в систематическом техническом ос-
мотре и профилактике, поэтому устанавливаются на обслужива-
емых объектах.
На навигационных знаках и буях устанавливаются электриче-
ские маячные аппараты типа ЭМ — кругового действия и ЭМС —
направленного действия. В состав аппарата входят фонарь, линзы,
источник света, проблесковый аппарат с лампоменятелем.
Технические характеристики аппаратов этого класса приведены
в табл. 1.2.
При составлении таблицы приняты: пороговая освещенность бе-
лого постоянного огня для створных светооптических аппаратов
типа ЭМС £Пор=5-10~7 лк; продолжительность проблеска 0,5 с;
коэффициент пропускания красного светофильтра при цветовой
температуре 2848 К равен 0,235.
Аппараты с электролампами напряжениями 6, 12, 32 В ра-
ботают от автономных источников питания. Для питания ламп на-
пряжением 6 В используются сухие батареи 1.6-ЗМЦ-Х-800 «Знак»,
начальное напряжение которых составляет 1,6 В, емкость 800 А.-ч,
температурный режим работы —30 ... +40° С.
Для энергообеспечения аппаратов, потребляющих ток с напря-
жениями 12 и 32 В, все более широко применяются радиоизотоп-
ные термоэлектрические установки (РЭУ). Каждая установка
включает радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)
и блок наполнения энергии, состоящий из батареи аккумуляторов
(БНЭ).
В сравнении с другими автономными источниками питания РЭУ
обладают рядом преимуществ. Они сохраняют работоспособность
по всему диапазону отрицательных температур окружающего воз-
духа без снижения выходных электрических параметров, что де
лает их незаменимыми при эксплуатации в районах с холодным
климатом. Генераторы не нуждаются в техническом обслуживании,
имеют срок службы до 10 лет.
В настоящее время для нужд народного хозяйства серийно
выпускаются РИТЭГ двух основных модификаций: «Эфир МА»
18
Тип аппарата Тип лампы Осевая сила света белого постоянного огня, кд Дальность видимости огия ночью при т—0.8, миль
белого красною
постоян- ного пробле- скового постоян- ного пробле- скового
эм-юо ММ-6-3 20 3,6 3,1 1,4 1.2
ММ-6-6 50 4,9 4,4 2,0 1,8
ММ-12-12 110 6,3 5,7 2,8 2,5
ЭМ-140 ММ-6-3 40 4,5 4,1 1,9 1,6
ММ-6-6 70 5,5 4,9 2,4 2,0
ММ-12-12 150 6,9 6,2 3,1 2,7
ММ-12-18 200 7,5 6,7 3,5 3,1
ММ-12-23 300 8,3 7,5 4,0 3,6
ЭМ 200 ММ-12-12 160 7,0 6,3 3,2 2,8
ММ-12-18 260 8,0 7,3 3,8 3,4
ММ-12-23 340 8,5 7,8 4,2 3,8
ЭМ-300 ММ 12-18 420 9,0 8,2 4,5 4,1
ММ-12-23 550 9,6 8,8 4,9 4,4
ММ-32-50 1200 11,5 Ю.6 6,3 5,1
ММ-32-100 2600 13,5 12,6 7,8 7,1
ММ 32 2р0 5000 15,4 14,4 9,2 8,5
ЭМС 120 ММ 6 6 2190 10,6 9,8 7,5 6,9
ММ 12 12 2500 11,0 10,2 7,8 7,1
ММ 12-18 4500 12,5 11,7 9,0 8,4
ММ-12-23 6500 13,5 12,6 9,9 9,1
ЭМС 210 МА 12-12 18000 16,4 15,4 12,4 11,5
ММ-12-18 29000 17,8 16,8 13,7 12,8
ММ-12-23 52500 19,6 18,5 15,2 14,4
ЭМС-350 ММ-32-50 54000 19,7 18,6 15,4 14,4
ММ-32-100 93500 21,3 20,2 17,0 16,0
ММ-32-250 185600 28,5 22,5 19,0 18,0
ММ-220-300 130000 22,5 21,4 18,0 17,0
ММ-220-500 190000 23,7 22,6 19,1 18,1
мощностью 30 Вт, напряжением 35 В и «Бета-М» мощностью
10 Вт, напряжением 14 В на начало ресурса. Снижение выход-
ной мощности за десятилетний срок службы составляет около
40% начальных значений. Оба типа РИТЭГ специально пред-
назначены для питания аппаратуры СНО.
Внедрение РЭУ позволило создать автономные радиомаячные
комплексы и установить их в самых труднодоступных районах
морских побережий и на островах.
Применение оптических аппаратов даст возможность в нес-
котько раз увеличить плотность излучения тепловых источников
света, сформировать относительно направленные пучки световой
энергии. Все это приводит к увеличению дальности действия све-
товых навигационных устройств, повышает точность ориентирова-
ния по пим. Тем пе менее даже использование самой современной
оптики и сверхмощных тепловых источников не позволяет созда-
вать светооптические навигационные устройства, отвечающие тре-
бованиям сегодняшнего дня. Принципиально новые возможности
появляются в связи с использованием в таких устройствах лазеров.
19
Лазеры
Первый лазер был создан немногим более 20 лет назад. Сейчас
лазеры нашли практическое применение в самых различных от
раслях народного хозяйства. Это связано с уникальностью свойств
их излучения, среди которых подчеркнем те, которые имеют пря-
мое отношение к навигации: 1) возможность получения большой
мощности излучения как в непрерывном, так и импульсном ре-
жиме генерации; 2) высокая монохроматичность, спектральная яр-
кость и когерентность излучения; 3) малая расходимость луча;
4) возможность управления частотой следования, длительностью
импульсов и спектром излучения в частности, одновременной ге-
нерацией нескольких длин волн излучения разной цветности
Отметим, что советские ученые внесли принципиально важный
вклад в создание основ лазерной физики, ее развитие и широкие
практические применения. Академики И. Г. Басов и А. М. Про-
хоров вместе с американским профессором Ч. Таунсом за создг
нис основ квантовой электроники были удостоены Нобелевской
премии.
г Описание принципов рабо1ы, конструкции различных лазеров
и их характеристик можно найти в [3—5]. В литературе встреча-
ется несколько вариантов классификации лазеров. В настоящее
время принята классификация по ГОСТ 21394—75, согласно ко-
торой все лазеры подразделяются иа следующие основные типы:
газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые. Каж-
дый из перечисленных типов лазеров характеризуется определен-
ными параметрами. Приведем краткую характеристику отдельных
параметров различных лазеров с учетом специфики их использо-
вания для целей навигации.
Мощность. Максимальные мощности в импульсном режиме по-
лучены у твердотельных лазеров в режиме генерации с модули-
рованной добротностью и в особенности в режиме синхронизации
мод. В последнем случае в импульсах длительностью триллионной
доли секунды достигается мощность излучения до миллиарда ки
човатт, в сотни и тысячи раз превышающая мощность наиболее
крупных электрических станций мира
В непрерывном режиме генерации максимальная мощность из-
лучения получена у газовых лазеров на углекислом газе Мощ-
ность таких лазеров сегодня достигается десятков киловатт и
более.
Указанные выше значения достигнутой мощности излучения
лазеров, работающих в импульсном и непрерывном режимах, су-
щественно превышают потребности систем навигации, поскольку
в визуальных навигационных устройствах мощность излучения
должна выбираться с учетом обеспечения необходимой дальности
действия устройства и с учетом предельно допустимой плотности
излучения, при которой воздействие лазерного излучения не при-
водит к каким-либо биологическим последствиям в органе зрения
человека [6].
20
Анализ существующих навигационных задач и условии экс-
плуатации лазерных устройств позволяет сделать вывод о тре-
буемых мощностях лазеров. Значения этих мощностей лежат в
пределах от десятых долей до нескольких ватт.
Длительность и частота повторения импульсов. Д. ите. ьность
импульса лазерного излучения может изменяться в широких пре-
делах, в зависимости от типа генератора и режима генерации. Все
известные лазеры и возможные режимы их работы практически
дают возможность получать импульсы любой длительности, начи-
ная от больших значений, имеющих место при механической мо-
дуляции непрерывного излучения, и кончая субпикосекундными
длительностями.
Частота повторения импульсов излучения лазера также зави-
сит от его типа и конструкции. Так, для лазеров на рубине (дли-
на волны излучения 0,6943 мкм) частота повторения мощных им
пульсов обычно не превышает нескольких импульсов в минуту.
За счет известной потери мощности в импульсе частоту повторе-
ния можно довести до десятков герц. Примерно такие же частоты
повторения импульсов имеет лазер на стекле с неодимом (длина
волны излучения 1,06 мкм). Лазер на иттрий-алюминиевом гра-
нате, излучающий волны такой же длины, свободно генерирует
порядка 100 нмп./с. Лазер на флюорите с диспрозием (длина вол-
ны излучения 2,36 мкм) может иметь частоту повторения доста-
точно мощных импульсов, достигающих сотен н даже тысяч им-
пульсов в секунду. Лазеры на парах меди могут излучать тыся-
чи, десятки тысяч и даже сотни тысяч импульсов в секунду в жел-
то-зеленой области спектра.
Решая вопрос о возможности использования импульсных лазе-
ров в навигационных устройствах, приходится учитывать следую-
щие моменты. Прежде всего длительность импульса должна быть
достаточно большой с точки зрения физиологической возможнос-
ти глаза человека зарегистрировать его появление. Частота пов
горения импульсов должна достигать необходимых значении для
решения задачи полного заполнения коридора ориентирования и
обеспечения необходимой частоты обновления получаемой навига-
тором информации. Наибольшие частоты следования импульсов
для лазерных навигационных устройств требуются в курсоглнс
садпых устройствах. В этом случае повторяемость импульсов
должна достигать не менее 20 кГц.
Монохроматичность. Мерой монохроматичности света служг
отношение излучаемого спектрального интервала длин волн к
средней длине волны излучения. Наиболее распространенный га-
зовый лазер на смеси гелия с неоном, излучающий волны длиной
6328 А, в красной области видимого спектра имеет ширину спект-
ра излучения, примерно равную 0,02 А в обычном режиме гене-
рации. Имеются методы, позволяющие значительно сузить спектр
излучения.
2 К
Спектры излучения твердотельных, полупроводниковых и жид-
костных лазеров обычно занимают полосу от десятых долей до
десятков и даже сотен А
Высокая монохроматичность лазерного излучения обусловлива-
ет его фантастическую спектральную плотность (плотность энер-
гии на единичный спектральный интервал). Так, самые мощные
импульсные лазеры на рубине имеют яркость на 12—13 порядков
больше яркости Солнца. Это свойство позволяет легко обнаружи-
вать и опознавать цвет лазерных световых сигналов, что сущест-
венно повышает их различимость на фоне световых помех
Расходимость. Расходимость лазерного излучения с помощью
достаточно простых систем в принципе может быть уменьшена до
теоретически возможного предела, обусловленного явлением диф-
ракции. Дифракционная расходимость, как известно, пропорцио-
нальна диаметру оптического объектива или зеркала, формирующе-
го пучок света, и в видимой области спектра для обычно исполь-
зуемых па практике коллимирующих систем составляет величину
порядка нескольких угловых секунд Заметим, что световой луч с
такой расходимостью увеличивает свой диаметр всего на 0,5 см
при прохождении расстояния в 1 км. Таким образом, на практике
с помощью лазеров можно получить практически параллельный
пучок света.
Малая расходимость лазерного излучения обеспечивает возмож-
ность транспортировки световой энергии в атмосфере на большие
расстояния, что имеет важное значение для работы всех устройств
на лазерах, в том числе лазерных навигационных систем. Узость
лазерного луча позволяет создавать принципиально более точные
системы ориентирования.
Наибольшей направленностью луча обладают газовые лазеры.
Расходимость серийно выпускаемых газовых лазеров, как прави-
ло, не превышает нескольких угловых минут.
Когерентность. Когерентность лазерного излучения обусловле-
на его природой, в то время как во всех обычных источниках оп
тического излучения (лампах накаливания, газоразрядных источ
пиках, электрических дугах, солнечном излучении) имеют дело с
заведомо пекогерентным излучением.
В лазерах, как и в обычных источниках света, излучают от-
дельные атомы или молекулы. Излучение каждого атома и каж
дой молекулы можно считать когерентным, т. е представляющим
собой правильную волну с четко следующими друг за другом мак
симумами и минимумами. В лазерах излучение совокупности боль
шого количества возбужденных атомов или молекул происходит
индуцирование, можно сказать, по команде, одновременно, по-
этому волны, испущенные атомами или молекулами, складываясь,
дают мощную правильную волну В обычных источниках генера
ция атомов или молекул происходит хаотически, несогласованно,
поэтому результирующее излучение по самой природе не может
быть правильной волной
22
Уникальное свойство лазерного излучения — когерентность, по-
ка не нашло применения при создании лазерных визуальных на-
вигационных устройств. В то же время известно, что лазерные го-
лографические устройства, в которых используется свойство коге-
рентности лазерного излучения, уже обрели право на существо-
вание в системах обеспечения посадки самолетов.
Поляризация. Поляризация, как и когерентность, обусловлена
самой природой генерации лазерного излучения. Как известно,
свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. По-
ляризованный свет есть свет с преимущественным направлением
колебаний векторов напряженности электрического или магнит-
ного полей. Если при распространении волны плоскость колеба-
ний любого из векторов остается неизменной, то говорят о линей-
но-поляризованном излучении, если любой из векторов непрерыв-
но меняет плоскость колебаний, описывая эллипс или окружность,
то говорят об эллиптической или круговой поляризации света. Для
естественного света векторы напряженностей электрического и маг-
нитного полей не имеют преимущественного направления колеба-
ний.
Поляризационные свойства лазерного излучения могут найти
широкое применение в лазерных навигационных устройствах для
увеличения контраста огней лазерного маяка на фоне посторон-
них, как правило, некогерентных источников света. Для этой це-
ли необходимо лишь использовать соответствующие поляризаци-
онные устройства при приеме сигналов в инструментальных сис-
темах или поляризационные бинокли при наблюдении сигналов
визуальных лазерных систем.
Таким образом, рассмотренные выше уникальные свойства ла-
зерного излучения, и прежде всего такие, как высокая монохро-
матичность, спектральная плотность и направленность излучения,
делают лазер, бесспорно, самым перспективным источником света
для навигации Как показала многолетняя практика использова-
ния лазеров в навигационных устройствах, результаты которой
подробно рассматриваются в гл. 6, даже относительно слабомощ-
ный лазер с выходной мощностью около 20 мВт позволяет созда-
вать маяки, дальность действия которых превышает дальнодейст-
вие традиционных навигационных огней, где в качестве источника
света используются лампы накаливания мощностью в сотни и ты-
сячи ватт. Особенно впечатляюще преимущество лазера проявля-
ется в условиях плохой видимости. В данном случае оно обуслов-
ливается закономерностью распространения излучения лазера в ат-
мосфере Этот вопрос подробно будет рассмотрен в гл. 2.
При выборе типа лазера для навигационного устройства на-
ряду с учетом параметров его излучения по понятным причинам
первостепенное внимание обращается на эксплуатационные ха-
рактеристики лазера. Лазер для навигации должен обладать дос-
таточно высокими ресурсом и надежностью, устойчивостью к кли
Матическим воздействиям.
23-
Таблица 14
Учитывая весь комплекс представляемых к навигационным уст-
ройствам требовании и принимая во внимание характеристики
современных лазеров, при решении вопроса о более перспективном
для целей навигации типе лазеров предпочтение следует отдать
газовым.
Газовые лазеры в квантовой электронике занимают особое
место. Прежде всего это обусловлено тем, что они работают в
очень широком диапазоне длин волн — от вакуумной ультрафио-
летовой области спектра до инфракрасного, но существу, субмнл-
лимстрового диапазона как в импульсном, так и непрерывном ре-
жиме. В газовых лазерах отчетливо проявляются наиболее харак-
терные свойства лазерного излучения — высокая направленность
и монохроматичность По сравнению с твердыми телами и жид-
костями газы обладают существенно меньшей плотностью и более
высокой однородностью. При малой плотности для газов харак-
терно доплеровское уширение спектральных линий, величина ко-
торых мала по сравнению с широкой линией люминесценции в
других средах.
Среди разнообразных типов газовых лазеров, освоенных про-
мышленностью, в первую очередь следует назвать гелий-неоновые.
Это связано прежде всего с тем, что указанные лазеры были пер-
выми освоены промышленностью и поэтому при их серийном про-
изводстве достигнуты наилучшие показатели по надежности и ус-
тойчивости в работе.
В габл. 1.3 приведены основные параметры наиболее распро-
страненных типов He-Ne-лазеров, работающих на волне 0,63 мкм.
Среди лазеров на ионизированных атомах наибольший интерес
с точки зрения применения в системах навигации представляют
лазеры с активной средой на следующих инертных газах: аргон
криптон, ксенон. Аргон наиболее представителен в списке про-
мышленных типов лазеров. Аргоновый лазер генерирует в види
мой области спектра в диапазоне 0 4579... 0,5145 мкм, при этом
Таблица 1.3
Тип яазера Мощность излучения, мВт Расходи- мость мрад Диаметр пучка, мм Диапазон ра- бочих темпе- ратур, °C Наработка ; ‘'а отказ, ч Средний ресурс, ч Сохраняе- мость, мсс Массе, кг
излуча- теля блока питания
Л Г-36 40 0,5 2,5 —50 4-70 1500 12 48 31
Л Г-36А 80 0,5 2,5 0 50+2 500 — 12 66 31
Л Г-38 50 0,58 2,2 3 0...+40 1500 — 12 70 19
J1 Г-75 25 2.9 4. 5 —40 +70 1500 1 10 28
J1I -75 1 25 2,9 — 10 4-40 2000 10000 60 10 20
Л Г 77 25 2,7 0,6+ + 0,2 + 15...4-35 4000 — 24 5 12
Л Г 78 2 — — +25...+40 1000 — 12 0,7 4,1
Л Г 79 1 15 2 2 + 10 +35 200 5000 24 6,5 8,5
ЛГ 79 2 8 2 2 + 10 +35 200 5000 24 5,5 8,5
ЛГ 126 10 2,9 2 —40. .+70 2000 — 12 35,5 19
Тил лазера Длина волны, мкм Мощность из лучения, Вт Диаметр луча, мм Расходи- мость. мрад Диапазон ра- бочих темпе- ратур, °C
s->—
ЛГ-51 Л Г-Ю6 ЛГ-106М ДГ-106М 0,48 0,51 0,01 1 1 1,2 +5...+20
0,48 0,51 2 3,5 1 ,2 +5...+ЗЙ
0,48 0,51 0,48 0,51 1 1 3 3 1,2 1,2 4~5 .4-35 +5...+35
ЛГ-106М 0,64 0,67 0,9 3 1,2
Л ГН-404А 0.45 0,52 1 4 1,2 —20 +50
Л ГН-4046 0,62 0,68 0,6 4 1,2 —20 4-50
ЛГИ 502 0 4579 0,5145 4 — 1,4 —
Окончание табл. 1.4
Тип лазера Наработ- ка на от- каз. ч Средний ресурс, ч Сохраняе- мость» мес Масса, кг Охлаждение
излуча теля блока питания
ЛГ-51 Л Г-106 1000 12 7 10 Воздушное
30 — 6 78 10 Водяное
Л Г 106М 100 500 6 78 12 — > —
ЛГ-106М 500 5000 6(60) 50 35 — > —
ЛГ 106М 300 500 6(60) 50 35 — > —
Л ГН-404 А 750 — 24 75 161 50%-иый вод- но-спиртовой раствор
ЛГН 404Б 100 — 24 75 161 То же
Л ГН-502 500 2000(5000) 24 50 140(160) — > —
наибольшую (до 80%) мощность имеет излучение на волнах дли
ной 0,488 и 0,514 мкм. Линии генерации криптона лежат в облас-
ти 0,3507... 0,6764 мкм. Наиболее интенсивное излучение имеет
место на волне длиной 0,6471 мкм. Основные характеристики ион-
ных лазеров непрерывного излучения приведены в табл. 1.4.
Коэффициент полезного действия газовых лазеров на атомах
благородных газов и их ионах относительно невелик и достигает
в лучших образцах порядка двух десятых процента Габаритные
размеры мощных газовых лазеров достаточно большие Кроме т
го, все ионные лазеры с выходной мощностью более 25 мВт, как
правило, требуют применения жидкостного охлаждения. Переч i
ленные моменты в ряде случаев затрудняют использование га о-
вых лазеров в навигационных устройствах Отметим также, что у
большинства серийно выпускаемых газовых лазеров относительно
низкие ресурсы и надежность работы.
Лазеры на парах металлов представляют наиболее перепек!ив
ное направление в дальнейшем развитии газовых лазеров. Эти ла-
зеры обладают более высоким КПД (до нескольких процентов),
достаточно широким диапазоном излучаемых волн и мощностей,
высокой частотой повторения импульсов, что позволяет использо-
25
24
Т а б л и ц а 1.5
Техническая характеристика Активная среда
Си Ан Pb
Длина волны излучения, мкм Средняя мощность излучения, Вт Длительность импульса излучения, нс Частота П0ПТ°Ре«»я импульсов, кГц 0.51; 0,57 5 10 15 20 5 15 0,3 0,63 0,5. 1 10 15 5 15 0,04 0,72 0,5 20 15 20 0,05
вать их в различных по назначению навигационных устройствах.
К настоящему времени наибольшее развитие получили лазеры
на парах меди [7, 8]. В Институте оптики атмосферы и СКВ НП
«Оптика» СО АН СССР создан оригинальный экспериментальный
образец лазера, работающего одновременно на парах меди и зо-
лота и генерирующего волны трех наиболее перспективных для
применения в навигации длины в красной, зеленой и желтой об-
ластях спектра. Имея выходную мощность более 300 мВт, КПД
порядка 1% и не требуя жидкостного охлаждения, этот лазер
должен найти при его промышленном освоении весьма широкое
применение в навигационных устройствах.
В табл. 1.5 приведены характеристики лазеров на парах метал-
пгтп
Глава 2.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАСПРОСТРАНЕНИИ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение лазеров в практике поставило перед нау-
кой ряд новых проблем, среди которых особое место заняли проб-
лемы распространения лазерного излучения в атмосфере. Для ус-
пешного использования лазерных систем связи и передачи инфор-
мации, локации и далыюметрирования, трассирования и навига-
ции и т. п. необходимы количественные данные о влиянии атмос-
феры на параметры лазерного луча, несущего ту или иную по-
лезную информацию.
Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровож-
дается весьма большим набором явлений линейного и нелинейно-
го взаимодействия. При этом ни одно из этих явлений не прояв-
ляется в отдельности. По чисто качественным признакам указан
ные явления можно разделить на следующие основные группы
рефракция лучей лазерного пучка; поглощение энергии лазерного
пучка атмосферными газами; рассеяние энергии лазерного пучка
26
частицами аэрозолей на флуктуациях плотности воздуха и др.;
флуктуации параметров лазерных пучков, обусловленные атмос-
ферной турбулентностью. Каждая из перечисленных групп явле-
ний взаимодействия лазерного излучения с атмосферой может про-
являться в областях как линейной, так и нелинейной оптики В то
же время каждая из этих групп имеет четкие специфические осо-
бенности, которые должны учитываться при соответствующих тео-
ретических и экспериментальных исследованиях.
Высокая монохроматичность, пространственная ограниченность,
возможность получения больших энергий и малых длительностей
импульсов лазерного излучения обусловили жесткие требования к
постановке соответствующих теоретических и экспериментальных
исследований по проблеме распространения лазерного излучения в
атмосфере. В большинстве случаев оказалось, что накопленная за
многие годы исследований информация о распространении оптиче-
ских волн в атмосфере не годится для соответствующих количест-
венных оценок применительно к лазерам.
Развернутые широким фронтом исследования по комплексной
программе распространения лазерного излучения в атмосфере не
только существенно продвинули решение самой проблемы, но и
стимулировали появление новых направлений в науке и технике,
к которым прежде всего следует отнести направления, связанные
с методами лазерного дистанционного зондирования атмосферы,
лазерной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения, а
также лазерной навигации.
Значительный прогресс в решении комплексной проблемы рас-
пространения лазерного излучения в атмосфере достигнут благо
даря обширным экспериментальным и теоретическим исследова-
ниям, выполненным в Институте оптики атмосферы СО АН СССР.
Результаты этих исследований изложены в [9—11]. В данной гла-
ве приводятся лишь те общие сведения о распространении лазер-
ного излучения в атмосфере, которые имеют прямое отношение к
проблеме создания и использования лазерных навигационных сис-
тем.
2.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОСЛАБЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Поглощение лазерного излучения атмосферными газами
Энергетическое ослабление электромагнитных волн атмосфе-
рой обусловлено главным образом явлениями его поглощения и
рассеяния молекулами газов и разнообразными аэрозольными
частицами.
Основные определения. Коэффициентом поглощения k(v) для
излучения с частотой v называется коэффициент пропорциональ-
ности в выражении закона поглощения Бугера, который в диффе-
ренциальной форме имеет вид
c//(v)=—K(v)/(v)d/, (2.1)
27
где d/(v) ослабление направленного излучения интенсивности
/, прошедшего слой среды толщиной dl.
В случае однородной срс ы интегральная форма закона Буге
ра имеет вид
Hv) -/o(v)e-K<v" (2.2)
где /о(v) и /(т) - интенсивности излучения до и после прохожде-
ния слоя толщиной I.
Показатель экспоненты (2.2) принято называть оптической
толщей среды t = k(v)/. Величины
T(v)= = „ X(v) Mv)~'(v) = 1 (2 3)
Л>(*) 7 /„(v)
называются спектральным пропусканием и спектральным погло-
щением соответственно. Очевидно, что спектральное пропускание
характеризует долю направленного светового излучения частоты
v, прошедшего через данный слой среды. Аналогично спектральное
noi лощение есть доля излучения частоты v, поглощенного данным
слоем среды. Также очевидно, что 7’(v) = 1— A (v).
Из выражений (2.1) — (2.3) видно, что коэффициент поглоще-
ния к (у) является характеристикой поглощательны ; свойств сре-
ды, н знания его достаточно, чтобы провести количественную оцен-
ку доли поглощенного (пропущенного) данным слоем среды мо-
нохроматического излучения.
Функции пропускания и поглощения характеризуют доли про
шедшего через данный слой среды и поглощенного этим слоем из-
лучения, содержащегося в спектральном интервале Av=v2—\>ь
Таким образом, они являются аналогами спектрального пропус-
кания и спектрального поглощения для нсмопохроматнческого из-
лучения. В соответствии с этим определением можем записать
V, V»
J /O(v)e-K<v>' dv j /0(V)fi_e *(v)/]dv
т = ~г-------------J А № ~ -------------------; (2.4)
j /o(v)rfv j /0(v)dv
В частном случае /0(v)const, ve[vi, v2],
1 Vf i vt
--------- | e-«<')'dv; .4 =-------------- f [1— e-«<v) ‘\dl. (2.5)
V2 “ v’i i V2 ~ V1 v,
Энергетические потери лазерного излучения вследствие поглоще-
ния атмосферными газами могут быть оценены с помощью фор-
мул (2.3) или (2.4) и (2.5) в зависимости от монохроматичности
лазерного излучения и селективности поглощения атмосферных
газов в соответствующем участке спектра.
Формулы (2.3) используются, когда в пределах спектра излу-
чения лазера коэффициенты поглощения можно считать не зави-
сящими от частоты (длины волны), например в районах, свобод-
ных от линий поглощения. В таких случаях говорят о сплошном
ипи континуальном поглощении, обусловленным крыльями линий.
Это наиболее важная для практики ситуация, при которой коэф-
фициенты поглощения принимают наименьшие значения. Такие
участки называют «окнами прозрачности атмосферы».
При совпадении узкой линии лазерного излучения с централь-
ной частью более широкой линии поглощения можно практически
пренебречь зависимостью коэффициента поглощения от частоты
в пределах лазерной линии и, следовательно, использовать фор-
мулы (2.3), описывающие экспоненциальное затухание с расстоя-
нием или поглощающей массой газа, характеризуемой его осаж-
денным слоем.
Во всех случаях, когда нельзя пренебречь зависимостью коэф-
фициента поглощения в пределах спектра излучения лазеров, для
количественной оценки поглощения этого излучения атмосферны-
ми газами необходимо использовать формулы (2.4) для функций
пропускания и поглощения. Теперь затухание излучения с расстоя-
нием или осажденным слоем газа уже не будет описываться экс-
поненциальным законом. Такое положение будет иметь место и в
тех случаях, когда спектр излучения лазера состоит из совокуп-
ности линий, в пределах спектральной ширины каждой из кото-
рых коэффициенты поглощения не изменяются, по имеют разные
значения для разных линий спектра излучения.
При экспериментальном определении поглощенной атмосфер-
ными газами лазерной энергии в случае применимости формул
(2.3) достаточно точного измерения для одного слоя среды, чтобы
решить задачу для любого другого слоя этой же среды. Если фор-
мула (2.3) неприменима, измерения функций пропускания (пог-
лощения) необходимо проводить для широкого интервала значе-
ний осажденного слоя газа, чтобы затем можно было методом ин-
терполяции определить искомые значения для заданного проме-
жуточного слоя.
Наконец, формула (2.5) описывает случай, когда по тем или
иным причинам нужно знать функции пропускания (поглощения)
тон части спектра лазерного источника, в пределах которой /o(v)
= const. Это может встретиться при относительно широких спект-
рах излучения лазеров.
Поглощение отдельной линией. Спектр поглощения атмосфер-
ных газов, как хорошо известно, состоит из определенных сово-
купностей спектральных линий. По этой причине прежде, всего
рассмотрим закономерности поглощения отдельной линией, тем
более что при расмотреппи задачи о поглощении излучений лазе-
ров чаще всего приходится встречаться с ситуацией, когда узкая
лазерная линия излучения находится в районе также достаточно
узкой отдельной линии поглощения.
Для нижних слоев атмосферы контур отдельной линии погло-
щения (2.4) по крайней мере в его центральной части достаточно
хорошо описывается дисперсионной формулой
к (v) = —
(2.6)
29
(v — v0)2 у2
28
где k(v) — коэффициент поглощения для частоты v; S — интен-
сивность линии; vo — ее центр и у — полуширина При этом ин-
тенсивность линии определяется через интеграл S=j K(v)dv, а
о
полуширина есть половина спектрального интервала, заключенно-
го между частотами v2 и vi контура линии, определяемыми из ус-
ловия к (vj = к (v2) = — к (v0).
Интенсивности линий поглощения атмосферных газов изменя-
ются от линии к линии столь значительно, что, если лазерное из-
лучение попадает в центр наиболее сильной линии, оно полностью
поглощается в слое приземной атмосферы толщиной в малые до-
ли миллиметра. Наоборот, если излучение попадает в промежут
ки между слабыми линиями или, как говорят, в микроокпа проз-
рачности атмосферы, то оно может преодолевать расстояние в том
же приземном слое атмосферы в десятки и даже согни километ-
ров. Коэффициенты поглощения в центрах сильных линий и в
наиболее прозрачных микроокпах атмосферы могут различаться в
миллиарды и более раз, а прозрачность атмосферы, как следует
из закона Бугера (2.2), экспоненциально зависит от k(v).
Наглядно представление об окнах прозрачности атмосферы
можно получить из рис. 2.1, на котором приведены две записи
спектра поглощения солнечного излучения с малым спектральным
разрешением. Положение центров основных полос поглощения ат-
мосферных газов указаны на рисунке вертикальными черточками
Каждая из изображенных на рис. 2.1 полос поглощения, как пра
вило, является результатом наложения и перекрывания целой се-
рии различных полос как одного и того же газа, так и разных
газов. Точно так же и в окнах прозрачности существуют целые
совокупности различных слабых полос и периферийные части со-
седних полос. Иллюстрацией сказанному может служить рис. 2.2,
па котором с разрешением 2,3-10 6 мкм записан спектр поглоще-
ния атмосферы в районе излучения лазера на рубине.
К настоящему времени разработаны методы количественного
определения коэффициентов поглощения k(v) как из эксперимен-
тальных исследований, так и из теории практически для любых
участков спектра, в которые попадает излучение тех или иных ла-
Hz0
Рис. 2.1. Спектр поглощения атмосферных газов солнечного излучения
30
0,6933 0,6935 0.6937 0,69390,6961 0,6963 Х.мкм
Рис. 2.2. Спектр поглощения
атмосферы вблизи /.=0,69 мкм
зеров. Таким образом, если спектр
излучения лазера известен с доста-
точной точностью, то поглощение
его излучения атмосферными газа-
ми может быть заранее определено
количественно для любых реаль-
ных условий в атмосфере.
В заключение подчеркнем, что
излучение лазеров, предназначенных
для использования в навигационных
устройствах, вне всякого сомнения,
должно приходиться на участки спе-
ктра, занятые по крайней мере ши-
рокими окнами прозрачности атмо-
сферы, и еще лучше, если оно в пределах этих окон попадает в про-
межутки между слабыми линиями поглощения, или микроокна про-
зрачности атмосферы. При этом длины волн излучения должны
быть стабилизированы с достаточно высокой точностью, в особенно-
сти если оно находится па близком расстоянии от линий поглоще
пин газов. Данное обстоятельство лишний раз говорит о преиму-
ществах газовых лазеров с точки зрения их использования в навига-
ционных системах, поскольку спектр их излучения по самой физи-
ческой природе генерации обладает высокой стабильностью.
Рассеяние лазерного излучения в атмосфере
При распространении лазерного излучения в земной атмосфе-
ре его энергия выводится из направленного потока за счет различ-
ных явлений, при этом основные энергетические потери обусловле-
ны молекулярным и аэрозольным рассеянием. Ввиду пренебрежи-
мой малости здесь не будут рассматриваться другие явления рас-
сеяния, которые могут сопровождать распространение лазерного
излучения в атмосфере
Молекулярное рассеяние. Этот тип рассеяния достаточно хоро-
шо изучен, составлены обширные таблицы коэффициентов рассея-
ния в видимой и инфракрасной областях спектра, обеспечивающие
достаточно точное количественное определение потерь энергии
волн, распространяющихся по любым направлениям в атмосфере.
Теория молекулярного рассеяния света Кабанна Релея дает
следующее выражение для коэффициента рассеяния в газах:
_ 8.Ч--ПЧ6 + 38) 2 7
1 3/V?.4(6 —7 6)
где N — число молекул в единице объема; п — показатель пре-
ломления среды; 6 — фактор деполяризации рассеянного излуче-
ния, по последним измерениям равный 0,035.
1
Расчеты орел для длин волн в интервале 0,2... 20 мкм по фор
муле (2.7) позволяют определять оптические толщи трел молеку
лирного рассеяния для всевозможных геометрических толщ ат-
мосферы. Имея данные о коэффициентах молекулярного рассеяния
и оптических толщах, нетрудно оценить роль молекулярного рас
сеяния в энергетических потерях оптического излучения при рас-
пространении в атмосфере В самом деле, количественной мерой
этих потерь является прозрачность данного слоя атмосферы
7'(Х)рел = е_'1Рел<?’’ . В приземном слое атмосферы трел (А) =оРел (>.)//
где / — толщина слоя.
Если рассматривать вертикальный слои молекулярной атмос-
феры, то в этом случае его оптическая толща будет трел(2.)
СО
— j<7pe.i(X, S)dS. Здесь (Трел (2,, S) — молекулярный коэффициент
о
рассеяния излучения с длиной вотны А, зависящий от координаты
слоя (пли высоты в атмосфере).
В табл. 2.1 приведены результаты соответствующего расчета
энергетических потерь для нескольких длин волн излучения. И
таблицы отчетливо видна сильна зависимость потерь энергии из-
лучения за счет молекулярного рассеяния ог длины волны. Так, з
вертикальном столбе всей толщи атмосферы для длины волны
0,3 мкм эти потерн составляют 70,4%, для длины волны 0 55 мкм
уже только 9,1%, а для лазеров на рубине и стекле с неодимом —
соответственно 3,9 и 0,7%. Аналогичная картина имеет место п в
приземном слое атмосферы.
Аэрозольное рассеяние. Говоря об аэрозольном рассеянии, в
общем случае имеют в виду нс только рассеяние, но и поглощение
энергии волн частицами Поэтому правильнее было бы говорить
об аэрозольном ослаблении, которое обусловлено как рассеянн-
ом, так и поглощением потока излучения частицами аэрозоля.
Из чисто качественного рассмотрения вопроса о полидисперс-
ных коэффициентах аэрозольного рассеяния ясно, что последние
должны зависеть от соответствующих коэффициентов для отдель-
Таблица 21
Л, мкм Потери энергии излучения. %, различных длин воли за счет молекулярного рассся НИЯ
в приземном слое атмосферы иа расстоянии, км в вертикаль- ном столбе всей толщи атмосферы
1 10
0,30 0,55 0 63 0 60 0,80 1,06 13,4 1,1 0,8 0,5 0,3 0,1 76,3 10,9 7,2 4,6 2,5 0,9 70,4 9,1 6,7 3,9 2,1 0,7
32
ных частиц, а также от их объемной концентрации и распределе-
ния по размерам.
Строгое решение задачи о рассеянии света одной сферической
частицей, впервые полученное Лявом (1899 г.) и Ми (1908 г.),
подробно изложено в широко известной монографии К С. Шиф-
рина [12]. Оно представляет собой точное решение уравнений
Максвелла при определенных условиях для составляющих напря-
женностей рассеянного электромагнитного поля Из последних мо-
гут быть получены интенсивность и другие параметры Стокса,
т е. совокупность квадратичных величин, полностью и однозначно
характеризующих рассеянное оптическое поле. Матрицу преобра-
зования для параметров Стокса рассеянного поля принято назы-
вать матрицей рассеяния; она полностью определяется оптически-
ми свойствами частицы и имеет семь независимых компонент, так
как для отдельной частицы между всеми 116 компонентами матри-
цы существует 9 функциональных соотношений [12]. В случае од-
нородной сферической частицы число независимых друг от друга
постоянных сокращается до трех, каждая из которых является
функцией угла рассеяния. Матрица рассеяния в этом случае мо-
жет быть нормирована на величину определяющую суммарный
рассеянный поток. Суммарный поток электромагнитной энергии,
рассеянный частицей во всех направлениях и отнесенный к ин-
тенсивности падающего на нее потока, определяет коэффициент
рассеяния одной частицей. Аналогично определяются коэффициен-
ы поглощения и ослабления одной частицей.
Во многих случаях полезными являются понятия факторов
эффективности ослабления, рассеяния и поглощения, выражаемых
соответственно через коэффициенты ослабления, рассеяния и пог-
лощения формулами типа
о(а, Л)=ла2Л'(р, т). (2.8)
/г
Рис. 2.3 Фактор эффек-
тивности ослабления д. я
водяных сфер с п=1
(видимая область спект-
ра)
Строгие выражения для факторов А(р, tn), Кр(р,т) и /Сп (р.
представляют собой бесконечные ряды и зависят от двух аргумен-
тов, характеризующих относительный размер р и относительный
показатель преломления т частицы; р = 2ла/?к, m — mjmi, где иц и
т2 — комплексные показатели преломления частицы и среды.
Применительно к условиям рассеяния
радиации в атмосфере относительный
комплексный показатель преломления
можно считать равным показатено пре-
ломления частицы, т. е. можно положить
т = щ| = ц—in, где п — обычный показа
тель преломления; п— показатель погло-
щения материала частицы. В ряде асим-
птотических случаев для К, Kv и Ка полу-
чаются выражения в конечном виде.
В связи с большим интересом к дан-
ным о величинах /<, Кр и Кн со стороны
специалистов разных областей выполне-
2—147
но довольно много соответствующих расчетов для различных т и
р. Применительно к частицам атмосферных аэрозолей наиболее
полные данные получены в работах, подробные иллюстрации ре-
зультатов расчетов которых приведены в [11]. Здесь ограничимся
лишь одной из них (рис. 2.3).
Для объемного коэффициента ослабления получается следую-
щее выражение, если при этом нс учитывать взаимное влияние
частиц в актах рассеяния или исходить из предположения о неза-
висимом рассеянии каждой частицей:
а (}.) = Л‘ j о (а, к) f (a) da, (2.9)
о
Где .V — число частиц в единице объема; а (а, ?.) — коэффициент
ослабления излучения с длиной волны /. частицей радиуса а (здесь
и далее рассеивающие частицы полагаются сферическими); f(a) —
функция распределения частиц по размерам, смысл которой опре-
деляется соотношением N'ada=N[ (a)da, где Na — число частиц,
имеющих радиусы a...a + da
Из соотношения (2.9) и равенства о(?_, а)—ар(к, й)+п„(/.. а)
автоматически следует выражение для полидисперсных коэффици-
ентов рассеяния ctP(Z) и поглощения ап(А):
ар (Я) = Л’ J ор (Z, a) f (a) da; сс„ = Л’ J оп (X. a) f (о) da. (2 10)
о о
С помощью коэффициента ослабления можно обычным обра-
зом записать уравнение для изменения интенсивности излучения,
распространяющегося по некоторой трассе:
dl(k) — I (к) а (/.) <М. (2.11)
Интегрирование (2.11) дает известное соотношение для аэро-
зольной составляющей прозрачности атмосферы 7'(7.)=///о, где
/0 — интенсивность излучения в начале трассы:
Т (к) = ехр (— у а (к, /) dl). (2.12)
(Ы
В (2.12) интегрирование проводится по точкам трассы, а а(к, I)
в общем случае меняется по трассе луча. Это изменение связано с
соответствующим изменением спектра размеров и концентрации
частиц
Для однородного слоя аэрозольной атмосферы из (2.12) легко
получить выражение для закона Бугера:
I(k)=I0(k)e-^dl. (2.13)
Для исследования поля рассеянной радиации, в случае пучков
света с определенным состоянием поляризации, наиболее удобным
и информативным является вектор параметрическое описание
Стокса исходного и рассеянного излучений. Параметры Стокса,
обеспечивая информационную полноту описания наблюдаемых ве-
личин, обладают рядом преимуществ по сравнению с иными (ска
34
жем, матричным представлением Джонсона) способами описания
светового потока. Аддитивность параметров Стокса для некоге-
рентных компонент светового потока и их соответствие реально
измеряемым величинам (т. е. применяемым в оптическом диапазо-
не энергетическим, квадратичным по полю приемников [13]) оп-
ределяют их преимущественно для исследования процессов рас-
пространения излучения в рассеивающих средах. Для практичес-
кого применения наиболее широкое применение находят следую-
щие четыре параметра:
Sj = £j £[-|-£2£; ; 53 = £! £* — Е* Ег;
52 = £! £* —£2 £‘2 ; 54= -4 (£, Е2-Е\ Ег). (2.14)
Здесь £i и £2 — амплитуды взаимно ортогональных составляю-
щих напряженностей электромагнитного поля.
Известно, что Si = /; S2 = IP cos 2ф0; S3 = IP sin 2^0; S4 = Iq,
здесь / — полная интенсивность светового пучка; Р — степень
поляризации, q — так называемая степень эллиптичности поля-
ризации и -фо — угол поворота максимальной поляризации отно-
сительно плоскости отсчета. Пучок излучения интенсивностью 1
можно представить как сумму двух некогерентных пучков — пол-
ностью поляризованного интенсивностью Г =г! и полностью депо-
ляризованного пучка интенсивностью I" (1—г)1. Величина г =
]^р24-д2 называется степенью однородности светового пучка
или величиной поляризации [13].
При облучении среды объема dV световым пучком, имеющим
параметр 5°,- и распространяющимся в направлении 10 с угловым
раствором Лоо, компоненты вектор-параметра 5 , рассеянного в
направлении I, связаны с 5; линейным соотношением
d 5; d (1, /„) 5« (|0) d <„0 d V,
RZ I
где R — расстояние до точки наблюдения от рассеивающего объ-
ема; dw — телесный угол, под которым из точки наблюдения ви-
ден элемент объема; — компоненты матрицы четвертого ранга,
характеризующие рассеивающие свойства среды независимо от
состояния поляризации падающего излучения, отнесенные к еди-
нице объема (матрица рассеяния).
Одной из наиболее важных угловых характеристик является
компонента матрицы |Лц(1, 1с), которая называется «коэффициен-
том направленного рассеяния». При облучении среды пеполяри-
зованным излученном рн(1, 1о) полностью описывает угловую
структуру интенсивности рассеянного излучения. Для изотропной
среды ц|( зависит нс от I и 10, а только от угла между /0 и I —
Угла рассеяния <р. В этом случае коэффициент рассеяния
<Ъ.= J Ви (f0
2*
35
и вместо ц,,(ф) можно ввести нормированную компоненту матри-
цы рассеяния
;г.(Ч))=_1_ н.(ф), (2Д5)
где компонента fii (ф) удовлетворяет условию нормировки
(2.16)
4л
и называется индикатрисой рассеяния.
Нередко вместо компоненты Ро(<р) или /о(<р) удобнее рассмат-
ривать приведенную матрицу рассеяния, члены которой задаются
соотношением
АЯ<р)=Ыи- (2.17)
Вид матрицы рассеяния цо(ф) для заданной длины волны сущест-
венно зависит от свойств рассеивающей i реды, т. е. от размеров,
формы, ориентации, а также от оптических свойств частиц в дан-
ной среде. Величина щ-Дф) зависит от концентрации рассеиваю-
щих частиц N, в то время как компоненты ^-,(ф) нормированной
матрицы зависят только от физических свойств рассеивающих час-
тиц и не зависят от их концентрации, что определяет полезность
использования А,-(ф) при анализе и сопоставлении различного ро-
да расчетов и экспериментальных данных. В случае рассеяния из-
лучения частицами аэрозоля все 16 компонент матрицы рассеяния
в общем случае могут быть различными. Симметрии тех или иных
свойств частиц или их пространственного распределения ведут к
сокращению числа независимых компонент и обращению некото-
рых из них в нули. В частности, для сферических отнородных час-
тиц матрицы рассеяния содержат только четыре независимые ком-
поненты. Во многих практических случаях можно пренебречь и
поляризационными эффектами. Тогда для характеристик рассе-
янного поля можно использовать только первую компоненту мат-
рицы рассеяния — индикатрису рассеяния.
Для задач, связанных с распространением излучения в атмос-
фере, необходимо рассматривать не отдельную частицу, а сово-
купность частиц в пределах какого-либо освещенного объема. В
случае совокупности сферических частиц, отличающихся друг от
друга только размерами и имеющих одинаковые оптические пос-
тоянные П}, и , параметры ц<>(ф) заменяются па соответствую-,
щие суммарные величины. Для непрерывного распределения час-
тиц по размерам внутри интервала радиусов а{^а^а2 общее
число частиц в единице объема представчяется в виде
V = f п (a) da, (2.18)
где п(а) — непрерывная и интегрируемая функция, определенная
в этом интервале. Функция п(а) представляет собой счетную кон-
центрацию частиц радиуса а в единице объема при единичном при-
36
ращении радиуса и называется функцией распределения частиц
по размерам. Для подобной полндисиерсной системы частиц ком-
поненты определяются следующим образом:
fAj(<r)=j [.1,7 (<г, а, п, X) п (a) da . (2.19)
Если частицы в рассеивающей среде имеют не только различ-
ный размер, но и различные состав, форму, отличаются распре-
делением ориентаций для частиц разного сорта, задача определе-
ния Ци(ф) решается раздельно внутри каждого класса частиц, а
затем на основе аддитивности параметров Стокса S (в прибли-
жении однократного рассеяния для невзаимодействующих частиц)
проводится суммирование компонент.
С учетом многократного рассеяния и без учета поляризацион
ных эффектов ослабление интенсивности оптического излучения
при распространении его в аэрозольной среде
di (Z, [)=_О(Х)/(Л, |)+ Г и(<р) /(Z, l)dQ, (2.20)
— 4л J
где Q — телесный угол, охватывающий направления падающих
на среду оптических пучков, рассеянное излучение от которых по-
падает в рассматриваемое направление.
Решение уравнения переноса является трудной математичес-
кой задачей, и разработка методов решения составляет спсциаль
ный раздел математической физики. В последние годы достигнут
существенный прогресс в развитии численных методов решения
уравнения переноса, наиболее распространенным из них является
метод Л(онте-Карло [il4, 15]. Тем не менее при решении большого
количества прикладных задач предпочтение при решении урав-
нения переноса отдается приближенным методам [10, 16]
Решение уравнения переноса требует знаний оптических
свойств рассеивающей атмосферы, которые принято задавать со-
вокупностью либо микрофизических параметров аэрозольных об-
разований, либо оптических. Для микрофизических параметров
важными являются сведения о форме, концентрации, распределе-
нии частиц по размерам и комплексный показатель преломления
вещества частиц относительно воздуха. Оптическая модель аэро-
зольной атмосферы считается известной, если установлены связи
между видом матрицы рассеяния и параметрами, характеризую-
щими метеорологическое состояние атмосферы.
Спектральная прозрачность атмосферных аэро ольных образо-
ваний. Приведем кратко количественные данные об энергетичес-
ких потерях лазерного излучения, распространяющегося через наи-
более характерные типы аэрозольных образований (облака, тума-
ны, дымки и осадки) для длин волн излучения наиболее перспек-
тивных для навигации лазеров.
В табл. 2.2 приведены расчетные значения объемных коэффици-
ентов рассеяния ор(Х) водных туманов и облаков [9, 11] частицы
которых подчиняются гамма-распределению, при Sm=200 м. Ко-
37
Таблица 2.2
X, мкм 0,51; 0,56 0.63; 0,71 1,06; 1,15 3,39 10,6
(Л). км-‘ 19,6 19,7 19,9 20,7 19,6
Т а б л и ц а 2.3
X, мкм 0,5 0.56 0,63 0,71 1,06 1,15 3,39 10,6
аР(Л), км-* 0,4 0,46 0,32 0,26 0.18 0,17 0,08 0,01
эффициенты Стр для других значений Sm легко получаются из дан-
ных табл. 2.2 по формуле
Op(0,55)=3,9/Sm. (2.21)
Атмосферная дымка —наиболее частое состояние атмосферы,
которое грубо можно характеризовать метеорологической даль-
ностью видимости S,n^l км [9, 13] В табл. 2.3 приведены значе-
ния объемных коэффициентов рассеяния дымок, полученных рас-
четным путем для Sm= 10 км и распределения частиц но размерам
Юнге.
Ясно, что измеренные в каждом конкретном случае коэффици-
енты оР(Л) для облаков, туманов и дымок будут отличаться от
значений оР(Л), приведенных в табл. 2.2 и 2.3, однако эти отли-
чия не должны быть слишком большими.
Частицы осадков для видимого и инфракрасного диапазонов
могут рассматриваться как большие частицы, для которых пара-
метр 1, К(р т)=2. В этом случае для коэффициента ослаб-
ления получаем
о(А)=Л’ j яа~ К (р. т) f (a) da = 2Q, (2.22)
о
где Q — геометрическое сечение частиц единицы объема, опре-
деляемого выражением Q = \! J л.а2]'(a)da. Следовательно, объем-
о
ные коэффициенты рассеяния имеют нейтральный ход в видимой
и инфракрасной областях спектра и однозначно определяются
геометрическим сечением Q, которое при заданных характеристи-
ках микроструктуры однозначно связано с водностью.
Имеющиеся теоретические расчеты объемных коэффициентов
рассеяния облаков, туманов, дымок и осадков, основанные на от-
носительно простых моделях микроструктуры, нуждаются в экс-
периментальной проверке,' Результаты измерений прозрачности
38
облаков, туманов, дымок и осадков, полученные в различных
климатических районах, изложены в [9, 10, 17—20].
Известны данные А. Арнальфа, 'которые были получены при
измерении прозрачности естественных туманов на трассах 50..
1200 м для 13 фиксированных длин волн в диапазоне 0,35...
... 13 мкм. Эти измерения показали, что ослабление на участке
спектра 0,35 .. 3,7 мкм не зависело от длины волны и составля-
ло в устойчивых туманах 50 250 дБ/км в зависимости от интен-
сивности тумана. С ростом длины волны ослабление уменьшалось
и вблизи 10 км было в 2 . . 2,5 раза меньше, чем в видимой об-
ласти спектра. В i[17] экспериментально исследовалось в естест-
венных туманах отношение коэффициента ослабления при %=
= 10,6 мкм к коэффициенту ослабления при Х=0,63 мкм. Усред-
ненное по всем измерениям это отношение составило 0,38 со
среднеквадратическим отклонением 0,2.
Данные о горизонтальной прозрачности облаков ([18] показы
вают, что коэффициент ослабления в видимом диапазоне для
зимних облаков типов Ci, As и Ас составляет около 80 дБ/км, а
для St, S1 и Си 200 ... 400 дБ/км. Результаты комплексных, опти-
ческих и микрофизических исследований аэрозольного ослабле-
ния в дымке на континентальных трассах приведены в [9, 10, 16,
20, 21 и др.] для диапазона волн 0,37... 12 мкм. В результате об-
работки экспериментального материала выделяются два различ-
ных типа дымки (дымка и дымка туманная), спектральный ход
коэффициента ослабления в которых отличается. В дымке имеет
место монотонный спектральной ход, для туманной дымки ха-
рактерны размытые экстремумы, что свидетельствует о присутст-
вии более крупных частиц.
Результаты измерений коэффициента аэрозольного ослаб-
ления /[20] представлены на рис. 2.4, где сплошные кривые 1 и 2
соединяют отдельные экспериментальные точки, а штриховые
кривые I' и 2' получены в результате расчета по данным микро-
физических измерений сухой фракции аэрозоля. Разрыв кривых
вблизи длины волны 6,3 мкм обусловлен практически полным
поглощением радиации этого спектрального диапазона па иссле-
дованной трассе протяженностью 3,5 км. Рисунок 2.4 хорошо ил-
Рис. 2 4. Спектральный ход
коэффициентов аэрозольного
ослабления:
С 2 — экспериментальные ре
зультаты, полученные по дан
Ным [20], Г, 2’— рассчитанные
ло модели континентальной
дымки
39
Рис. 2.5. Сравнение спектральной структуры
коэффициентов аэрозольного ослабления в кон-
тинентальных дымках, полученных при опти-
ческих измерениях (кривые I—.?) и рассчитан
иых по м икрофизическим данным (кривые
1а—За)
люстрирует согласие оп-
тических и микрофизпче-
ских данных в диапазоне
2...5 мкм, а также нали-
чие максимумов в районе
волн 2,9 и 11 мкм, что
объясняется поглощени-
ем излучения веществом
аэрозольных частиц.
Результаты комплекс-
ных измерений [9] для
морских трасс н их сопо-
ставление с данными ра-
счетов для различных мо-
делей атмосферных ды-
мок приведены на рис. 2.5
Данные получены на трас-
се длиной 7,6 км на сред-
ней высоте 20 м над залп
вом (восточное побе-
режье Крыма). Из ри-
сунка видно, что спек-
тральная зависимость ко
эффициепта аэрозольного ослабления для морской трассы менее
селективна по сравнению с континентальной.
В последнее время появилось несколько однопараметрпчески.х
моделей атмосферной дымки для континентальных и морских
районов [19—22], полученных в результате обработки значитель-
ного массива экспериментальных данных на основе регрессионно-
го анализа. Входным параметром в модель является метеороло-
гическая дальность видимости Sm. Так, модель континентальной
дымки, предложенная В. Л. Филипповым '[21], получена на ос
нове многолетних измерений ’ прозрачности атмосферы. Она по-
зволяет по известному значению Sm рассчитать объемный коэф-
фициент аэрозольного ослабления а (А) в диапазоне длин волн
Л=0,59... 10 мкм. Модель, предложенная в '[19], позволяет рас-
считать а(7.) по известной в диапазоне длин волн л= 0,37..
..13 5 мкм. Модель морской дымки, разработанная в ИОА СО
АН СССР ![22], .позволяет по известному значению Sin в прсде
лах 7 ... 30 км рассчитать а(Х) при Х=0 48.. 11,6 мкм.
Сопоставление рассмотренных моделей атмосферной дымки
для двух значений Sm= 10 и 25 км проведено Ю. А. Пхалаговым
[20] и представлено в табл. 2 4.
Результаты сравнения показывают:
1. При S,„=10 км значения а (А) для всех моделей одинаковы
до Х = 2,2 мкм. В диапазоне волн 8... 12 мкм для расчетов а(к) в
континентальных дымках могут быть использованы модели [19,
21]. Модель '[22] в этом же диапазоне дает существенно боль-
шие значения а(?,), что, вероятно, и отражает характерное отли
40
Таблица 2.4
— Л. мкм Значение a(?J, км-1, для модели
В. Л Филиппова Л. С. Макарова ИФА ' ИОЛ
0,48 0,47(0,19) — 0,5(0,16)
0,63 0,34(0,13) — 0,3(0,15) 0,3(0,12)
1,06 0,21(0,08) 0,21(0,05) 0,2(0,11) 0,23(0,1)
2,2 0,11 (0,04) 0,14(0,01) 0,12(0,08) 0,16(0,07)
3,9 0,06(0,02) 0,12(0,01) 0,11 (0,08) 0,12(0,03)
8,6 0,036(0,015) — 0,22(0,13) 0,17(0,03)
10,2 0,033(0,013) 0,1 (0,01) 0,14(0,03) 0,19(0,02)
12,01 0,03(0,012) 0,12(0,012) 0,2(0,02) 0,32(0,02)
чие морских и континентальных дымок, заключающееся в повы-
шенном содержании частиц грубодисперспой фракции.
2. При сравнительно высокой прозрачности атмосферы при-
менение моделей, рассмотренных в [21] нежелательно. В этом
случае целесообразнее пользоваться моделями, описанными в
[19, 22], однако использование их в других географических рай-
онах требует дополнительного обоснования.
Результаты измерений микрофизических характеристик осад-
ков [10] показывают, что размеры частиц осадков составляют
более 100 мкм, следовательно, в области 0,4... 15 мкм параметры
Ми о^>1. В этом случае коэффициент рассеяния не зависит от
длины волны и равен вум геометрическим сечениям частиц в
единице объема, поэтому ослабление видимого и инфракрасного
излучении имеет нейтральный спектральный ход. Однако при кон-
кретных измерениях необходимо вносить поправки, учитывающие
вклад рассеянного вперед излучения в измеренную интенсивность.
Особенно это необходимо при использовании приемников с боль-
шим углом зрения [23].
Экспериментальных данных о распространении лазерного из-
лучения в снегопадах пока недостаточно для выяснения влияния
особенностей микроструктуры снега на величину ослабления Де-
тальное изучение этого вопроса связано со многими трудностями,
например разработкой аппаратуры для измерения характеристик
снегопадов, включая их микроструктуру. Имеющиеся в литерату-
ре сведения >[17 и др.] указывают на сильное ослабление лазер-
ного сигнала в снегопаде. 'Максимальные значения объемных ко-
эффициентов ослабления в диапазоне 0,63... 10,6 мкм в снегопа-
де составляют около 30 дБ/км, т. е. гораздо меньше, чем в обла-
ках и туманах. Авторы [17] исследовали зависимость объемных
коэффициентов ослабления при л 0,63 и 10,6 мкм от интенсивно-
сти снегопада и получили следующие эмпирические зависимости
Для коэффициентов ослабления- а (0,63) = 10,8 /Оэ3, а(10,6) —
= 15,1 /°-71, где а (0,63) и а (10,6) выражены в Дб/км, а 1 в
мм/ч. Анализ приведенных зависимостей позвочяет сделать вы-
под, что в снегопаде с ростом длины волны ослабление увеличива-
ется.
41
Несмотря на значительное количество экспериментальных
данных по ослаблению видимых и инфракрасных сигналов в
осадках, ряд вопросов остается малоизученным, например отсут-
ствует однозначное объяснение причины расхождения расчета и
эксперимента для ИК-диапазона в дождях, более высокое зна-
чение коэффициента ослабления на 7,= 10,6 мкм в снегопаде по
сравнению с Х,=0,63 мкм и т. д.
Границы применимости закона Бугера
При исследовании переноса высоконаправленного лазерного
излучения в рассеивающих средах важным вопросом является
определение границ применимости закона Бугера, т. е. тех опти
чеоких толщ рассеивающей среды, при которых нарушается экс
поиеициальпый закон затухания. Причина отклонения от закона
Бугера состоит в том, что приемная система наряду с прямыми,
ослабленными по экспоненциальному закону излучениями регист-
рирует излучение, рассеянное со стороны в направлении распро
странения лазерного луча. С увеличением оптической толщи рас-
сеивающей среды интенсивность рассеянного излучения может
стать сравнимой с интенсивностью прямого ослабленного излуче-
ния. Это приводит к нарушению закона Бугера. Таким образом,
исследование границ применимости закона Бугера к описанию
измеряемого ослабления в среде позволяет качественно оценить
дальнодействие лазерных навигационных систем в различных
рассеивающих средах
Свойства многократно рассеянного поля определяют те уело
вня, от которых зависят границы применимости закона Бугера
для узких пучков: оптические характеристики рассеивающей сре-
ды, диаметр и угловая расходимость оптического пучка, дпаметр и
угол зрения приемной системы. Качественный теоретический ана-
лиз влияния рассеянного излучения любой кратности на границе
применимости закона Бугера на основании уравнения переноса
проведен Г В. Розенбергом. Соответствующий теоретический ана-
лиз в случае регистрации узкого светового пучка приемником с
большим углом зрения (около 2.п) выполнен Л. С. Долиным
Трудности количественных теоретических оценок границ приме-
нимости закона Бугера для ограниченных оптических пучков
обусловили необходимость проведения целой серии эксперимен-
тальных исследований для различных рассеивающих сред. Об
ширине исследования в молочной среде, имитирующей оптиче-
ские свойства водных бассейнов, выполнены А. П. Ивановым с
сотрудниками [16]. Серия экспериментальных исследований для
широкого круга рассеивающих сред и условий эксперимента про-
ведена в ИОА СО АН СССР с участием авторов. Результаты
этих исследований обобщены в монографии [10].
Влияние геометрических параметров источника и приемника.
Зависимость границ применимости закона Бугера для узких опти
ческих пучков от диаметра приемной системы непосредственно
42
следует из зависимости регистрируемого потока рассеянного из-
лучения Ф$ от этого диаметра. При равномерном прастранствеи-
Ном распределении яркости рассеянного излучения Bs в плоско-
сти приемного объектива Qs—QBs, где Q — площадь приемного
объектива. В общем случае неравномерного .распределения зави-
симость от Q будет нелинейной.
Результаты исследований границ применимости закона Бугера
от диаметра приемной апертуры приведены на рис 2.6. По оси
ординат отложены значения прозрачности 7'=Ф/Ф0 в логарифми-
ческом масштабе (Фо и Ф — световые потоки, падающий и про
шедший через рассеивающую молочную среду соответственно).
Измерения выполнены с угловым расхождением пучка 40' и уг-
лом поля зрения приемника при постоянном диаметре оптическо-
го пучка Л = аг = 0,13, где г—геометрический радиус пучка.
Результаты исследований применимости закона Бутера в за-
висимости от диаметра оптического пучка для молочной среды,
выполненных для He-Ne-лазера (Л=0,63 мкм) с расходимостью
Г/ и углом поля зрения приемника также 6', представлены па
рис. 2 7. Диаметр приемной системы в процессе измерений был
равным диаметру оптического пучка, измерения проводились при
различных объемных коэффициентах рассеяния ор.
На основании приведенных выше экспериментальных данных
можно записать следующую эмпирическую формулу для тп> в
рассеивающей среде:
tiP=—5 Igfcjp-J) +b, (2 23)
где эмпирический параметр b зависит от оптических свойств рас-
сеивающей среды (индикатрисы рассеяния), угла поля зрения
приемника и расходимости пучка. Для условии рис 2.7 имеем
2>~18
Рис. 2 6. Зависимость границ
применимости закона Бугера
от диаметра приемной аппара-
туры:
I — 0,04 . 2 — 0.06 ; 3 0.12; 4 1,78;
5 —2.41; 6 — 3.56: 7 ->со
Рис. 2 7. Зависимость ipainm
применимости закона Бугера
от диаметра оптического пучка
I 0 03. 2 0.34. 3- 6.74: 4 1.II
5—I 18, 6 — 2.22; 7 — 2.96; 8 ЗЛ,
9 — 7,12; 10 9.0; Н — 12,0
43
Приведенные выше результаты измерений и эмпирическая
формула (2.23) хотя и получены для молочной среды, тем не ме
нее могут быть использованы для грубых оценок границ примени-
мости закона Бугера в атмосферном аэрозоле. Из таких оценок
в частности, следует, что для наиболее плотных облаков и тума
нов (с метеорологической дальностью видимости Sm=50 м) при
геометрических диаметрах пучка и приемной системы в 1 м (оп-
тические диаметры - 0,07) и апертурных углов приемника и ис-
точника 6 угл. мни величина Тгр=£2... 25. Непосредственные из-
мерения, выполненные для искусственных водных туманов и дре-
весных дымов, не противоречат этим оценкам [10]: при оптиче-
ских диаметрах приемной системы и пучка менее 0,4 и 0,03 соот
встствепно в области т^22 отклонения от закона Бугера для за-
тухания прямого излучения не были обнаружены. Измерения, вы
полненные в аэрозольной камере, показали, что для туманов при
близких к указанным условиям эксперимента Тгр~23.
Влияние оптических свойств среды. Влияние коэффициент,
рассеяния среды фактически рассмотрено нами выше; оно ска-
зывается через диаметры оптического пучка и приемной системы
Для количественного описания поглощения среды удобно исполь-
зовать вероятность выживания кванта А — а/а. Экспери.менталь
ные исследования [10] показывают, что в поглощающей и рассс
ивающей средах имеет место инвариантность геометрических диа-
метров и общего коэффициента ослабления а. Согласно уравне
нию переноса ослабление прямого излучения пропорционально
коэффициенту ослабления, а изменение интенсивности многократ-
но рассеянного излучения — коэффициенту рассеяния. Следова
тельно, при наличии поглощения в рассеивающей среде границы
применимости закона Бугера по обшей оптической толще т бу
дут увеличиваться. Другой важной оптической характеристикой
рассеивающей среды, влияющей на яркость рассеянного излуче
ния и, следовательно, па границы применимости закона Бугера
является индикатриса рассеяния. Уже первые эксперименты с
одинаковыми геометрическими параметрами, но разными оптнче
скими свойствами среды показали существенную разницу в т1р Эли
расхождения в результатах эксперимента объясняются различными
оптическими свойствами среды.
Результаты исследования зависимости границ применимости
закона Бугера от формы индикатрисы рассеяния для условий мо
дельного эксперимента представлены на рис. 2.8. Для характе
ристики формы индикатрисы использовался параметр, численно
равный доле рассеянной в направлении пучка радиации. На ос-
новании полученных результатов была составлена сводная таб
лица зависимости Тгр от оптических свойств среды (табл. 2.5).
Наряду с диаметром рассеивателей и параметром р в таблице
указаны значения относительного показателя преломления частиц
т. Все значения Тгр приведены для одинакового диаметра опти
ческого пучка, равного 0,4 см, и для равных углов расхождения
пучка и угла зрения приемной системы — 6 угл. мин. Из табли-
44
Древесный
дым \.
Монодис-
персные по
листироль-
ные латек-
сы в воде
Разбавлен-
ное молоко
Водный ту-
ман
Взвесь ли-
коподия в
воде со
спиртом
Полисти
рольные ла-
тексы в воде
Таблица 2.5
Параметры рассеивателей
а, мкм! Q. g Л н
0,4 2 1,33 23 1,4- 10s
1,04 6,9 1,2 21 2-Ю4
3,5 23 — 18 2-Ю3
12 60 1,33 23 2 !02
30 200 — 13 20
540 3790 1,2 (•) 0,3
Рис. 2 8. Влияние формы индикатрисы
рассеяния различных гидрозольных
сред на границы применимости зако-
на Бугера:
/ — полпстиродьный латекс с а=0,52 мкм;
2 — раствор молока с а—1,75 мкм; 3 — ча-
стицы ликоподия с а— Г7_мкм; '1 — частицы
полистирола с 6—285 мкм
цы видно, что для крупных латексов экспериментальные значе-
ния Тгр оказались близкими к расчетным по формулам, учитыва-
ющим однократное рассеяние. Таким образом, для атмосферы в
видимом и инфракрасном диапазонах длин волн влияние одно-
кратно рассеянного излучения может привести к нарушению за-
кона Бугера только при осадках.
2.2. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА СТРУКТУРУ И
ТРАЕКТОРИЮ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
Общие сведения
Если энергетическое ослабление лазерного излучения атмосфе-
рой приводит к ограничению дальности действия лазерных навига-
ционных устройств, то ее влияние на структуру пучка и траекторию
его распространения определяет в определенной степени точностные
параметры ЛИУ. С учетом этого обстоятельства рассмотрим такие
Атмосферные явления, как рефракция и взаимодействие лазерного
излучения с турбулентной атмосферой.
Рефракция световых лучей в атмосфере
Физической причиной искривления светового луча при распро-
странении его в атмосфере является неоднородность показателя
преломления, что, в свою очередь, обусловливается градиентом
температуры воздуха.
45
В зависимости от положения объектов, при наблюдении ко-
торых необходимо учитывать поправки на рефракцию, выделяют
следующие основные случаи: астрономическую рефракцию (объ
ект находится далеко за пределами атмосферы); земную рефрак-
цию (объект находится вблизи или в самой атмосфере); геодези-
ческую рефракцию (наблюдаемый объект находится вблизи или
на самой поверхности Земли).
В зависимости от временной изменчивости рефракцию подраз-
деляют на регулярную и случайную. Под регулярной рефракци-
ей понимают среднее значение угла рефракции, зависящее от
метеоусловий. Случайной рефракцией называют как низкочастот-
ные (0,01 Гц и ниже), так и более быстрые ее изменения (0,1 ...
100 Гц), которые вызывают дрожание оптического пучка и опи-
сываются теорией распространения оптических волн в турбулент-
ной атмосфере. Необходимо далее назвать явление боковой реф-
ракции, вызываемое неоднородностью показателя преломления
воздуха в горизонтальной плоскости.
При оценке эффективности работы лазерных навигационных
устройств необходимо учитывать лишь случай земной рефракции.
Земная рефракция и коэффициент земной рефракции (КЗР)
Для полного угла земной рефракции г по наклонной трассе тео-
рия дает следующее выражение [10]:
r = fZ -(-Z) dn (Z), (2.24)
,1 MZ)
где n0 и ri7_ — показатели преломления у поверхности земли и на
высоте Z соответственно; g(Z)—зенитное расстояние. Таким об-
разом, полный угол земной рефракции однозначно определяется
профилем коэффициента преломления в атмосфере, который, г>
свою очередь, зависит от метеорологических параметров атмо-
сферы — давления Р и температуры воздуха Т. Зависимость п от
параметров атмосферы в видимом и инфракрасном диапазонах
длин волн имеет вид
п = 1 + С\ у- (1 — 0,132 , (2.25)
где С\ — коэффициент, зависящий от длины волны. Проведен-
ные по формуле (2.25) оценки показывают, что максимальные ва-
риации влажности в атмосфере могут изменить коэффициент пре-
ломления лишь на 0,5%. Таким образом, влиянием влажности на
коэффициент преломления можно пренебречь.
Для вычисления интеграла (2.24) чаше всего прибегают к ис-
пользованию отдельных моделей атмосферы. В литературе опу-
бликовано достаточно много работ по вычислению г, достаточно
полная библиография которых приведена в [24].
Для горизонтальных трасс рефракцию принято характеризо
вать коэффициентом земной рефракции, который определяется
как отношение земного радиуса к радиусу кривизны луча, пре-
46
I
крмленного атмосферой. Отсюда следует очевидная связь угла
темной рефракции с КЗР:
I \ /С = 2Т’ (2-26)
где L -А расстояние между источником и приемником, выражен-
ное в угловой мере (Г=1852 м).
Связь\КЗР с метеопараметрами можно получить из (2.25):
\ К-504 -L. (0,042—т) + Яи/ , (2.27)
где Р — давление, мб; Т — температура воздуха, К; y^dTjdZ —
градиент температуры, град/м; Kw — поправочный коэффициент,
учитывающий «влажность (как отмечалось, им можно пренебречь).
Из (2.27) видно, что если известны метеопараметры, то можно
оценить КЗР, однако, как показывают исследования, эта оцен-
ка будет довольно грубой. Аналогичные оценки можно провести
cj использованием таблиц рефракции, составленных на основе
статистических или теоретических моделей атмосферы. Примером
таких таблиц могут служить таблицы Пулковской обсерватории.
Для реальных конкретных условий такая оценка может быть
уточнена на основании предварительных статистических данных о
пространственных и временных вариациях физических парамет-
ров атмосферы на исследуемой трассе или оперативной информа-
ции о профилях соответствующих метеопараметров [24]
Для практического учета земной рефракции в мореходной аст-
рономии и навигации КЗР принят равным К=0,16, хотя факти-
чески пределы изменения его значительно шире. Эти пределы
обусловлены суточным и сезонным ходами метеорологических ве-
личин, от которых зависит К,ЗР, а также географическими усло-
виями, наличием облачности [24] и т. п.
, Пределы изменения КЗР над сушей 0,007... 0,595 [42]. Над
морем КЗР колеблется в гораздо более широких пределах, до-
стигая наибольших значений в прибрежных арктических райо-
нах в те сезоны года, когда движение воздушных масс с суши
на море обусловливает возникновение больших, а иногда и ано-
мальных температурных градиентов. Измерения К В. Казанского
Дали пределы изменения КЗР 0,75. 0,5. Значения 1,54 и 1,74
считаются предельными из всех полученных до настоящего вре-
мени над поверхностью моря, однако вероятность появления пре-
Дельных значений КЗР и близких к ним величин мала. Наиболее
вероятные значения КЗР лежат вблизи К—0,16
Боковая рефракция появляется тогда, когда слои воздуха име-
ют наклон, который возникает в основном при изменении темпе-
ратуры воздуха в горизонтальной плоскости, например при про-
хождении луча света вблизи границы водных пространств и бе-
рега, степи и леса, вершин гор и ущелий и т. п. При этом верти-
кальная рефракция изменяется так, что ее можно получить по
обычным формулам, не учитывающим наклон, но зенитное рас-
47
стояние в этом случае следует отсчитывать не от отвесной л/шии,
а от перпендикуляра к поверхности, являющейся границей воз-
душных слоев с одинаковой плотностью. С поднятием над под-
стилающей поверхностью изменение температуры в горизонталь-
ных направлениях становится меньше, боковая рефракция и из-
менение вертикальной рефракции уменьшаются и постепенно ис-
чезают. Исследования И. Ф. Куштина [25] показывают,/что пол-
ная боковая рефракция не превышает 3 ... 5 угл с. /
Наряду с регулярной рефракцией необходим также/учет слу-
чайной рефракции, проявляющейся в быстрых во времени откло-
нениях оптического луча, который может уменьшить точность оп-
ределения координат движущегося объекта. Амплитуда этих от-
клонений может достигать 15 угл. с.
Исследования показывают, что зависимость угла рефракции
от длины волны для горизонтальных трасс незначительна. В ди-
апазоне длин волн 0,4... 13 мкм угол рефракции изменяется в
пределах 6% и уменьшается при увеличении длины волны. В пре-
дельном случае больших длин волн оптическая рефракция совпа-
дает с радиорефракцией. Для последней характерны отсутствие
зависимости от длины волны и сильная зависимость от влажности
воздуха. При наблюдении па горизонтальной трассе [26] поправ
ка к углу рефракции за счет влажности может достигать 5 угл.
мин. В работе отмечается, что углы радиорефракции для одина-
ковых наиболее типичных атмосферных условий значительно
больше углов оптической рефракции.
Распространение лазерного излучения в турбулентной атмосфере
Световая волна, распространяющаяся в атмосфере, кроме
энергетических потерь испытывает флуктуации амплитуды и фа-
зы. Эти флуктуации обязаны своим происхождением случайному
пространственно-временному распределению показателя прелом-
ления воздуха, которое, в свою очередь, обусловлено турбулент-
ными движениями в атмосфере, влекущими за собой случайное
изменение температуры.
Турбулентность атмосферы вызывает искажение волнового
фронта волны, которое приводит к уширению лазерного пучка,
перераспределению энергии внутри пучка и изменению его «цент-
ра тяжести», а также к связанным с этими явлениями флуктуа-
циям общей интенсивности [9, 27].
Задача об определении влияния турбулентности атмосферы на
оптическую волну сводится в общем виде к решению стохастиче-
ского волнового уравнения, которое для монохроматического ис-
точника излучения записывается в виде
\U—k4(r, t)U=Q, (2 28)
где диэлектрическая проницаемость е является случайной вели-
чиной
48
> Из-за математических трудностей точного решения уравнения
(2.28) Упанти не удается. В связи с этим основные теоретические
результаты получены с помощью различных приближенных ме-
тодов, подробно описанных в [27, 28].
Принципиальный физический результат теории распростране-
ния волн в турбулентной атмосфере состоит в том, что энергети-
ческие потери проходящего излучения оказываются незначитель-
ными дажр по сравнению с потерями из-за молекулярного рассея-
ния, в то время как параметры волны испытывают существенные
.луктуацпи. Флуктуации амплитуды и фазы волны приводят к
таким изменениям пучка, которые необходимо учитывать во мно
гих практических случаях, в том числе н в лазерной навигации.
К числу таких изменений относятся расширение оптического пуч-
ка, флуктуации направления оптического пучка, расщепление оп-
тического пучка.
Расширение оптического пучка груболизованноп атмосфере
впервые теоретически рассмотрено в работах А. И. Копа и
В. И. Татарского, экспериментальные данные приведены в целом
ряде работ (см., например, '[29]). На основе результатов пзме
рения при расстояниях до 145 км получена эмпирическая форму-
ла для значения диаметра пучка в зависимости от расстояния
d=4,5-10~6 /.|/2. Расчет полного расширения пучка с учетом его
дифракционного расхождения, выполненный в [28], привел к
следующей формуле для среднеквадратического диаметра пучка:
d*=16d2- — +8,76C2/-l/3 L3, (2 29)
ж. и
& kd0
где с!» — начальный диаметр пучка; / — наименьший масштаб
турбулентности.
Полученные в ИОА СО АН СССР экспериментальные данные
на трассах 15 и 145 км позволяют сделать оценки влияния ат-
мосферы на увеличение расходимости пучка, при этом расходи-
мость пучка не превышала 8 и 13 угл. с соответственно. Теоре
тические расчеты, проведенные В. Л. Мироновым [28], удовлет-
ворительно согласуются с этими экспериментальными данными.
Флуктуации направления лазерного пучка проявляются в сме-
щении «центра тяжести» п\чка относительно точки наблюдения.
Расчет в приближении метода плавного возмущения (МПВ) для
Дисперсии смещения «центра тяжести» пучка дает [28]
о2с = 0,12 гнС2п/?(2й0)-1/3, (2.30)
где т = 2 при g=2L[k'd<^l и т=\ при £>1.
Измерения показывают, что формула (2 30) справедлива в
области небольших о2 с [30]. С увеличением расстояния (или
п2с) наблюдается насыщение дисперсии. Обработка частотных
спектров больших рядов наблюдений флуктуаций направления
пучка показывает, что максимум спектра лежит в области 1
2 Гц. Различий в горизонтальной и вертикальной плоскостях
49
нс обнаружено. Полученные в [30] экспериментальные результа-
ты близки к теоретическим расчетам В. Л. Миронова [28J. Это
позволяет утверждать, что в реальной атмосфере, как правило,
блуждание оси пучка за счет турбулентности не превышает 8
...10 угл. с.
Расщепление оптического пучка на небольших расстояниях
проявляется в виде сложной структуры наблюдаемого на экране
пятна. С увеличением расстояния при наличии сильных флуктуа-
ций оптический пучок оказывается расщепленным па тонкие нити,
имеющие в сечении вид круглых или серповидных пятен [28].
Таким образом, при изложении материала гл. 2 показана не
сомиеипая перспективность применения лазеров в системах ближ-
ней навигации. Из сказанного ясно, что величина совокупного
влияния рассмотренных явлений взаимодействия лазерного излу
чения с атмосферой, одновременно поглощающей, рассеивающей
и случайно неоднородной средой, вообще говоря, может меняться
в чрезвычайно широком диапазоне значений. При практическом
использовании лазеров в системах навигации необходим учет это-
го влияния. При этом особое внимание следует уделять явлению
рассеяния, так как именно оно в конечном итоге определяет сте
пень влияния атмосферного канала на основные параметры ПНУ
Глава 3.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЕИВАЮЩИХ И
МИКРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНЫХ
АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость решения уравнения переноса лазерного излу-
чения в реальной атмосфере для оценки эффективности работы
лазерных устройств стимулирует развитие экспериментальных и
теоретических методов исследования параметров рассеивающих
свойств атмосферы. Отсутствие падежных знаний о микрофизиче
скнх параметрах аэрозоля в атмосфере, которые сильно изменя-
ются во времени и пространстве и, кроме того, находятся в слож-
ной зависимости от метеорологических, синоптических и геогра-
фических факторов, выдвигает па первый план задачу определе
ния основных оптических характеристик экспериментальным
путем.
В данной главе приведены результаты многолетних комплекс-
ных исследований характеристик рассеянного излучения и мик
рофнзичеокпх параметров основных атмосферных аэрозольных
образований, характерных для районов применения лазерных уст-
ройств, предлагаемых в данной монографии для целей ориенти
ровапия самолетов и судов.
50
з 1. СВОЙСТВА АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ ПО ДАННЫМ
ОПТЦЧЕСКИХ И МИКРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Большое разнообразие оптических свойств атмосферы, обус-
ловленное метеорологическими и синоптическими условиями, оп-
ределило целесообразность введения термина «оптическая пого-
да», классификация которой предложена Г. В. Розенбергом. Крат-
ко охарактеризуем основные типы оптической погоды, исключив из
рассмотрения различного рода осадки: дымку, туманную дымку,
дымку с моросью, туман или облака, мглу.
Мгла в атмосфере обусловлена сильными пылевыми бурями —
явлениями, крайне редко реализующимися, или внедрением в ат-
мосферу дыма леспых пожаров. В атмосфере больших индустри-
альных городов, крупных аэро- и морских портов все большую
роль в образовании этого типа оптической погоды играют про-
дукты сгорания различных веществ. Роль дымового аэрозоля су-
щественно повышается в районах военных действий, которые со-
провождаются, как правило, интенсивными пожарами.
Результаты исследования мглы в реальной атмосфере практи-
чески отсутствуют. В свою очередь, весьма немногочисленны ис-
следования оптических свойств дымовых аэрозолей [31] Резуль-
таты проведенных исследований в ПОД СО АН СССР под ру-
ководством авторов оптических и микрофизических свойств дымо-
вых аэрозолей призваны в определенной степени восполнить не-
достаток сведений об этом типе оптической погоды.
Е Следующий класс типов оптической погоды объединен назва-
нием «дымки». Дымка существует при доконденсациониом , со-
стоянии воздуха и является результатом разрастания мелкодис-
персных частиц, обусловленного процессами коагуляции и взаи-
модействия с атмосферной влагой [32]. Туманная дымка образу-
ется в результате взаимодействия паров воды с частицами раст-
воримых солей в условиях повышенной относительной влажно-
сти воздуха. Что касается дымки с моросью, то это гетерогенное
образование и его оптические характеристики могут быть получе-
ны аддитивным дополнением оптических характеристик дымки и
крупных водяных капель.
Атмосфера находится в состоянии дымки примерно в 90%
случаев [9, 13], а диапазон изменения оптических параметров
весьма значителен Например, коэффициент ослабления в види-
мой области спектра изменяется 1,5 ...2 раза Сложность опреде-
ления оптических н микрофизических параметров атмосферного
аэрозоля в дымках состоит в том, что аэрозоль характеризуется
чрезвычайным разнообразием размеров, химического состава, а
также подвержен значительной изменчивости во времени и в
пространстве. Данные, полученные в последние годы, позволили
определить диапазон изменения микроструктурных параметров
дымки и описать основные черты ее формирования и трансфор
мании. Здесь следует отметить работы И. Блиффорда, сотрудни-
ков ЛГУ по исследованию химического состава и распределения
51
аэрозоля в различных районах, результаты по исследованию ме
ханизмов образования лос-анджелесского смога, данные Уента п<
изучению органических материалов в природном воздухе, много
летние комплексные исследования ИФА АН СССР и ряд других
исследований. Наиболее полную библиографию указанных рабо
можно найти в [33].
Выяснилось, что глобальную структуру континентального ат
мосферного аэрозоля можно представить в виде двух фракций
примерно одинаковых по объему: грубодисперсной, которая обра
зуется диспергированием, дроблением твердого вещества, раз-
брызгиванием жидкого и т. д., и фракции субмикронных частиц,
значительная часть которых образуется в результате внутриат
мосферного синтеза частиц из газовой фазы под воздействием
фотохимических и каталитически?: реакций, при участии органи
ческих паров природного и антропогенного происхождения, озо
на, окислов азота и целого ряда других газов. Типичные функции
распределения в среднем могут быть охарактеризованы как ком-
позиции перекрывающихся, сравнительно широких логнормаль
пых распределений субмнкрончой и грубодисперсных фракций
Результаты, полученные в последние годы по микрофизическим
и оптическим свойствам морских и прибрежных дымок, позволя
ют считать, что функция распределения частиц по размерам су
щественно отличается от имеющихся аппроксимационных распре
делении типа дымки М по Депрменджапу [34]. Оказалось, что
помимо хорошо установленного механизма генерации частиц мор
скоп поверхностью, который образует частицы двух различных
диапазонов дисперсности за счет лопания пузырьков воздуха, в
формировании оптических и микрофизических характеристик
дымки над морем участвуют и другие частицы, имеющие, вероят-
но, континентальное и фотохимическое происхождение [34].
К настоящему времени опубликовано значительное число ра
бот, посвященных выяснению различных свойств рассеянного из-
лучения в приземном слое атмосферы (см., например, [9, II,
31]). Не претендуя на полноту описания, в данном разделе кратко
рассмотрим основные результаты работ по изучению угловых ха-
рактеристик и на примере конкретных данных проиллюстрируем
характерные черты оптических свойств приземного слоя атмо-
сферы.
Качественно новый этап развития исследования оптических
свойств рассеивающих частиц определен широким применением
вычислительной техники, которая позволила па основе теории Ми
исследовать практически все оптические характеристики в значи
тельном диапазоне изменения размеров сферических частиц и
широком спектральном интервале для различных функций рас-
пределения. Из зарубежных исследований следует отметить ра-
боты Р Пендорфа, Р. Гизе и др., подробная библиография ко-
торых приведена в '[11], а также более поздние широко извест-
ные расчеты К. Бульриха, М. Маккормика, Г. Плаеса, Г. Катта-
вара и Д. Дейрменджана.
52
’ В отечественной литературе наиболее подробные таблицы ос-
новных оптических характеристик для отдельных сферических
частиц и полидисперсных сред были опубликованы в [35—38] В
настоящее время исследователи располагают значительным объ-
емом расчетного материала, который позволяет оценить влияние
основных параметров рассеивающих частиц и функции распреде-
ления частиц по размерам на угловые характеристики рассеянно-
го излучения. На основе применения теории Ми начаты работы
по численному моделированию влияния метеорологических па-
раметров на оптические характеристики (см., например, [39]),
однако ограничения на применимость модельных представлений
для описания конкретных оптических реализаций, которые обус-
ловлены многофакторностью процессов образования и трансфор-
мации аэрозоля и сильной пространственно-временной изменчи-
востью его характеристик по-прежнему выдвигают на первый
план задачу экспериментального изучения оптических парамет-
ров аэрозольной атмосферы.
I Экспериментальные исследования различных оптических пара-
Гмстров, и в частности угловых характеристик рассеянного излу-
чения, имеют сравнительно длительную историю. Результаты мно-
гих экспериментов обсуждаются в ряде вышедших монографий и
обзоров [9, 11, 15, 33, 40, 41 и др.]. Отметим, что значительная
часть работ посвящена изучению только отдельных оптических
характеристик, которое проводилось без должного сопровожде-
ния эксперимента микрофизическими, а зачастую и метеорологн-
ческими измерениями (см. анализ, проведенный в обзоре [41]).
Многие исследователи ограничились приведением результатов от-
дельных реализаций, полученных в течение нескольких дней, и
порой данные приведены лишь в относительных единицах, что
существенно затрудняет количественные сравнения эксперимен-
тальных данных между собой и соответствующими расчетами. В
то же время работы подобного типа сыграли положительную
.роль в отработке аппаратурно-методических вопросов и позволп-
' ли оценить диапазон изменчивости реализующихся в атмосфере
оптических параметров
Подробное экспериментальное исследование индикатрис рас-
сеяния видимого излучения в приземном слое атмосферы в раз-
личных географических районах позволило О. Д. Бартеневой осу-
ществить классификацию индикатрис рассеяния с использовани-
ем коэффициента асимметрии рассеяния и оценить влияние отно-
сительной влажности воздуха на изменения К. Значительный
цикл экспериментальных работ по исследованию индикатрис рас-
.сеяния и угловой зависимости степени поляризации гв вескотьких
географических пунктах был проведен Т. П. Тороповой с сотруд-
никами [42]. Следует отметить, что авторы этих работ провели
измерения угловых характеристик в широком диапазоне углов
рассеяния, в спектральном интервале вплоть до ближней ультра-
фиолетовой области. На основе полученных результатов в данном
Цикле работ были даны оценки влиянию метеорологических фак-
торов, сделаны некоторые выводы относительно микрофнзическнх
параметров и определены статистические характеристики инди
катрис рассеяния.
Важное место в исследовании оптических параметров атмо-
сферы занимают проводимые в ИФА АН СССР исследования ат
мосферного аэрозоля (см., например, [41]). В результате дли
тельных экспериментальных наблюдений угловых зависимостей
компонент матрицы рассеяния и измерений прозрачности атмо
сферы удалось выявить и проанализировать уже упоминавшиеся
типы оптической погоды [43], которые сыграли значительную
роль в понимании оптико-метеорологических процессов призом
ного слоя атмосферы.
На основе статистического анализа обширного наблюдатель
пого материала в [44] предложена статистическая модель угле
вых характеристик рассеянного излучения для дымок приземного
слоя. В результате обобщения длительных комплексных натурных
измерений ряда оптических параметров аэрозоля на базе общих
современных представлений о природе и механизмах изменчиво
стн аэрозоля, а также на основе вычислительного эксперимента
по микрофизическому моделированию оптических свойств аэрозо
ля разработана модель оптических параметров атмосферного
аэрозоля, учитывающая изменчивость его оптических п микро
физических параметров в приземном слое с помощью входного
параметра, в качестве которого рассматривается коэффициент
ослабления при Х=0,55 мкм (пли метеорологическая дальность
видимости Sm = 3,9/op (0,55). Как отмечают авторы [45] модель
охватывает только субмикронную фракцию аэрозоля, играющую
основную роль в оптических и радиационных явлениях. При этом
предусматривается возможность аддитивною дополнения модели
путем введения в рассмотрение грубодпсперспой (пылевой и ка
пельной) фракции с соответствующим входным параметром, ха
растеризующим ее роль.
Относительно разработанных оптических моделей атмосферы
приземного слоя следует заметить, что большая часть длитель
ных комплексных измерений проведена лишь в отдельных юогра
фическпх пунктах. Естественно, возникает вопрос в какой мере
влияют географические факторы па формирование тех или иных
состояний аэрозольной атмосферы? В настоящее время имеется
ряд работ, в которых отмечена определенная общность процессов
трансформации оптических свойств аэрозоля в различных геогра-
фических пунктах [34, 42, 45, 46], ио для обоснования примени-
мости количественных параметров статистической модели в раз-
личных географических районах упомянутых выше данных явно
недостаточно. Необходима постановка комплексных натурных
экспериментов в разных климатических районах. Значительный
интерес в этом отношении вызывают слабо изученные до насто
ящего времени прибрежные районы, задымленная атмосфера
больших городов.
54
Для обеспечения экспериментальных исследований был разра-
ботан измерительный комплекс, который включал в себя лабора-
торный поляризационный нефелометр, атмосферный спектральный
нефелометр и фотоэлектрический счетчик аэрозольных частиц, ко-
торый позволил провести комплексные исследования в модельных
условиях свойств туманов и дымов, в реальной атмосфере свойств
прибрежной дымки.
3.2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТУМАНОВ
Внутренняя структура частиц водного аэрозоля в атмосфере в
большинстве случаев является неоднородной и находится в слож-
ной зависимости от природы и концентрации в воздухе ядер кон-
денсации, других примесей, главным образом антропогенного
происхождения, в виде растворимых и нерастворимых химиче-
ских соединений, а также газов. В связи с этим известный инте-
рес представляют исследования влияния неоднородности атмо-
сферного водного аэрозоля на его оптические и микрофизичсские
свойства.
Методически эти исследования были построены следующим
образом. Экспериментальные исследования поляризационных ин-
дикатрис рассеяния туманами, создаваемыми адиабатическим ме-
тодом в большой (объем 3200 м3) камере, сопровождались изме-
рением общей концентрации и функции распределения частиц по
размерам. С учетом данных о микроструктуре были проведены
расчеты измеренных в эксперименте оптических характеристик.
Корректное сравнение экспериментальных результатов исследова-
ния с результатами соответствующих расчетов да то возможность
получить некоторые сведения о влиянии структуры реального вод-
ного аэрозоля на его оптические свойства
Измерение индикатрис рассеяния и степени поляризации рас-
сеянного излучения были проведены для семи длин волн в спект-
ральном интервале 0,34 1,118 мкм и для Л=2,32 мкм с разре-
шением по спектр}7 Л7.~0,02 мкм в области углов 3... 170“ с
Д^<1°. Вероятная общая погрешность измерения составляла
±7 . 10%. Всего было измерено 350 индикатрис.
I Микроструктурные измерения обеспечивались фотоэлектриче-
ским счетчиком частиц типа «Аэлита» и интегральным анализа-
тором спектра капель по размерам «Аэрозолсмер». Аппаратура
позволяла регистрировать .концентрацию и функцию распределе-
ния капель в диапазоне их размеров 1... 14 мкм по радиусу. Мак-
симальная счетная ошибка измерения (до 20%) имела место при
регистрации частиц с а<2 мкм и концентрации частиц А >
>2000 частиц/см3 Для расчета были взяты результаты измере-
ния микроструктуры, которые удовлетворительно аппроксимиро-
вались гамма распределением со значениями среднеарифмитиче
ского радиуса 1,85. 7,5 мкм и параметра ц=1,8 6,4
Расчеты' угловых характеристик рассеяния по точным форму-
лам теории Ми были выполнены на ЭВ'М «БЭСМ 6» с использо-
55
ваннем программы, описанной в [47] Вычисления были сделаны
для 8 длин волн, использованных при экспериментальных иссле-
дованиях, а также для 12 значений 7., соответствующих экстре
мальным величинам показателя преломления и поглощения воды
в спектральном интервале 7^ = 0,34... 10,6 мкм. Зависимость п и х
ст длины волны приведена на рис. 3.1 [9].
Изменение формы индикатрисы рассеяния от длины волны по
казано па рис. 3.2. По оси абсцисс отложены значения угла рас
сеяния в градусах, по оси ординат — значения нормированной
индикатрисы рассеяния р согласно принятому условию нормиро
вапня па 1. Как видно из рис. 3.2, форма индикатрисы изменяет-
ся в широких пределах.
Анализ экспериментальных данных показал, что по характеру
совпадения измеренных индикатрис с расчетами весь эксперимен
дальний материал можно разбить на две группы. Первая труп
па, к которой относится около 68% измеренных индикатрис, ха-
рактеризуется тем, что в области углов <р=10... 168° паблюдас
мые расхождения не выходят за рамки возможных ошибок изме
рения. Для значений <р<10° несовпадение достигает порядка
30%, при этом интенсивность рассеянии радиации, измеренная в
эксперименте, была, как правило, выше расчетной. С увелнчсни
ем длины волны расхождение возрастало. Это обстоятельство по-
зволяет предполагать возможное влияние неучтенного фона источ-
ника при измерениях в области углов, близких к направлению
распространения пучка радиации. Для углов рассеяния <р>168с
экспериментальная кривая всегда шла ниже теоретической. Мак
спмальпь'с различия (до 45%) имели место для максимальных
значений измеряемых углов.
Рис. 3.2. Изменение формы ин-
дикатрисы рассеяния в зависи-
мости от длины волны 7
------0,31 мкм:------- 1,06 мкм;
—•— 2.36 мкм. — 10,6 мкм
Рис. 3.1 Зависимость показа-
теля преломления п и погло
ЩСИ11Я X от длины волны X
5G
Вторая часть экспериментального материала характеризуется
более значительным несоответствием измеренных и расчетных i н-
дикатрис. Это несоответствие вызвано прежде всего появлением на
индикатрисе в области углов гр= 22,60 и 97° четко выраженных
максимумов, величина которых меняется от эксперимента к экс-
перименту. Интенсивность рассеянной радиации для направлений
(р;>170о с появлением этих максимумов увеличивается в среднем
до 7%. Для туманов, состоящих из сравнительно крупных частиц
(о>5«км), при значениях 7.^0,8 мкм на индикатрисе в об-
ласти углов ср =150... 163° появляется чаще одни, а иногда и два
относительно небольших максимума. Была установлена зависи-
мость формы индикатрисы от времени измерений. Индикатрисы
щассеяпия, относящиеся ко второй группе, наблюдались, как пра-
вило, в начальный период существования туманов, во второй по-
ловине дня. Следует отметить также, что большая часть этих ин-
дикатрис была получена в летний период сухой теплой погоды,
тогда как при измерениях зимой и летом при высокой влажности
в атмосфере такая форма угловых зависимостей наблюдалась зна-
чительно реже.
| На рис. 3.3 приведены индикатрисы рассеяния, полученные
практически при одних и тех же значениях микроструктурных па-
раметров, но в разное время от начала образования стабильного
тумана в камере. Такую зависимость формы индикатрисы от вре-
мени наблюдения удалось объяснить предположением об измене-
нии оптических свойств капли тумана со временем его существо-
вания. Это изменение, по-видимо.му, связано с присутствием ядер
концентрации в атмосферном воздухе В центре города воздух за-
грязнен больше в вечернее время, сухая погода также способст-
вует этому. Этим следует объяснять тот факт, что наибольшие
расхождения экспериментальных данных с результатами расчета
имели место вечером. Уменьшение этих отличий со временем су-
Рис. 3.3. Изменение формы индика-
трисы рассеяния от времени сущест-
вования тумана в камере
Рве. 3.4. Результаты расчета пнднка
трисы рассеяния тумана, состоящего
из однородных капель (кривая /) и с
ядром в 1/4 радиуса частицы капли
(кривая 2)
шествования тумана, по-видимому, связано с вымыванием круп-
ных гигроскопических ядер конденсации [33, 48]. Оптические
свойства капли могли изменяться со временем также из-за раст-
ворения некоторой части ядер конденсации.
С целью выяснения возможностей реальной структуры водной
капли исследованных туманов экспериментальные данные были
сопоставлены с результатами расчета оптических характеристик
двухслойного водного аэрозоля '[49], проведенного по методике,
описанной в [50]. Были рассмотрены два случая. Первая модель
предполагала наличие ядра с радиусом 6=0,015 мкм в центре
всех частиц. Во втором случае размер ядра был равен 1/4 разме
ра частиц. Оптические постоянные ядра определялись значениями
л= 1,5 и х=0,2.
На рис. 3.4 приведены результаты расчета индикатрисы рас-
сеяния тумана для длины волны 0,69 мкм и значений параметров
распределения частиц по размерам а 4 мкм н ц=6. Кривая 1
характеризует индикатрису рассеяния для однородного водного
аэрозоля. Как следует из рисунка, предположение о наличии яд-
ра размером в 1/4 радиуса частицы приводит к изменениям фор-
мы индикатрисы рассеяния (кривая 2), которые качественно со-
гласуются с основными отличиями экспериментальных данных от
соответствующих результатов расчета.
Для общей характеристики формы индикатрисы и характера
рассеяния, а также для решения многих задач по распростране
нию радиации в рассеивающих средах приближенными методами
используется параметр, определяющий степень вытянутости ин
дикатрнсы рассеяния. В качестве такого параметра обычно ис-
пользуется коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния.
Значения коэффициента асимметрии индикатрисы полидисперс-
пых сред вычислялись по формуле
Л/2 а,
[ ] I (ф) sin <p d ф da
------------------- • (3.1)
я at
[ | 1 (ф) sin ф d ф da
л/2 а.
На рис. 3.5 приведены результаты расчета зависимости коэф
фнциента асимметрии индикатрисы от длины волны для двух
значений среднего размера частиц 6 = 3 и 7 мкм и параметра ц =
= 4 [49] Из рис. 3.5 видно, что асимметрия индикатрисы в ис-
следованной спектральной области изменяется сложным образом
и в широких пределах. Максимальное значение (К=383,6) ко-
эффициент асимметрии принимает при Х=2,79 мкм. В этой об-
ласти спектра показатель преломления воды достигает своего
минимального значения п 1,088 (см. рис 3.1) Характером зави
симости показателя преломления от длины волны объясняется и
второй максимум на кривой K(k), а также ход кривых в облас-
ти значений Л>8 мкм.
58
рис. 3.5. Зависимость ко
эффнциента асимметрии
индикатрисы рассея-
ния от длины волны
___ с-7 мкм,------а
— 3 мкм
В видимой и ближней инфракрасных областях (до /.~2 мкм)
асимметрия индикатрисы увеличивается с уменьшением длины
волны и полуширины функции распределения, а также с увели-
чением среднего размера частиц. Значение коэффициента асим-
метрии изменяется в пределах /(=12... 27.
Для сравнения экспериментальных и теоретических результа
тов исследования были определены значения К по эксперимен-
тальным кривым. При этом неохваченные измерениями области
углов рассеяния от 0 до 3° и от 176 до 180 графически экстрапо-
лировались. Асимметрия экспериментальных индикатрис оказа-
лась на 10 ...20% выше расчетных. С увеличением длины волны
расхождения увеличивались. Несоответствие экспериментальных
и теоретических данных, по-видимому, следует объяснить оптиче-
скими свойствами реального водного аэрозоля п возможными не-
достатками методики измерения в области малых и больших уг-
лов рассеяния.
Полученные результаты имеют принципиальное значение при
решении многих задач, связанных с распределением радиации в
атмосфере. Закономерностями изменения асимметрии спектраль-
ной индикатрисы рассеяния в значительной степени определяется
спектральная прозрачность в облаках и туманах.
59-
3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ СВОЙСТВ ДЫМОВЫХ
АЭРОЗОЛЕЙ
При исследовании оптико-микрофизпческнх свойств дымовы
аэрозолей был реализован комплексный подход, который содер-
жал следующие элементы [50]:
детальные измерения в лабораторных условиях индикатрис
рассеяния и угловой зависимости степени поляризации дымов
[51—54];
микрофизические измерения дисперсного состава частиц с по-
мощью фотоэтектрических счетчиков и методом электронной мик-
роскопии [54—56];
разработку на основе детальных расчетов по точной теории
рассеяния для полпдисперсных сред с логнормальным распредс
ленпем методики оперативной оценки параметров частиц по дан-
ным нефелометрических измерений [57—59];
использование «строгих» методов обращения оптических дан-
ных (методы регуляризации) для количественных оценок микро-
физического состава частиц [60—63].
На первом этапе были проведены измерения индикатрис рас-
сеяния для дымов, образованных при термическом разложении
различных материалов. Эти ис-
Рнс. 3.6. Нормированные индикатри-
сы рассеяния дымовых аэрозолей:
1—3 согласно табл. 2.3; 4 и 5 — дым ка
иифоли и сигаретный дым (31); 6 —адиа-
батический туман; 7.-0,47 мкм [51]
60
следования позволили установить
основные особенности формы ин-
дикатрис рассеяния дымовых
аэрозолей. Измерения были вы-
полнены с использованием в ка-
честве источника излучения лазе-
ра с Х = 0,63 мкм для 16 дымов
различной природы в условиях
невысоких значений относитель-
ной влажности воздуха г<60%.
На рис. 3.6 представлены типич-
ные нормированные индикатрисы
рассеяния различных дымовых
аэрозолей, иллюстрирующие ос-
новные особенности углового рас-
пределения рассеянного света в
дымах. Для сравнения на рисун-
ке показана также индикатриса
адиабатического тумана. В табл.
3.1 приведены параметры, харак-
теризующие форму индикатрис
рассеяния дымов: коэффициент
асимметрии Ка, параметры вытя-
нуто т и индикатрисы впереч А =
= р (15°) /ц (110°). И о = ц (5°) /и (15’)'
и назад ^ = р (165°)/ц(110°).
Таблица 3.1
Материал ап. м-1 А R

Пенопла т ФС-7-02 0,04 7,0 1,40 27,5 1,00
Асбестов 1я ткань 0,08 8,3 1,60 26,0 0,93
дииолиум 0,15 5,8 1,60 29,0 1,32
резина 0,26 6,1 2,50 34,0 1,40
Кабел КНРГ 0,08 6,4 1,90 33,0 2,10
Эмаль ЭП-525 0,22 7,8 2,80 32,3 1,30
Пенопласт ПС-1 0,37 7,7 2,70 36,3 1,95
Кабель СПОВ 0.36 6,9 1,80 38,0 1,20
Ткань хлопчатобумажная 0,21 8,0 1,20 40,0 1,30
Древесина 0,15 9,1 1,60 38,0 1,66
Краска ПФ-218 0,16 8,6 3,40 42.6 1,44
Дермантин 0,30 9 8 1,30 44,7 1 10
Грунт ВЛ-02 0,10 6,4 1,50 20,4 0,91
Грунт 83 0,07 7,1 2,14 23,4 0,76
Кабель КНРПк 0,15 8,9 1 55 41,0 0,63
Папиросный дым [31] — — — 29.6 1,02
Дым канифоли [31] — — 37,3 5,60
Атмосферная дымка [36, 44 .
Sm=5 КМ — — — 99,0 2,00
Sm = 50 КМ — — — 20,2 2,00
Sm= 1—4 КМ — 7,5 11 — 82,0 3,27
Sm = 2. .10 КМ — 11,1 16,5 — 59,0 1,43
Дымка Н (по Дейрменджапу) — — 1 24 44,0 1,10
— — — 2 30 56,0 2,58
Or । — » — — — — 60,7 4,40
Водный туман [51], S,„=^0,l км — — — 26,8 4,25
Как видно, форма индикатрисы изменяется в значительных
пределах. Так, коэффициент асимметрии принимает значение от
5,8 до 9,8. В соответствии с классификацией индикатрис по ко-
эффициенту асимметрии О. Д. Бертенсвон это соответствует шес-
ти-семи классам индикатрис атмосферных дымок. При этом вытя-
нутость индикатрисы в направлениях матых и больших углов
рассеяния может изменяться в среднем в 2 и 3,5 раза соответст-
венно.
Представляет значительный интерес сопоставление оптических
характеристик дымов с соответствующими известными аэрозольны-
ми образованиями типа атмосферных дымок и туманов Такое
сравнение позволяет выявить специфику оптических свойств ды-
мовых аэрозолей и определить место, занимаемое ими по отноше
нию к характерным типам оптической погоды [34]. Анализ при-
веденных на рпс. 3.6—3.8 оптических характеристик дымов, дымок
и туманов показал, что по основным особенностям формы инди-
катрисы рассеяния и степени поляризации, а также по пределам
их изменчивости дымы в видимой области спектра имеют значи-
тельное сходство с атмосферными дымками, т. е. в первом при-
ближении дымовую мглу можно рассматривать оптически экви-
валентной наиболее характерному аэрозольному замутнению аг-
61
Рис 3.7 Области возможных
значений степени поляризации
1ЫМ0В (/), атмосферных ды-
мок (2) и водного тумана (5)
Рис. 3.8 Диаграмма взаимной
связи параметров формы инди-
катрисы рассеяния дымов и
дымок
мосферы — дымке. Одпако наряду со сходством можно отметить
возможные основные отличия светорассеивающих свойств для не
которых дымов. Так, индикатрисы ряда дымов «пологого» типа
(область точек /?<0,9 па диаграмме /1 (/?), рис. 3.8) не являются
характерными для атмосферных дымок. В свою очередь, по угло-
вой зависимости р((р) (см. рис. 3.7) атмосферным дымкам не ха
рактерны глубокие отрицательные значения поляризации в обла
сги <р= 150 ... 160°. Установленные признаки отличия оптически
характеристик дымов в определенных условиях могут быть ис
пользованы для оптической селекции дымов от других типов аэ
розольпых образований.
Исследования оптических свойств дымов па первом этапе по
казали, что их оптические характеристики изменяются в широких
пределах и выполненный для различных дымов анализ псдостт
точен для обоснования вариаций угловых характеристик рассея
пия дымовых аэрозолей. Для этой цели требуется проведение бо
лее детальных оптико-микрофизических исследований с целью вы
явления основных факторов изменчивости дымового аэрозоля. Ес
тествепно, что при этом для разумного ограничения объема ис
следований подобный детерминированный анализ целесообразно
выполнять для определенною типа дыма. Для детальных псследо
вапий был выбран древесный дымовой аэрозоль, который, как из
вестно, является наиболее распространенным источником поступ
ления дымовых частиц в состав атмосферного аэрозоля. Основ
ным генератром таких частиц являются лесные и степные, а так
же антропогенные пожары, отопительные системы [64]. Извест
ко. что на земной поверхности ежегодно возникает около 200 тыс
лесных пожаров, из них около 10%—от молний. Мейсон пола
тает, что ядра конденсации, образующие облака, на 9/10 состоят
из ядер смешанного состава и продуктов естественных и вызван
пых человеком пожаров.
Г,2
Измерения индикатрис рассеяния и степени поляризации дре-
весных дымовых аэрозолей при вариации условий дымообразова-
ння позволили исследовать пределы изменения угловых характе-
ристик светорассеяния, выявить основные факторы, оказывающие
определяющее влияние на формирование при дымообразованин
и последующую трансформацию оптических свойств дымов, и
рассмотреть основные закономерности влияния факторов на опти-
ческие характеристики дымов.
Результатами измерений в контролируемых условиях было ус-
тановлено, что основными факторами, определяющими изменчи-
вость оптико-микрофизических характеристик дымов, являются
степень задымления воздуха па стадии дымообразовапия, темпе-
ратура термического разложения материалов, «старение» дымо-
вого аэрозоля во времени и относительная влажность воздуха. В
общей сложности в ходе экспериментальных исследований было
измерено более 600 поляризационных индикатрис рассеяния дре-
весного дымового аэрозоля при изменении плотности задымлен-
ного воздуха от 0,007 до 0,3 м_| по величине коэффициента рас-
сеяния на Х=0,63 мкм, температура разложения 300 ...700° С, от-
носительной влажности воздуха от 30 до 97% в течение 2,5... 3 ч
со времени образования дыма.
На рис. 3.9 приведены гистограммы повторяемости параметров,
характеризующих форму индикатрисы рассеяния, которые пока-
зывают, что в зависимости от условий дымообразовання даже длч
одного типа дыма оптические характеристики изменяются в ши-
Рпс. 3.9 Гистограммы повторяемости коэффициента рассеяния (а) н парамет-
ров формы индикатрисы рассеяния древесных дымов (б, в, г)
рокпх пределах — в 2... 10 раз по величине параметров формы
угловых характеристик. Все индикатрисы древесных дымов отно
сятся к «острому» типу и характеризуются средними значениями
параметров .4 = 43,5; $ = 1,22; Л'а = 9,2.
Рассмотрим основные закономерности изменчивости угловых
характеристик рассеяния дымов в зависимости от указанных фак-
торов. Па рис. 3.10 представлены нормированные индикатрисы
рассеяния цн(ф) и угловые зависимости степени поляризации
р(ф), полученные при Х=0,63 мкм, относительной влажности воз
духа г=30...40% в течение 5... 10 мин после образования дыма и
различной степени задымления воздуха на стадии аэрозолеобра
зования. Степени задымления варьировались от 0,007 до 0,3 м~’.
Для нормированной индикатрисы влияние плотности задым
ленвя проявляется в увеличении вытянутости индикатрисы впе
ред — параметр /1 возрастает ботее чем в 4 раза (от 10 до 50)
и вытянутости назад — параметр $ варьирует от 0,9 до 2. При
этом коэффициент асимметрии Ка увеличивается в среднем в 2
раза (от 4 до 9). Для плотных дымов на индикатрисе рассеяния
характерно появление максимума в области углов рассеяния
<р= 150... 160° (кривая 3, рис. 3 10,о). Степень поляризации (рис
3.10,6) сильно зависит от задымленности воздуха При малой
степени задымленности (кривая /) она характеризуется высоких
колоколом положительной поляризации с максимумом в районе
ср = 90... 100°. Увеличение плотности дыма приводит к резком;
уменьшению значений положительной поляризации и формирова
нию области отрицательной поляризации с устойчивым экстрему
мом при <р 150... 160°. В свою очередь, при высоких плотности
дыма (<тр>0,2 м-1) степень поляризации характеризуется одним
глубоким отрицательным экстремумом.
По форме угловых характеристик рассеяния рассмотрении!
дымовые аэрозоли можно условно разделить па три группы: пер
Рис. 10 Изменение формы хгчовых характеристик светорассеяния во времен
при различной степени задымления воздуха:
I — с,, 0.007 м- 2 ар=О,ОЗ м 3 — <гр-0.22 м 1
€4
вую (кривая /), вторую (2) и третью (<?). Естественно, что это
разбиение весьма условно, так как четких границ между группа-
ми нет. Первая характеризуется колоколом положительной поля-
ризации, для второй наряду с положительным максимумом появ-
ляется и углубляется экстремум отрицательной поляризации, и,
наконец, для третьей группы дымов характерны в основном отри-
цательные значения поляризации в широкой области углов рас-
сеяния.
Для изучения влияния температуры термического разложения
были выполнены измерения ци(<р) и р(гр) древесных дымов при
/?=300, 450, 600е С и получено около 200 поляризационных инди-
катрис. На рис. 3.11 приведены термограммы угловых характери-
стик (рис. 3.11,о,б) и параметров их формы (рис. 3.11,в), постро-
енные по результатам измерений.
I Полученные результаты позволяют сделать вывод о значитель-
ном влиянии температуры разложения па оптические характери-
стики образующихся дымов. Для индикатрисы рассеяния (рис.
3.11,о) рост t приводит к уменьшению асимметрий углового рас-
сеяния вперед А и назад R в среднем в 2... 2,5 раза. При этом
прелеты изменчивости, сопоставимые по величине с рассмотрен-
ным ранее влиянием плотности задымления, имели противополож-
ную тенденцию изменения. Для степени поляризации (рис. 3.11,6)
с увеличением / наблюдается изменение р (гр) от кривой с двумя эк-
стремумами до зависимости с одним положительным максимумом,
противоположное влиянию роста оР при дымообразовании.
I Качественно иными особенностями характеризуется изменчи-
вое > коэффициента рассеяния и угловых характеристик рассея-
ния дымов при трансформации их во времени (рис. 3.12 и 3.13).
Временная динамика оптических свойств исследовалась в течение
2...3 ч с момента образования дыма. «Старение» дыма в услови-
ях отсутствия постоянно действующего источника образования но-
вых частиц приводит к значительному и неравномерному во вре-
Ис- 3.11 Влияние температуры термического разложения на угловые характе-
ристики светорассеяния дымов.
I — 1-300“ С; 2 — 4 = 450° С; 3 — 1-600° С
65
мени изменению коэффициента рассей
пня более чем в 2 раза (см. рпс. 3.12)
Основные изменения коэффициента
рассеяния наблюдаются в течение пер
вого часа после образования дыма и
составляют около 60.. 70% полной
дисперсии изменения за 2 ч.
С течением времени уменьшаются
значения р. в области углов рассеяния
ср>80°, при этом изменения в облает i
малых углов рассеяния менее значи-
Рис. 3.12. Временная изменим- тсльны. Подобная вариация значении
вость коэффициента рассеяния приводит К росту вытянутости ИП-
дымов (>.=0,63 мкм) _ дпкатрисы в направлении вперед,
'-ар-о.оо; м-,; 2 —Ср-о.оз ы-1; проявляется более зпачнтель-
но для первой группы дымов (кри-
вые /, 2, рис. 3.13,а) и наиболее слабо для третьей групп
(кривые 5, 6). При этом вытянутость индикатрисы назад изменя-
ется сравнительно слабо для первой группы дымов и обнаружи-
вает тенденцию к значительному монотонному уменьшению для
второй и третьей групп дымов. Для крупнодисперспых дымов во
времени уменьшается выраженность максимума па индикатрисе
рассеяния при <р« 150° (кривые 3, 4). Влияние временной транс-
формации на зависимость р(<р) проявляется в опускании поляри-
зационных кривых во всем интервале углов рассеяния. Наиболее
значительное опускание наблюдается в областях экстремумов по-
ляризационных кривых. Временная изменчивость угловых харак-
теристик качественно и количественно отличается от влияния на
Рис. 3.13. Трансформации во времени угловых характеритик рассеяния дым
(Х=0.63)
оптические параметры плотности замутнения воздуха при дымо-
образовапип. Количественные изменения угловых оптических ха-
рактеристик во времени менее значительны, чем при влиянии оР
и I, и составляют в среднем 30... 50% относительного изменения
за 2 ч.
Высокую чувствительность проявляют угловые характеристи-
ки рассеяния древесного дымового аэрозоля к относительной
влажности воздуха г. На рис. 3.14,я,б для дымового аэрозоля
второй группы (ор=0,06 м-1) представлены зависимости цн (<р) и
р(ф) при увеличении влажности г от 30 до 97%. С увеличением
г наблюдается значительный рост коэффициентов асимметрии Ка
(рис. 3.14,в) и вытянутости индикатрисы А (рис. 3.14,г) в сред-
нем в 2...2,5 раза. При этом рост асимметрии индикатрисы до-
стигается как увеличением значений рн при ф<40°, так и умень-
шением при <р>60°. Следует отметить, что достигаемые с рос-
том г значения Ка=18 и А «100 значительно превышают макси-
мально наблюдаемые для «сухих» дымов Кл«11 и А «50, что
свидетельствует о специфике влияния влажности на микрофизпче-
ский состав дыма.
[ Зависимости Ка и Л от г являются нелинейными и характери-
зуются их постоянным возрастанием, начиная с г«30%, однако
3*
Рис. 3.14. Изменчивость индикатрисы рассеяния древесного дыма (а, в) степени
поляризации (б) и параметра вытянутости индикатрисы вперед (г) при увели-
чении влажности воздуха:
J-r-27%, 2 —г-87%; 3 — г-97%
67
наибольшие изменения параметров формы индикатрисы происхо
дят при г «=80%. Коэффициенты вытянутости индикатрисы назад
7? при увеличении г изменяется слабо. На угловой зависимости
р(<р) увеличение относительной влажности сказывается в сужении
области отрицательной поляризации и уменьшении значений
р(ф) во всей области углов по абсолютной величине (рис. 3.14,6).
Отмеченные особенности изменчивости формы угловых характери-
стик от значений г качественно отличны от наблюдаемых в зави-
симости от других факторов изменчивости оптических свойств ды-
мовых аэрозолей.
Количественный анализ изменчивости нормированной индика-
трисы Цн(ф) от влажности показал, что для описания трансформа-
ции индикатрисы в поле влажности со средней погрешностью 15. .
...20% применима формула типа Кастена — Хепела [39]:
Цн(ф, г) = Цн(ф) (I—г)“Е<ч>), (3.2)
где е(ф)—угловой параметр конденсационной активности аэро-
золя; 11Н(ф)—индикатриса аэрозоля при влажности г=0.
На рис. 3.15 приведена зависимость параметра конденсацион-
ной активности древесного дыма е(<р), иллюстрирующая чувстви-
тельность индикатрисы к вариациям влажности. Величина е(ф)
изменяется в общих пределах от 0,1 до 0,2 (табл. 3.2). По основ-
ным особенностям трансформация формы индикатрисы дымов ка-
чественно согласуется с конденсационной изменчивостью индика
трисы для атмосферных дымок в континентальных и прибреж-
ных районах [65, 66], что объясняется одинаковыми тенденциями
изменения микрофизических параметров частиц в поле влажности.
Между тем в количественном отношении по величине е(ф) кон-
денсационная изменчивость дымов менее значительна, чем для ат
мосфериых дымок, для которых по данным [65] опа варьируется
Рис 3.15. Зависимость коидепса
циоипой активности древесного
дымового аэрозоля е от утла <f
при 1=0,063 мкм
Рис. 316. Спектры распределения
по размерам частиц дымовой шаш
КН (<7р=0,6 м~’):
l — t=0 ч 30 мин; 2 — 1—5 ч
68
Таблица 3.2
<р е (<р) 1g в' (<Р) ф е (<р) 1g рф (<Р) ф е(<р) 1g М„ (<Р)
5 8,6-10—2 —0,05 60 —0,14 —1,14 120 —0,12 —1,91
10 0,1 0,11 70 —0 17 — 1,34 130 -0,11 —1,91
20 7-10-2 -0,3 80 -0,19 —1,5 140 —0,1 —1,92
30 з-ю-3 -0,49 90 —0,21 — 1,66 150 —9,5-10—2 —1,88
40 —4,8-ю-2 -0.7 100 —0,16 — 78 160 —0,1 — 1,86
50 —9,9-10—2 -0,93 ПО —0,14 —1,86 170 —0,16 —1,78
от +0,3 до —0,45. Отмеченные отличия могут быть обусловлены
различиями гигроскопической активности аэрозольных частиц ды-
мов и дымок.
Выполненные впервые детальные исследования угловых ха-
рактеристик рассеяния дымовых аэрозолей показали, что оптиче-
ские свойства дымов изменяются в очень широких пределах, прак-
тически содержащих и перекрывающих границы вариаций для
реальных атмосферных дымок [53, 54]. Показано значительное
влияние таких факторов, как плотность задымления среды на
стадии дымообразовапия, температура термического разложения,
трансформация во времени относительной влажности воздуха, на
изменчивость индикатрисы рассеяния и угловой зависимости сте-
пени поляризации дымов. Высокая изменчивость оптических
свойств дымового аэрозоля от отмеченных факторов даже для од-
ного типа дымообразующего материала делает некорректным
использование средних характеристик для описания оптических
свойств дымов в целом. Исследованы особенности влияния факто-
ров изменчивости на угловые характеристики и количественно
пределы их вариаций. Показано, что каждый из рассмотренных
факторов характеризуется специфическими закономерностями
влияния па форму угловых характеристик рассеяния.
Результаты измерений позволили установить отсутствие кросс-
поляризации рассеянного дымами излучения в области <р=
= 10 .. 170°, что свидетельствует о близости формы оптически ак-
тивных дымовых частиц к сферической [13] и дает основание для
моделирования оптических свойств дымов на основе расчетных
Данных теории хМи. С целью интерпретации экспериментальных
данных были выполнены детальные расчеты угловых характери-
стик рассеяния мелкодисперсного аэрозоля с логнормальным рас-
пределением по размерам при широких вариациях моды функции
распределения, дисперсии и оптических постоянных частиц [57,
58, 67] На основе расчетных данных исследовано влияние мик-
рофпзическпх параметров частиц на оптические параметры фор-
мы угловых характеристик рассеяния и установлено, что для пе-
поглощающих частиц оптические параметры Л, R, Р (100°) и Р
(160°) однозначно связаны с показателем преломления и микро
структурой частиц в области значений медианного радиуса рас
69
пределения объема частиц по размерам aov<l мкм. Полученный
вывод позволил разработать методику диаграммно-аналитической
оценки мпкрофизических параметров мелкодисперсных дымовых
частиц из измерений формы индикатрисы рассеяния и степени по-
ляризации. Методика использует диаграммы связи оптических па-
раметров Лоо-(Л). ^(/?), Р оо' (ЛсоО для определения со средней
погрешностью 10... 20% медианного радиуса частиц ао и диспер-
сии распределения S2. Для оценки показателя преломления час-
тиц с высокой точностью (1,5 ...2%) предложена аппроксима-
ционная формула, позволяющая определить Рюо- из измерений
А и и:
и = 1 + 2,03 (°-95~рюоЛ°-34 . (3.3)
Установленные особенности дисперсного состава плотных ды-
мов характерны для дымовых аэрозолей различных материалов,
что позволяет предположить независимость качественных законо-
мерностей формирования микроструктуры дымов от их типа.
На рис. 3.16 представлены функции распределения по размерам
частиц дымовой шашки в условиях плотного задымления, которые
характеризуются особенностями, аналогичными дисперсному со-
ставу плотного древесного дыма (рис. 3.17). Совокупные данные
нефелометрии, фотоэлектрических счетчиков и электронной мик-
роскопии позволяют предложить для описания микроструктуры
дымов в широком диапазоне плотностей задымления двухфракии-
Рис. 3 17. Динамика изменения во времени распределения по размерам счетной
концентрации (а) н фактора заполнения (б) частиц плотного древесного ды-
мового аэрозоля (<т~0,5 м *)
/ — фон камеры; 2— t—0 ч 03 мии; 3—t —0 ч 30 мин; 4—t=l ч 20 мни; 5 — ч 47 миг
70
Таблица 3.3
Фракция частиц Мода Со. мк>1 S2 t Вклад в фактор заполнения, % а, мкм
мелкодис- персного плотного плотного выстояв- шегося
Мелко- дисперс- ная Первая (основ- ная) 0,08-0,06 0,3...0,5 95.. 98 1...2 2...3 0,3
Вторая (средне дисперс- ная) 0,4.. .0,6 0,05...0,1 2...5 3...5 16...20 0,3...0,7
Крупно- дисперс- ная Третья 1.0..1,2 0,1 90...95 75...80 >0.7
онную трехмодальную форму функции распределения частиц по
размерам, оценки количественных параметров которой приведены
в табл. 3.3.
Полученные результаты по исследованию закономерностей
формирования и изменчивости онтико-микрофизических характе-
ристик дымовых аэрозолей свидетельствуют о высокой динамич-
ности и специфичности свойств дымов, что необходимо учитывать
при оценке эффективности работы лазерных устройств в задым-
ленной атмосфере, при разработке методов и средств оператив-
ной оптической диагностики состава ды юв
3.4. СВОЙСТВА АТМОСФЕРНОЙ ДЫМКИ В УСЛОВИЯХ
ПРИБРЕЖНОГО РАЙОНА
Условия наблюдения и общая оценка изменчивости угловых
и интегральных параметров рассеянного излучения
Измерение угловых характеристик рассеянного излучения в
диапазоне уьчов рассеяния <р=5 .. 175° для длин волн видимой
области спектра проводилось на атмосферном нефелометре Всего
за период измерений при изменении метеорологической дальности
видимости Sm = 5..8O км и диапазоне изменения относительной
влажности воздуха г=40... 95% было получено свыше 2000 уг-
ловых зависимостей.
Сравнение основных метеорологических параметров (темпера-
туры воды и воздуха, относительной влажности, характера ветро-
вого режима) с данными климатического атласа СССР показыва-
ет, что в целом условия проведения экспериментов 1974—1976 гг.
близки к средним условиям данного географического района. В
то же время в измерительном сезоне 1977 г отмечено значитель-
но большее, чем это характерно в среднем, количество дней с
осадками.
1
При исследованиях в прибрежных районах важную роль и
формировании метеообстаповкп играет характер ветрового режима.
В районе Карадагы, где проводился эксперимент, перемещение
воздушных масс во многом определяется взаимодействием гради-
ентных ветров с брпзовой и горнодолинной циркуляциями. Более
детально вопрос о влиянии метеорологических факторов обсужда-
ется в следующем разделе. Здесь следует отметить, что из всего
массива данных можно выделить три группы дней, различаю-
щихся по характеру ветрового режима. Около 60% случаев при-
ходится па ситуации, когда в течение суток наблюдались ветры
северного направления, т. е. с континента, в 25% случаев ветро-
вая обстановка в районе измерений определялась брпзовой цирку-
ляцией, и в 15% случаев во время проведения измерений, т. е. в
ночное время, отмечен ветер с моря (южный, юго-восточный, юго-
западный) .
В целом измерительные сезоны приходятся на теплое время
года. Все экспериментальные данные сформированы в ансамбли
по сезонному признаку. Для статистического анализа привлече-
ны результаты 1975—1977 гг. обозначенных соответственно I—ИД
поскольку в течение этих сезонов проводилось измерение коэф-
фициентов направленного рассеяния p((f) в абсолютных едини-
цах, что позволяет учесть влияние молекулярного рассеяния. В
дальнейшем коэффициенты ц (ср) н другие параметры чисто аэро-
зольных характеристик будем отмечать индексом «а» (например»
Ил(ср), сга и т. д.), а оптические параметры воздуха (т. е. молеку-
лярные плюс аэрозольные) — без индекса. Каждый наблюдатель-
ный сезон составлял около 30 суток, в течение которых велось
измерение коэффициентов направленного рассеяния для длин
волн >.=0,405; 0,436 и 0,546 мкм и поляризационных индикатрис
рассеяния для Л=0,54б мкм.
Для оценки изменчивости угловых характеристик рассеяния в
дымках прибрежного района приведем данные об угловых и ин-
тегральных параметрах коэффициентов направленного рассеяния.
На рис. 3.18 приведены гистограммы повторяемости коэффициен-
та рассеяния ор (0,546) для различных сезонов (цифры в скобках
означают число точек). Коэффициенты рассеяния вычислялись
интегрированием коэффициентов направленного рассеяния с экст-
раполяцией подынтегральной функции в область углов <р = 0 и
<р=180°. Как следует нз приведенных данных, наиболее часто в
исследуемом районе реализуется ситуация с 0,1 ор^0,15 мкм-1,
что соответствует метеорологической дальности видимости Sm=
=39 .. 26 км. Диапазон изменения и гистограммы распределении
коэффициентов рассеяния несколько различны для разных сезо-
нов. Также необходимо отметить, что сезонные ансамбли отлича-
ются и по повторяемости ситуаций с повышенными значениями
коэффициента рассеяния (<тР й 0,2 км-1).
На рис. 3.18 приведены также гистограммы повторяемости от
носительной влажности воздуха г и таблицы, в которых указано
процентное содержание в ансамбле ситуаций с различным ветро-
72
Рис. 3.18. Гистограммы повторяемости коэффициента рассеяния ор и относи-
тельной влажности воздуха г
вым режимом. К ситуациям, обозначенным «море», отнесены из-
мерительные периоды, в течение которых наблюдался ветер с мо-
ря; «бриз»—периоды, когда в течение суток ветровой режим оп-
ределялся брпзовой циркуляцией, и «суша»—периоды, когда в те-
чение суток наблюдался ветер с континента, была штилевая по-
года, а также когда преобладали ветры северного направления.
Как следует из приведенных данных, описанные сезоны заметно
различаются как по частоте повторяемости различных значений
г и ее среднему значению, так и по характеру ветрового режима.
Для оценки изменчивости формы аэрозольных индикатрис
рассеяния воспользуемся параметрами, которые определяются
только качественными характеристиками аэрозольных частиц и
нс зависят от концентрации. В качестве таких параметров удобно
выбрать коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния Ка и
Дифференциальные параметры формы Л3, Ra, которые характери-
зуют вытянутость индикатрисы рассеяния вперед и назад соответ-
ственно На рис. 3.19 приведены гистограммы Ка, Ла и Ra для
исследуемых сезонов.
73
Рис. 3.19. Гистограммы повторяемости параметров формы индикатрисы рассея-
ния в различные измерительные сезоны периода 1975—1977 гг. в условиях При-
морья
Проведенный анализ параметров формы показал, что значе-
ния Ка, Ла и Rs для сезонов 1975—1976 гг. оказались весьма
близкими друг к другу, а данные 1977 г. заметно отличались от
предыдущих сезонов как по частоте, так и по средним значениям.
Не останавливаясь на причинах межсезонной изменчивости
угловых и интегральных, параметров, из гистограммного анализа
можно сделать следующие выводы: при экспериментальном ис-
следовании коэффициентов направленного рассеяния в дымках
прибрежного района был зарегистрирован диапазон изменения
0Р от 0,05 до 0,72 км *, при наиболее частой повторяемости зна-
чений от 0,1 до 0,2 км 1 (т. е. Sm=10...39 км); коэффициент
асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния изменяется ог
5 до 27, причем отметим, что для сезонов 1975—1976 гг. характер-
74
ла наибольшая повторяемость Ка — 7... 11, а для данных 1977 г.
«анболее часты ситуации с Ка—13... 17; вытянутость индикат-
рисы вперед по параметр)- Аа изменяется от 15 до 200 и назад по
параметру /?а от 0,0 до 2,5 при отмеченном межсезонном непосто-
янстве характера распределения дифференциальных параметров.
Как видим, диапазон изменения угловых и интегральных пара-
метров рассеянного излучения в дымках прибрежного района
весьма широк, что серьезно ограничивает возможности примене-
ния в радиационных расчетах и различного рода энергетических
оценках каких-либо заданных (например, средних значении) па-
раметров. Для приближенных оценок можно рекомендовать для
длины волны /.=0,546 мкм наиболее вероятное значение аэрозоль-
ного коэффициента рассеяния па=0,15 км и индикатрису рассея-
ния с параметрами Ка = 9... 10; /1а = 40 и /?а = 1,25.
Статистический анализ коэффициентов направленного
рассеяния
Статистический подход к анализу наблюдательных данных
позволяет выявить наиболее устойчивые связи между оптически-
ми характеристиками дымки и оценить необходимые входные па-
раметры, что является важным при разработке оптико-метеоро-
логических моделей атмосферы и средств оперативного контроля
оптических параметров.
Статистический анализ измеренных угловых характеристик
проведен методом, предложенным А М. Обуховым [68], по схеме
исследования, которая применительно к угловым характеристикам
рассеяния опубликована в цикле работ Г II. Горчакова [44, 45].
При данном подходе каждый t-й измеренный коэффициент на
правленного рассеяния 1g ц, (<р,) = А, (<р<) рассматривается как
«-мерный (fe=l, ..., п) случайный вектор. Статистический анализ
позволяет получить систему «-мерных случайных векторов, кото-
рые оптимальным образом аппроксимируют i-ю реализацию слу-
чайного вектора. Как показано в [68], коэффициенты разложения
С’, случайного « мерного вектора служат для оптимального вос-
становления случайного вектора по собственным я,- векторам ав-
токорреляционной матрицы
, n
BL <Рд)= -—- S ^'Li fa*) Д Li (f^’ (3 4>
N — I H
где ДГ|(<рд) =£.1(фл)—A' — число реализаций в исследуе-
мом ансамбле.
Автокорреляционные матрицы В,(<рь <р) рассчитывались по
методу Якоби для 27 значений угла рассеяния в диапазоне
5 . 175°. Статистический анализ был выполнен для коэффициен-
тов направленного рассеяния ц(<р) и их ортогональных компонент
и ц для 7.-0,546 мкм При этом были рассмотрены угловые
75
характеристики воздуха (т. е. без выделения молекулярной со-
ставляющей) и чисто аэрозольные коэффициенты.
Анализ угловых характеристик воздуха проводился с целью
получения статистических параметров, необходимых для оценки
энергетики рассеянного излучения и сравнения данных прибреж-
ного района с опубликованными результатами соответствующих
исследований в континентальных условиях. Параметры чисто
аэрозольных характеристик были использованы для выяснения
роли физических процессов, определяющих изменчивость и ста-
тистические особенности оптических и мпкрофизическпх свойств
аэрозольных частиц атмосферы прибрежного района.
Анализ статистической обработки результатов эксперимента,
выполненный описанным выше образом, показал, что в дымках
прибрежного района для коэффициента направленного рассеяния
и его поляризационных составляющих характерные статистичес-
кие свойства проявляются в межсезонной устойчивости первых
двух собственных векторов соответствующих автокорреляционных
матриц Значительная доля дисперсии (более 85%) приходится на
первые собственные векторы автокорреляционных матриц
B\eii (<fk, (fi); (фл, <pz) и В,вцц (tfk, ф/). Имеет место высокая
корреляция (0,99) между коэффициентами разложения по перво-
му вектору соответствующих матриц и логарифмом коэффициента
рассеяния 1g ор Установленная зависимость позволяет для вос-
становления ц(ф), их (<р), цр (ф) (как полных значений, так н
аэрозольных) воспользоваться однопараметрической зависимо-
стью между угловыми характеристиками и величиной <тр (или
Sm):
Igpifaj=A(q)lgo+lgC(q). (3.5)
На рис. 3.20,а представлена угловая зависимость коэффициен-
тов корреляции между 1g ц и Igo, а на рис. 3.20,6 и в — эмпири-
Рис. 3 20. Угловая зависимость коэффициентов однопараметрнческой модели (3.5Х
для различных измерительных сезонов:
/— 1975 г , II— 1976 г.; Ш— 1977 г.
76
ческнх коэффициентов К и 1g С уравнения (3.5) для сезонных
ансамблей коэффициентов направленного рассеяния воздуха. Из
(3.5) следует, что связь нормированной индикатрисы рассеяния с
коэффициентом рассеяния может быть представлена в следующем
виде:
f (ср) =C((f)oPK<<F>_*. (3.6)
Угловой ход /С(ср) характеризует меру изменчивости индикат-
рисы рассеяния при изменении замутненности атмосферы. Одной
из причин изменения формы индикатрисы рассеяния с ростом ор
является уменьшение влияния индикатрисы молекулярного рассе-
яния, вклад которой существенно различен для разных углов
рассеяния <р.
На рис. 3.21 приведена рассчитанная по экспериментальным
данным средняя зависимость цн/ца от Sm для нескольких углов
рассеяния. Рисунок 3.22 на примере I и II ансамблей иллюстри-
рует различия между коэффициентами К ((f) и Ла(<р). Из приве-
денных данных следует, что изменяющийся вклад молекулярной
индикатрисы в заметной степени определяет динамику изменения
формы индикатрисы с ростом коэффициента рассеяния. В то же
время и для аэрозольных индикатрис при <р = 5... 25° и 50... 175°
значения коэффициентов Х(<р) заметно отличаются от 1, что так-
же свидетельствует об увеличении вытянутости р2(<р) и fa(<p) с
ростом Ср, ио теперь это обусловлено именно изменением микро-
физических параметров аэрозоля при возрастающей замутнепно-
сти атмосферы.
Проведенный статистический анализ коэффициентов направ
ленного рассеяния в сезонных ансамблях показал, что для дымок
прибрежного района существует возможность построения одно-
параметрической модели. В то же время отмеченные различия
Рис. 3.21. Соотношение вклада
молекулярной и аэрозольной
составляющих в угловое рас-
сеяние
Рис. 3.22 Угловая зависимость
коэффициента линейной рсгрес
сии для различных измеритель
них сезонов:
/ — 1975 г.; // — 1976 г. (сплошные
линии при учете молекулярного
рассеяния, штриховые — Лез его
учета)
77
эмпирических коэффициентов уравнений линейной регрессии К(ф),
С(<р) для разных сезонов наблюдений поставили вопрос об оп-
тимальном выборе их количественных значений, которые можно
было бы рекомендовать для практического применения. Для оцен-
ки наиболее общих статистических свойств (т. е. выходящих за
рамки отдельных измерительных сезонов) коэффициентов на-
правленного рассеяния была сформирована «генеральная сово
купность» (ГС), в которую были включены только «разные» уг-
ловые зависимости, полученные во всех трех измерительных се-
зонах. При отборе измеренных характеристик в ГС были учтены
имеющиеся представления о временной изменчивости оптических
свойств аэрозоля и возможной величине ошибок измерения.
В табл. 34 приведены рассчитанные для ГС средние значения
логарифмов коэффициентов направленного рассеяния воздуха и
аэрозольной составляющей. Здесь же даны средние значения ло-
гарифма нормированной аэрозольной индикатрисы рассеяния
Как видим, для средних условий прибрежного района молекуляр-
ное рассеяние достаточно сильно влияет на значение измеряемого
коэффициента направленного рассеяния, что определяет необходи-
мость его учета при проведении энергетических оценок н анали-
зе чисто аэрозольных характеристик рассеянного излучения
Для опенки влияния молекулярного рассеяния на формирова-
ние коэффициента направленного рассеяния введен параметр
Г(ф)- ЛЦЕ _J
И/? (<₽)
Таблица 3.4
ф° •к и(ч> la ца«г) 1g Га(ф) Г ((f) ЧДф)
5 —0,7022 —0,7064 0,0974 174^8 0.044
7 —0,7881 —0,7931 0,0106 139,6 0,072
10 —0.8899 —0,8870 —0.0883 114,2 0 113
15 —0,9933 —1,0012 —0,1975 90,0 0,207
20 —1,0912 —1,1008 —0,2э71 72,5 0,302
25 — 1,1894 —1,2008 —0,397 57,8 0,396
30 —1,2915 —1,3050 —0,5013 46,0 0,483
35 —1,3968 — 1,4129 —0,6092 36,4 о; 561
45 —1,6161 —1,6393 —0,8361 23,1 0,688
50 —1,7229 —1.7508 —0,9471 18,7 0 736
70 —2,1278 —2,1841 —1,3804 8,5 0,857
90 —2,4091 —2,5096 — 1,7059 4,5 0,916
100 —2,4906 —2,6196 — 1,8159 3.4 0,934
ПО —2,5416 —2,7056 —1,9018 2,6 0,948
120 —2,5527 —2,7475 —1,9438 2,12 0,960
130 —2,5385 —2,7570 — 1,9533 1,85 0,970
140 —2,5036 —2,7324 —1,9286 1,75 0 979
150 —2,4603 —2,6873 —1,8836 1.75 0,987
160 —2,4072 —2,6203 —1,8166 1,89 0,994
165 —2,3773 —2,5792 -1,7753 2,02 0,996
170 —2,3420 —2,5294 — 1 7257 2,21 0,998
78
который по аналогии с известным в литературе интегральным
параметром будем называть фактором мутности. Величина В (гр)
характеризует, во сколько раз аэрозольная составляющая превы-
шает вклад молекулярного рассеяния в коэффициент направлен-
ного рассеяния при угле <р. Среднее значение /((f), рассчитанное
по генеральной совокупности, приведено в табл. 3.4.
Для различного рода энергетических расчетов удобной харак-
теристикой является интегральная индикатриса рассеяния
<р
J р (ф) sin <р d ф
т](ф)= ------------ • (3.7)
J ц(ф)ЯПф4/ф
1 °
Интегральные индикатрисы рассеяния, характеризующие соот-
ношение между долей энергии, рассеянной в интервале углов о~
О до <р, и всей рассеянной энергией, были предложены авторами
в [69] и в настоящее время нашли широкое применение при ре-
• шепии уравнения переноса радиации в рассеивающих средах ме-
тодом Монте-Карло. Средние значения ц(<р) даны в табл. 3.4.
Анализ статистических характеристик показывает, что для ге
нсралыюй совокупности коэффициентов направленного рассеяния
I так же, как и для сезонных ансамблей, существует тесная корре-
ляционная связь между lg ц (<р), lgfia((f>) и 1g пР, а также 1g оа с
м коэффициентами разложения С] по первому собственному векто-
ру автокорреляционных матриц BL(tpk, (pi) и BLa (фд, <pi). На
рис. 3.23. приведены корреляционные диаграммы 1g ц(ф)-^lg <тР,
а также С -*->IgoP, из которых следует, что в первом приближении
для lgp((p), lgpa((p) и 1gор справедливы соотношения типа (3.5).
На рпс. 3.24 приведена нормированная корреляционная матрица
•^a((ffc, ф|) для аэрозольных коэффициентов направленного свето-
. рассеяния Эмпирические коэффициенты уравнений линейной рег-
рессии (3.5) для lgfi((f) и lga(qp) приведены в табл. 3.5. Здесь же
' даны значения среднеквадратпческих отклонении точек от регрес-
сионной прямой 6(ф) и ба ((f), которые позволяют оценить сред-
it нюю ошибку восстановления lgfi((f) и lgpa((f) по Igo. Средне-
квадратпческпе отклонения 6((f) и 6. ((f) минимальны в области
углов рассеяния <р«35° и заметно больше для углов, близких к
направлению вперед (р«5° и назад ф~170°. Точность восстанов
ления аэрозольных коэффициентов направленного рассеяния в
области углов (р>70° несколько ниже, чем lg р ((f).
На рис. 3.25,0 и б приведены кривые угловой зависимости сред-
ней относительной ошибки восстановления коэффициента направ-
ленного рассеяния Др. для сезонных ансамблей и средпеквадра-
тичсского отклонения ошибок восстановления р(ф). Коэффици-
енты направленного рассеяния восстанавливались в логарифми-
ческом масштабе, а расчет ошибки восстановления проведен для
линейного масштаба р(ф)
79
С,
1.8
1,6
1.2
1,0
0,8
0.6
O.k
0.2
О
-0,2
-O.k
-Ofi
-0.8
-1.0
-1,2
-1.8
-1.6
-1.8
lg/U 'в
-0.2
-0.8
-0.6
-0.8
-'.О
-1.2
-1.8
-1.6
-1.8
lg<5e
-2.2
-2.8
-2,6
-2.8
-3,0
Рис. 3.24. Нормированная корре-
ляционная матрица коэффициента
направленного светорассеяния
Видим, что количествен-
ные характеристики однопа-
раметрической модели,полу-
ченные для всей совокупно-
сти, позволяют восстанавли-
вать |т(<р) в сезонных ансам-
блях со средней ошибкой по-
рядка ±25% при углах рас-
сеяния ср ^5° Минимальная
дисперсия ошибок восстано-
вления для различных ан-
самблей при <р « 30... 45°
Рис. 3.23. Степень корреляции между
значениями коэффициентов ц(<р), СЗ (<р)
п ог
подтверждает возможность
использования данных углов
для оценки коэффициентов
рассеяния нефелометриче-
ским способом. Что касается углов рассеяния, близких к направле-
нию вперед, то обеспечить их восстановление с приемлемой точно-
стью в рамках однопараметрической модели не удается. Для оценки
коэффициентов направленного рассеяния в данном диапазоне уг-
лов, как отмечено в [44], необходимо измерить его значение по
крайней мере для одного пз углов в области ореольной части
индикатрисы.
Ниже приведены результаты расчетов различных параметров
угловых характеристик рассеяния, полученные в рамках однопа-
раметрической модели. На рис. 3.26 показано изменение формы
аэрозольной индикатрисы рассеяния с ростом коэффициента рас-
сеяния. С изменением коэффициента рассеяния и полная (кри-
вая /), и аэрозольная (кривая 2) индикатрисы существенно вы-
тягиваются в направлении вперед (Д = 10... 120; Ла = 20... 115). На
рис. 3.27—3 29 приведены зависимости 1g/а (ср), f’(q) и ца(<р) со-
ответственно, рассчитанные для двух значений метеорологической
дальности видимости —50 и 5 км. Видим, что при увеличении
коэффициента рассеяния существенно трансформируется форма
80
рис. 3.25. Средние погреш-
ности восстановления инди-
катрисы рассеяния по одно-
параметрической модели для
различных измерительных
сезонов:
I - 1975 г.; // — 1976 г.; 1Н —
1977 г.
Л
нормированной аэрозольной индикатрисы рассеяния (см. рис.
3.27). Увеличение коэффициента рассеяния от ор = 0,078 км-1
(Sm=50 км) до ор=0,78 км-1 (Sm=5 км) приводит к практически
100%-ному изменению нормированной индикатрисы fa ((f) при уг-
лах рассеяния <р» 15° и ерл; 140... 170е. Из угловой зависимости
фактора мутности F(<p) (см. рис. 3.28) следует, что при Sm=5 км
молекулярное рассеяние даже в области минимума индикатрисы
дает не более 15% вклада в суммарный коэффициент направлен-
ного рассеяния, в то время как при Sm = 50 км и ср ~ 120... 160°
этот вклад близок к аэрозольному.
Таблица 3.5
ч К «7) 1g с«г) 6(4 ) Ка(<г> 1g <-'(<₽) ва(ч>)
5 1 ,22 0,230 0,1565 1,14 0,2062 0.1574
7 1,26 0,1794 0,0888 1,18 0,1549 0,1011
10 1,30 0,1172 0,0781 1,22 0,0929 0,0795
15 1,33 0,0266 0,0654 1,25 0,0035 0,0668
20 1,31 —0,0911 —0,0614 1,23 —0,1122 0 0619
25 1,24 —0,2428 0,0488 1,17 —0,2614 0,0503
30 1,16 —0,4040 0,0431 1,10 —0,4200 0,0444
35 1 ,06 —0,5822 0,0291 1,02 —0,5955 0,0402
45 0,91 —0,9227 0,0505 0,88 —0,9313 0,0524
50 0,82 — 1,0935 0,0559 0.81 —1,1017 0,0588
70 0,65 — 1,6328 0,0711 0,68 — 1,6407 0,0799
90 0,56 —1,9769 0.0708 0,65 —1,9866 0,0890
100 0.56 —2,0778 0,0710 0,66 —2,0859 0,0961
110 0.52 —2,1430 0,0715 0.69 —2,1474 0,1062
120 0,50 —2,1715 0,0700 0,71 —2,1736 0,1151
130 0,49 —2,1656 0,0666 0,71 —2,1659 0,1137
140 0,49 —2,1265 1,0654 0,75 —2,1293 0,1164
150 0.48 —2.0914 0,0649 0,73 —2.1011 0,1132
1Г>0 0,48 —2,0373 0,0608 0,71 —2,0486 0,1138
165 0 48 —2,0072 0,0705 0,77 —2,0182 0,1143
170 0,47 — 1,9834 0,0793 0,66 — 1,9965 0,1277
81
Рис. 3.26. Изменение ко
эффицпснта вытянутости
индикатрисы в зависи-
мости от сг₽:
1 для аэрозольных; 2 —
для полных индикатрис рас-
сеяния
ig^.’
Рнс. 3.27. Угловые характерис-
тики рассеяния но одиопара-
метрической модели:
/—Sm—5 км; 2 — 8т—50 км
Рис. 3.28. Соотношение аэро-
зольного п молекулярного рас
сеяний:
Рнс 3.29. Интегральная индикатриса по
одиопараметрической модели:
1 — Sm—5 км. 2 — Sm—50 км
/ - 8м-5 км 2 — Sm=$$ км
Влияние метеорологических параметров атмосферы на угловые
характеристики рассеянного излучения
Известно, что состояние атмосферного аэрозоля определяется
совокупным действием сложного комплекса географических, синоп-
тических и метеорологических факторов. Значительные трудности
раздельного изучения действия этих процессов в реальной атмос-
фере связаны с тем обстоятельством, что зачастую они пронсхо
дят одновременно, либо усиливая, либо существенно ослабляя из
82
менчивость оптического состояния атмосферы, а возможности ап-
паратурного контроля влияния того или иного фактора в настоя-
щее время крайне ограниченны.
В приближенных условиях, кроме того, возникает ряд специ-
фических трудностей, связанных с тем, что море, являясь источ-
ником аэрозольных частиц, в значительной степени воздействует
и па формирование метеорологической обстановки прибрежного
района. Например, при ветре с моря помимо выноса на континент
аэрозольных частиц морского происхождения, как правило, проис-
ходит накачка в прибрежную зону влажного воздуха, что приво-
дит к повышению относительной влажности. В этом случае изме-
нения оптических параметров атмосферы, происходящие под воз-
действием паров воды, легко могут быть интерпретированы как
характерные особенности морского аэрозоля и, наоборот, измене-
ния, которые обусловлены заменой континентальных частиц морс-
кими, могут быть отнесены на счет влияния изменения влажности
воздуха Наличие особенностей ветрового режима в прибрежном
районе в виде бризов также приводит к существенным затрудне-
ниям интерпретации действия того или иного фактора. С учетом
указанных обстоятельств были проведены исследования влияния
относительной влажности воздуха и ветрового режима прибреж-
ной зоны на угловые характеристики рассеянного излучения. Под-
робно результаты этих исследований, выполненных с участием ав-
торов, описаны в [70—79]. Здесь будут приведены основные ре-
зультаты, использованные нами в дальнейшем при оценке влияния
атмосферы на работу лазерных створных маяков.
Однопараметрическая модель, в основе которой лежит сущест-
вование линейной связи между lgp(<p) и 1g оР, отражает тот факт,
что с изменением коэффициента рассеяния (т. е. в среднем с из-
менением относительной влажности воздуха г) наблюдается зако-
номерная трансформация параметров формы индикатрисы рассея-
ния.
На рис. 3.30 приведена зависимость ор от относительной влаж-
ности воздуха. Однако более высокие коэффициенты рассеяния,
как правило, наблюдаются при более высоких значениях относи-
тельной влажности. Наглядно эту закономерность иллюстрирует
рис. 3.31, на котором приведены рассчитанные для объемного ан-
самбля частоты повторяемости заданных коэффициентов рассея-
ния в зависимости от относительной влажности воздуха.
Из рис. 3.30 и 3.31 следует, что заданному значению оР соот-
ветствует определенная средняя относительная влажность возду-
ха. Следовательно, в однопараметрическом представлении угло-
вые характеристики, восстановленные для разных коэффициентов
рассеяния, соответствуют различным значениям относительной
влажности воздуха. Более того, оказалось что с повышением за-
мутненное™ атмосферы изменяются характер и степень связи
формы индикатрисы рассеяния с относительной влажностью воз-
духа.
83
6р, км'
о
о
Рис. 3 30. Связь коэффициента рассеяния ор с относительной влажностью воз-
духа г (Х=0,54б мкм)
Рис. 3.31. Частота
повторяемости значений коэффициента рассеяния оР в зави-
симости от влажности воздуха г
84
Для анализа влияния г на форму индикатрисы рассеяния вос-
пользуемся параметром Да, который не зависит от концентрации
частиц. При высокой прозрачности атмосферы относительная
влажность практически не влияет па вытянутость индикатрисы
(рис. 3.32,а). При дальнейшем повышении замутненное™ вытяну-
тость индикатрисы с ростом относительной влажности воздуха
увеличивается (рис. 3.32,6). И, наконец, для условий сформировав
шейся достаточно плотной дымки связь формы индикатрисы с от-
носительной влажностью воздуха наблюдается вполне отчетливо
Рис. 3.32. Связь асимметрии индикатрисы рассеяния с относительной влажно-
стью воздуха при различной замутнеиности атмосферы (Л=0,546 мкм):
а — Ор<0,1 км-1; б —0,1^Ор<0.2 км •; в — ар>.0.2 км-1
85
Рис. 3.33. Усредненные значения
нормированной индикатрисы рас
сеяния (А — 0,546 мкм; с
5:0.15 км *):
/-1—50.60%; 2 —г-70 75%;
г-8( ...84%; 4 — г=90 ..93%
Рис 3.34 Усредненные значения
угловой зависимости степени по-
ляризации-
/ — т=50 ... 60%; 2 —г=70 ... 75%. 3-
г-81 ...84%; 4 —1—90 . 93%
з —
и
во всем
(рис. 3.32,в). Следует отметить, что
зависимости, полученные в разные
сезоны в условиях плотных дымок
(<Тр^0,2 км-1), сравнительно хоро
шо согласуются.
Таким образом, использование
линейного уравнения регрессии
интервале наблюдаемых данных, во
•первых, усредняет истинную динамику трансформации формы ин
дикатрисы рассеяния, а во-вторых, при таком представлении осо
бую роль в массиве экспериментальных данных приобретают ре-
зультаты, полученные для условии плотной дымки, когда наблю-
дается существенная зависимость формы индикатрисы от относи-
тельной влажности воздуха. Факт увеличения вытянутости инди-
катрисы рассеяния с ростом относительной влажности известен из
целого ряда работ (см., например, [80, 81]). Однако авторы этих
работ не проводили градацию данных по диапазону коэффициен
та рассеяния, что усложняет сравнение результатов. В то же вре
мя в [82] показано, что при высокой прозрачности атмосферы ус-
тановить единый характер изменения лидарного отношения от от
носителыюй влажности затруднительно, так как имеет место
большая неоднозначность в этой зависимости, а при повышении
-замутненности ход лидарного отношения от г просматривается
вполне отчетливо.
На рис. 3.33 приведены усредненные по диапазонам значении
г нормированные индикатрисы fa (<р), а на рис. 3.34 — компоненты
приведенной матрицы рассеяния fn(<f). С ростом относительной
влажности воздуха значения нормированной индикатрисы увели-
чиваются при ф<5...30° и уменьшаются при <р>40°. Наиболее за
мстныс изменения нормированной индикатрисы наблюдаются в об-
ласти ее минимума, т. е. при 120°.
Рост относительной влажности воздуха приводит к уменьшению
/а2|(т) при всех значениях углов рассеяния. При изменении влаж
8b

Ьости от 50 до 90% величина /а2[ (110°) уменьшается от 0,5 до 0
а угол <р, при котором fa2i(<p) становятся отрицательными, умень-
шается от 160 до 140°. Отрицательные значения fa2I-(<p) в области
больших значений углов рассеяния достигают —0,2 при гл*80%.
Очевидно, что обеспечить точный учет подобных изменении yi-
довых характеристик рассеяния в рамках однопараметрической
линейной модели весьма затруднительно. Поэтому для того, что-
бы использовать зависимость аэрозольных угловых характеристик
от относительной влажности воздуха при восстановлении, были
определены нормированные индикатрисы, усредненные в следую-
щих диапазонах значений относительной влажности воздуха. г=
= 40(10), 60(5), 75(3), 93%. Эти диапазоны выбирались с учетом
динамики измерения индикатрисы рассеяния и точности опреде-
ления значений г стандартными методами.
Сущность предлагаемой двухпараметрической методики вос-
становления аэрозольных коэффициентов направленного рассея-
ния заключается в следующем. Для восстановления аэрозольной
нормированной индикатрисы рассеяния при известной в нужном
диапазоне относительной влажности воздуха выбирается усред-
ненная индикатриса рассеяния |а(ф, г). Привязка коэффициента
направленного рассеяния в абсолютных единицах осуществляется
пропорционально коэффициенту рассеяния, который может быть
определен либо непосредственным измерением, либо измерением
р.(фн) (где -фн — нефелометрический угол) или Sm.
Проведенные оценки точностных характеристик модели пока-
зали, что применение двухпараметрической модели для оценки
[коэффициентов направленного рассеяния дымок прибрежного рай-
она позволяет улучшить точность восстановления аэрозольных ко-
эффициентов направленного рассеяния в среднем на 5.. 10% по
сравнению с однопараметрической моделью.
Результаты анализа влияния ветрового режима показали, что
при достаточной замутненности атмосферы в условиях различных
ветровых режимов основной причиной качественных изменений уг-
ловых характеристик в дымках прибрежного района является из-
менение относительной влажности воздуха. Достоверных различий
в характере трансформации параметров формы индикатрисы при
Ф=15... 165° для различных ветровых режимов не обнаружено.
Специфические особенности в зависимости от направления ветра
обнаруживаются при углах, близких к направлению вперед, н от-
части при <р>170° Следует отметить, что с повышением замутнеп-
ности атмосферы эти различия уменьшаются. Это позволяет для
восстановления индикатрисы рассеяния воспользоваться единой
зависимостью ее формы от относительной влажности воздуха.
Относительно влияния метеорологических факторов на микро-
физические параметры дымки прибрежного района, установленно-
го на основе их оптических проявлений в области исследованных
Углов рассеяния, можно сделать следующие качественные выводы.
С увеличением относительной влажности воздуха происходят ук-
К
рупнепие рассеивающих частиц и уменьшение показателя прелом
лепия. Этот вывод находится в полном согласии с имеющимися
представлениями о влиянии относительной влажности на частицы
атмосферного аэрозоля. При этом вне зависимости от ветрового
режима основная доля субмнкронных частиц прибрежного района
подвержена влиянию влажности по крайней мере с г—40... 50%.
В предположении, что функция распределения частиц по раз-
мерам описывается логнормальным распределением с дисперсией
S2 = 0,5, оценки изменения модального параметра дифракции р0
дают следующие результаты: ро~0.3 (при гл; 55%) и ро«1 (при
г ^90%). При этом показатель преломления при низких значени-
ях г близок к п— 1,5, с ростом влажности п стремится к показа-
телю преломления воды.
Угловые характеристики, рассчитанные для сред с логнормаль-
ным распределением частиц по размерам с определенными выше
параметрами, достаточно хорошо соответствуют наблюдаемым дан
ным в средней области углов рассеяния, по расходятся с экспери-
ментальными данными, полученными в слабых дымках, а также в
области ореолов индикатрисы и в области углов рассеяния, близ-
ких к направлению назад. Это расхождение обусловлено более
высоким содержанием в атмосфере прибрежного района частиц,
имеющих размеры а>1 мкм, по сравнению с тем, которое харак-
терно для логнормального распределения.
Глава 4
СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ
УСТРОЙСТВ ориентирования
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время описано значительное количество лазерных
устройств с различными принципами действия предназначенных
для решения задач ориентирования в пространстве движущихся
объектов. Подавляющее большинство сведений о разработке и
применении лазерных средств навигационного оборудования отно-
сятся к маякам для обеспечения судовождения, которые по функ-
циональному назначению можно разделить на круговые, сектор
ные и створные [83].
Круговые маяки обеспечивают видимость огня с любого нап-
равления. Секторные маяки используются для обозначения опас
ных и безопасных для плавания районов Они формируют один
или несколько секторов, отличаются по цвету, частоте или дли
тельности следования огня. Створные маяки в отличие от сектор*
ных имеют более узкую центральную зону, параметры которой
должны поддерживаться в течение длительного времени с доста
точно высокой точностью Выполнение такого требования при ис-
пользовании в маяках обычных источников света связано с боль
88
шими техническими трудностями. Поэтому применение лазеров е
визуальных СПО началось с разработок створных маяков.
Из лазерных систем обеспечения посадки самолетов в литера-
туре описана лишь система «Глиссада» [84].
Рассмотрим кратко способы построения лазерных средств на-
вигационного оборудования, реализованные в известных устрой-
ствах.
4.1. ОРИЕНТИРОВАНИЕ ПО РАССЕЯННОМУ
АТМОСФЕРОЙ ИЗЛУЧЕНИЮ ОТ НЕПОДВИЖНОГО
ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
Лазерный луч обладает высокой направленностью и большой
плотностью энергии, поэтому он способен донести ее на большие
расстояния. Распространяясь в атмосфере, часть энергии лазер-
ного излучения рассеивается на молекулах газов, частицах аэро-
золя, а также на неоднородностях, вызванных турбулентным дви-
жением воздуха. Это обстоятельство дает возможность создавать
визуальные и инструментальные устройства ориентирования по
одному или нескольким лазерным лучам, определенным образом
направленным в пространстве.
Визуальные устройства. Лучевой лазерный створ, основанный
на наблюдении лазерного пучка, направленного над осью створа
под небольшим углом к горизонту, испытан в 1972 г. центром бе-
реговой охраны США в Громане. В качестве источника излучения
использован ионный лазер с выходной мощностью 1 Вт, рабо-
тающий в дискретном режиме: 0,1 с — излучение: 0,6 с — пауза.
Коллимированный лазерный пучок диаметром 23 см проходил
над осью створа на высоте 30,5 м. В результате натурных испыта-
ний установлено, что лучевой лазерный створ обладает исключи-
тельной чувствительностью и позволяет проводить суда на всем
протяжении канала с точностью 1 м. Однако лазерный пучок не
наблюдался в дневное и с большим трудом обнаруживался в су-
меречное время.
Аналогичное по способу ориентирования устройство описано в
заявке Франции [85]. Устройство включает две лазерные уста-
новки, генерирующие пучки, направленные вдоль бровки канала,
предназначенного для введения корабля в сухой док.
Широкую известность получила разработанная в СССР лазер-
ная курсоглиссадная система посадки самолетов «Глиссада». В
системе использованы принцип проективной геометрии и явление
рассеяния лазерного излучения в атмосфере, за счет которых лет-
чик визуально воспринимает комбинацию лучей в виде символа,
определяющего положение самолета относительно посадочной
траектории и точки приземления. Оборудование системы «Глисса-
да» может состоять из разного количества лазерных маяков, в за-
висимости от задач, решаемых на конкретном аэродроме, но, как
Правило, включает курсовой, глиссадные, маркерные маяки, а так-
же маяки, отмечающие боковые границы ВПП
89
Рис 4 1. Схема размещения лазерных маяков системы «Глиссада» па ВПП
(БПРМ п ДПРМ — соответственно ближний и дальний приводные маяки)
На рис. 4.1 приведена схема размещения лазерных маяков сне
темы «Глиссада» при обеспечении захода на посадку с одного на-
правления. На рис. 4.2 приведены визуалыю наблюдаемые летчи-
ком комбинации лазерных лучей в зависимости от пространствен
ного положения самолета относительно глиссады снижения и
курса.
Испытания системы в аэропортах показали, что она проста в
использовании и позволяет летчику в ночное время выдерживать
параметры полета при посадке с высокой точностью. По измене
нию пространственного положения лучей лазерных маяков летчик
замечает линейные отклонения от посадочного курса и глиссады
в пределах до 1 м. В системе «Глиссада» используются He-Ne-ла
зеры или криптоновые непрерывного действия с мощностью излу
чения от 50 мВт до одного и более ватт.
На основе системы «Глиссада» было разработано створное
устройство для обеспечения ориентирования судов. Устройство
Рис. 4.2, Визуальное восприятие летчиком лучей системы «Глиссада» в зависи
мости от положения самолета в коридоре ориентирования
90
укомплектовано тремя разнесенными в пространстве лазерами^
два из которых призваны обозначить границы створа, а централь-
ный — его осевую линию. Испытания створа, установленного в
1979 г. на одном из мостов через реку Неву в Ленинграде, показа-
ли высокую чувствительность и наглядность его работы.
Инструментальные устройства. Определенный интерес для ре-
шения навигационных задач представляют приборы, позволяющие
определять траекторию распространения луча. Способ построения
навигационного устройства, реализующего указанную возмож-
ность, разработан в ИОА СО АН СССР и описан в [86].
Как известно, положение в пространстве линии задается точ-
кой и направляющим вектором, связанным выражением
(X-xt)/a = (Y-yt)/b = (Z-z,)/c,
где х, у, z — координаты точки, через которую проходит линия
визирования, а, Ь, с — составляющие вектора, пропорциональные
направляющим косинусам.
На рис. 4 3 приведены схема устройства, позволяющего опре-
делить траекторию распространения луча лазера по способу кру-
говых линий визирования. Устройство имеет фотоприемник с ма-
лым углом поля зрения, укрепленный на оси вращения так, что
его оптическая ось составляет с осью вращения угол а. Когда луч
лазера попадает в поле зрения фотоприемника, на его выходе по-
является сигнал и блок выделения сигнала выдает импульс на
блок измерения угла.
Рисунок 44 поясняет порядок определения составляющих на-
правляющего вектора линии визирования г.о данным измерителя
угла поворота в момент попадания излучения на фотоприемник.
Если ось поля зрения фотоприемника совпадает с направлением 5
и составляет с осью вращения фотоприемника угол а, то при ус-
ловии с=1 составляющие направляющего вектора a=tga; 6 =
=tgasin <р.
Устройство, описанное в [86], дает возможность обеспечить-
ориентирование судов в прибрежной зоне как по прямолинейным,
Рис. 4 3. Схема устройства определе
иия траектории распространения лу
ча способом круговых линий визиро
вапия:
1 ~~ объектив: 2 —диафрагма- 3 — чувства-
тельный элемент
Рпс. 4 4. Схема определения состав-
ляющих направляющего вектора ли-
нии визирования
91
Рис. 4 5. Принцип рабо
ты двухлучевого створа
так и сложным траекториям, а также определить удаление от бе-
рега и скорость судна.
Для обеспечения проводки судов по слежным траекториям из
точки L (рис. 4.5) под углом а в пространство ориентирования на-
правляются два луча. Для определения местоположения судна,
находящегося в точке А, необходимо определить расстояния от
точки до лучей. Траекторию движения судна можно задать соот-
ношениями АВ[ВС. Измеренное таким образом расстояние между
лучами позволяет определять удаление судна от точки L
На рис. 4.6 приведена схема устройства ориентирования, сос-
тоящего из радиопередатчика /, синхрогенератора 2, лазера 3 и
расположенных на судне попарно вдоль оси X на некотором базо-
вом расстоянии Хс, (рис. 4.7) датчиков круговых линий визирова-
ния 4... 7, вычислителя 8 и приемника радиосигнала 9. Луч лазе-
ра распространяется под углом 0 к поверхности моря.
Схема, поясняющая работу устройства, приведена на рис. 4.7
Линии визирования датчиков /, 2 и 3, 4 задают плоскости, прохо-
дящие через луч. Линия пересечения плоскостей определяет тра-
екторию распространения луча. Координаты луча определяются
следующими выражениями:
у Vc y__ ________Ха_______
! _ (bi — b2) (а3 — а4) ’ Qi —а2 _ ая ~
(«1—о2)(63 —64) bt — b2 b3—b4
tg₽ =
(а, — Hj) (а, b2 — аг bj)
(а3—а4) (а3 Z?4—at b3)
fa-b^ (а2—ax)
(fc3—bt) (а4—a3)
где x, у — координаты точки пересечения луча с плоскостью XOY,
которые определяют: X — отклонение судна от луча; У — высоту
луча над поверхностью моря; величина 0, определяющая курс суд-
на относительно луча, равна углу между осью Z и проекцией лу-
ча на поверхность моря; (яь Ь,), (а2Ь2), (йз, Ь.ч) и (я4, bt) — сос-
тавляющие направляющих векторов 1 ...4 датчиков круговых ли-
ний визирования.
Составляющие скорости судна вдоль осей X и Z определяют-
ся выражениями
vx=dxjdt и vz = dzldt,
где
z= 0 (я2—«О / (<4— «1) («1 Ь2~ «г Ь1}
*б(^3—(й4—а3) / (я»—а3)(а3 bt—а*Ь3)
Полная скорость судна равна и= Vv2x + v2z-
Удаление судна от берега является функцией h и определяется
выражением L = hltg®. При больших дальностях в последнее вы-
ражение необходимо вводить поправку на сферичность Земли.
Точность ориентирования с помощью описанного устройства
зависит главным образом от ошибки измерения угла линии визи-
ровапия. Расчеты показывают, что при условиях, когда /г = 500 м
и Хб=Ю м, абсолютная ошибка в определении координат при
удалении судна от луча до 700 м не превышает 4 м.
Устройства, реализующие способы ориентирования по рассеян-
* ному атмосферой излучения от лазерного луча, обладают рядом
принципиальных недостатков, которые ограничивают их исполь-
I зование в практике. Эти недостатки обусловлены физической при-
родой явления рассеяния.
Контраст между яркостью распространяющегося в атмосфере
(луча, обусловленный расеянием, и фоном, на котором луч наблю-
* дается, достигает пороговых значений лишь в темное время су-
ток. При этом в сумерках луч виден только под углами, близкими
к направлению его распространения, при которых, как отмечалось
в гл. 2, интенсивность рассеянного света относительно велика. С
увеличением угла наблюдения интенсивность рассеяния резко па-
дает и, следовательно, уменьша-
ется расстояние, с которого воз-
можно наблюдать луч. Это обсто-
ятельство ограничивает возмож-
ность обозначения достаточно ши-
роких зон ориентирования. Днем
лучевые визуальные лазерные
устройства неработоспособны.
Существенным недостатком
также является то обстоятельст-
во, что в условиях пониженной ви-
димости в силу неблагоприятных
условий переноса контраста про-
тяженных источников света даль-
ность действия лучевых устройств
относительно невелика. Даже в
Рис. 4.7 Принцип работы устрой-
ства ориентирования по лучу
93

условиях среднего по плотности тумана (Sm^ 1,2 км) резко сокра-
щается длина наблюдаемых лучей, за счет рассеяния значительно
увеличивается их диаметр, в результате чего ухудшаются нагляд-
ность и точность ориентирования.
В ночных условиях существенным фактором, снижающим эф-
фективность использования лучевых навигационных устройств, яв-
ляется возможность появления в зоне действия устройств посто-
ронних источников света. Помехозащищенность лучевых лазерных
навигационных устройств сравнительно низка.
4.2. ОРИЕНТИРОВАНИЕ ПО ПРЯМОМУ РАСХОДЯЩЕМУСЯ
ИЗЛУЧЕНИЮ ОТ НЕПОДВИЖНОГО ЛАЗЕРНОГО
ИСТОЧНИКА
Один из способов ориентирования с помощью лазерного пучка
заключается в увеличении его естественной расходимости до тре
буемых угловых размеров, что даст возможность сформировать
нужное количество секторов ориентирования и промаркировать их
цветностью или характером действия огня.
В оригинальном лазерном створном маяке, испытанном в Ни-
дерландах [88], использован лазер на основе ионов Кг, позволяю
щий получать излучение в красной, желтой и зеленой линиях
спектра суммарной мощностью 300 мВт. Оптические элементы мая-
ка формируют три сектора ориентирования с различными цвето-
выми характеристиками: центральный желтого цвета с угловым
размером 0,5° и два боковых зеленого и красного цветов с угловы
ми размерами каждого 0,5° по углу места и 6° по азимуту. Место-
положение судна относительно осп канала определяется по цвету
наблюдаемого излучения.
Первые промышленные образцы лазерных светооптических ап-
паратов разработаны фирмой Dessa Surwey Limited. В 1972 г. бы
ли предложены модели MCZ10K и MCZ20K, имеющие ночную
дальность видимости 10 и 20 км соответственно. В этих образцах
светооптическнх аппаратов формируются два попеременно излу
чаемых лазерных пучка, которые, частично накладываясь друг на
друга, образуют три сектора: центральный и два боковых. Цент-
ральный сектор формируется непрерывным излучением, в одном из
боковых огонь наблюдается в течение 1,5 с и гаснет на 0,5 с, в
другом соответственно 0,5 и 1,5 с. Судоводитель считает проблес-
ки излучения и по их количеству определяет свое местоположение
относительно оси створа.
Три зоны с визуально отличающимися проблесковыми характе-
ристиками имеет лазерная створная установка ЛСУ-56 [89]. Она
содержит три Hc-Ne-лазера типа ЛГ-56 с выходной мощностью
излучения каждого 2 мВт. Лазерные пучки коллимированы до
расходимости 24 угл. мин. Центральная зона обозначена пучком
непрерывно работающего лазера. Два других лазера обозначали
боковые зоны, причем в одной 0.5 с — излучение и 0,5 с — пауза,
а в другой — соответственно 1,5 и 0,5 с. Во время испытаний вы
94
Рнс. 4.8. Схема светооптического
аппарата лазерного трехсекторпо-
го маяка
ясиено, что дневная дальность ви-
димости ЛСУ-56 составила 18 км
при S,n~20 км.
Способ ориентирования по рас-
ходящемуся лазерному излуче-
нию наиболее характерно пред-
ставлен в свстооптическом аппара-
те [90], в котором с помощью од-
ного лазера формируются три зо-
ны с различающимися проблеско-
выми характеристиками. Схема
светооптического аппарата представлена па рис. 4 8. Пучок излу-
чения от лазера / после прохождения цилиндрических линз 2 уве-
личивается в геометрическом сечении. С помощью модулятора 3,
находящегося на валу электродвигателя 4, боковые части пучка
перекрываются с разной частотой, в результате чего формируются
боковые предупредительные зоны створа А и В с отличающимися
но частоте проблесковыми характеристиками огня. В средней зо-
не С излучение не модулируется, здесь наблюдается постоянный
огонь. Линзы 5, 6, 7 формируют требуемые для конкретных усло-
вий угловые размеры зон ориентирования. Испытания данного
устройства с He-Ne-лазером, имеющим выходную мощность излу-
чения 10 мВт, проведены на акватории, прилегающей к порту Ар-
хангельск, в условиях дня и белой ночи. Результаты испытаний по-
казали, что предельная дальность видимости маяка при
»30 км составила 19 км
Представленные в данном разделе устройства, реализующие
способы задания зон ориентирования за счет увеличения естест-
венной расходимости лазерного луча, имеют ряд существенных не-
достатков. Прежде всего к ним следует отнести тот факт, что
предельная дальность видимости, которую они позволяют реали-
зовать в навигационных устройствах, будет существенно меньше,
чем видимость сигналов лазерного луча с естественной расходи-
мостью. Это обусловлено, как показано в гл. 2, следующими при-
чинами: уменьшением контраста яркости для лазерного пучка,
имеющего большую расходимость; снижением плотности мощности
излучения по сечению пучка; существенным увеличением потерь
на оптических элементах устройства, формирующих зоны ориенти-
рования
4.3. ЗАДАНИЕ ЗОН ОРИЕНТИРОВАНИЯ УЗКИМИ
СКАНИРУЮЩИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ПУЧКАМИ
Использование в навигационных устройствах лазерных источ-
ников излучения, обладающих естественной расходимостью в нес-
колько угловых минут, позволяет прежде всего решить задачу по-
вышения дальности обнаружения их сигналов в условиях пони-
женной видимости в атмосфере. Высокая направленность лазер-
ного излучения дает возможность создать зрительные СНО с боль-
95
шой точностью задания зон ориентирования, а высокие монохро-
матичность и спектральная яркость лазерного излучения позволя-
ют обнаруживать и опознавать их цвет на фоне посторонних све-
товых полей. С учетом изложенного были предложены способы
построения лазерных СПО со сканирующими пучками [91—93]
Визуальный способ, реализующий «бегущий огонь». По этому
способу с помощью маяков формируются четыре сканирующих в
вертикальной и горизонтальной плоскостях лазерных пучка, об-
разующих, как показано на рис. 4.9, четыре взаимоперекрываю-
щиеся зоны 7—IV, которые являются зонами ориентирования. Мая-
ки 1, 3 формируют основные пучки, маяк 2 — дополнительные
Основные пучки синхронно сканируют в горизонтальной плоское
ти в сторону оси капала, дополнительные — от оси навстречу ос
новпым, причем сканирование дополнительных пучков начинается
в момент, когда основные достигают середины зон 7—IV Частота
сканирования в горизонтальной плоскости выбирается такой, что-
бы обеспечить требуемую частоту обновления информации, а в
вертикальной плоскости — из соображений полного заполнения
излучением зоны ориентирования.
Такой порядок сканирования позволяет получить «бегущий
огонь» [91], являющийся критерием смещения с осевой линии и
воспринимаемый визуально как последовательность проблесков.
Причем направление движения «бегущего огня» и временной ин-
тервал между проблесками указывают па положение и величину
уклонения от осевой линии. Например, если наблюдатель находит-
ся в точке А, то сначала обнаруживается проблеск маяка 7, за-
тем — проблески маяков 2 и <3. Зрительно это воспринимается как
«бегущий» в направлении, указанном стрелкой, огонь. По осевой
линии «бегущий огонь» отсутствует и наблюдаются одновремен
ные проблески маяков 1 и 3.
Способ, реализующий увеличение чувствительности вблизи осе-
вой линии. Точность определения отклонения ориентируемого объ-
екта от курса при ориентации по «бегущему от ню» зависит от вре-
мени между появлением двух проблесков от маяков 7, 3 (см. рис
4.9). Если это время меньше или равно времени инерции ’зрения
то проблески регистрируются глазом как одновременные, что при
водит к ошибке в определении места положения судна относитель
но курса. Поясним сказанное с помощью рис. 4.10. Пусть судно
находится в точке А, удаленной па расстояние I от лазерных ска-
нирующих маяков 7 и 2. Определим расстояние I от оси канала, в
Рис 4.9. Способ, реализующий
«бегущий огонь»
Рнс. 4.10. Схема увеличения чувстви-
тельности вблизи осевой линии
пределах которого проблес-
ки маяков 1 и 2 будут вос-
приниматься навигатором
как одновременные ввиду
невозможности их временно-
го разрешения глазом. Из-
вестно, что время инерции
зрепия 0 существенно зави-
сит от яркости проблесково-
го сигнала и фона, на кото-
ром он наблюдается. При-
мем 0 = 0,05 с [83]. Дистанцию отклонения от осевой линии I, на
которой проблески маяков 1 и 2 по времени не разрешаются гла-
зом, можно определить через линейную скорость v движения луча-
l=vQ или /=(о/?0, где со — угловая скорость движения луча; R—
радиус от оси вращения до точки определения линейной скорости
(в данном случае Д = /г). Выражая угловую скорость со в градусах,
получаем
/=2л0<рЬ/36ОГ, (4 1)
где — угол сканирования в горизонтальной плоскости; Т — пе-
риод сканирования. Примем <р=15°, Г=1 с, £=1000 м, тогда
/±13 м, т. е. в этих пределах судоводитель «утверждает», что он
находится на осевой линии.
I Для протяженных узких каналов, характерных для Северного
морского пути, величину I необходимо уменьшать. Анализ выше-
приведенной зависимости показывает, что уменьшить I можно пу-
тем уменьшения ср и увеличения периода горизонтального скани-
рования Т. С учетом того, что диапазон изменения ср и Т ограни-
чен, предложен способ увеличения чувствительности вблизи осе-
вой линии [92], позволяющий устранить указанный недостаток
без изменения I и Т. По этому способу ска-пирование в горизон-
тальной плоскости осуществляется с переменной скоростью, при-
чем в его начале (от исходного положения) угловая скорость име-
ет максимальное значение, а вблизи осевой линии, где требуется
высокая точность курсоуказания, — минимальное.
Визуальный способ, реализующий разную цветность секторов
ориентирования. С помощью сканирующих лазерных пучков мож-
но задавать несколько частично перекрывающихся или наклады-
вающихся секторов ориентирования, заполняемых излучением с
разной длиной волны [93]. Приведем описание двух способов, по
которым формируются три и пять секторов ориентирования (пис.
4 Ц,а и б соответственно).
Сканирующий лазерный пучок красного цвета заполняет сек-
тор ориентирования I (см. рис. 4.11,а), а пучок зеленого цвета
сканирует сектор II. Сектор III перекрывает секторы I и II. В сек-
торе I наблюдаются проблески красного цвета, в секторе II — зе-
леного, а в секторе III — проблески красного и зеленого цветов.
Лазерный маяк, реализующий данный способ, может быть сектор-
В—147 97
Рис. 4.11. Способ, реализующий раз-
ную цветность секторов ориентиро-
вания
Рис. 4.12. Инструменталь-
ный способ с опорным вре
менся:
/ — лазерный сканирующий ма-
як; 2 — радиопередатчик
ным и створным, в зависимо-
сти от угловых размеров сек-
тора III.
В некоторых случаях нали-
чия трех секторов ориентирова-
ния недостаточно, возникает не-
обходимость в формировании
дополнительных секторов. Это достигается с помощью четырех ска-
нирующих лазерных пучков красного и зеленого цветов, задающих
пять зон ориентирования (см. рис. 4 11,6). Сектор /, сканируемый
лазерным пучком зеленого и красного цветов, является сектором ре-
комендованного курса. Секторы II и III, сканируемые излучени-
ем зеленого и красного цветов соответственно, — предупредитель-
ные, а секторы IV и V, дважды сканируемые излучением красного
и зеленого цветов, — запрещающие. В секторе I наблюдаются
проблески красного и зеленого цветов, в II — зеленого, в III
красного, в секторах IV и V — по два проблеска красного и зеле-
ного цветов соответственно.
Инструментальные устройства ориентирования по прямому из-
лучению сканирующих лазерных пучков В последние годы эти
устройства интенсивно разрабатываются в ряде стран. Наиболее
характерными устройствами, реализующими эти способы, явля-
ются системы Anglessan [94] и Polarfix [95].
Автоматическая система точного определения местоположения
судов в прибрежной зоне Anglessan была создана в университете
г. Хобарта (Австралия). Принцип работы системы заключается в
следующем Сигналы сканирующего маяка, размещенного па суд-
не, последовательно отражаясь от береговых рефлекторов, регист-
рируются на судне специальным устройством. Углы, получаемые в
результате регистрации отраженных сигналов, вводятся в микро-
ЭВМ, которая с учетом заранее введенных в нее координат рас-
положения рефлекторов па местности рассчитывает местополо-
жение судна. Вычисление нескольких траекторных точек позволя-
ет определять направление движения судна и его скорость.
Испытания опытного образца аппаратуры системы Anglessan,
проведенные в лондонском порту, показали, что с ее помощью су
да могут определять свое место с точностью до 0,1 м при удал*
нии до 1 км Ограничение дальности действия системы определи'
98
ется главным образом типом материала береговых отражателей.
Пластмассовые отражатели обеспечивают дальность до 0 5 км,
стеклянные — до 3 км.
В системе Polarfix применяется одна следящая станция, смон-
тированная на треноге и размещаемая на береговой точке с изве-
стными координатами. Для автоматического слежения за целью
используется луч лазера. С его помощью измеряются пеленг (ази-
мут) движущейся цели и расстояние до нее. При этом посланный
от следящей станции па цель лазерный луч отражается обратно
от призм, размещенных на мачте отслеживаемого судна.
Специалисты фирмы Krupp Atlas-Electronik отмечают, что сис-
тема Polarfix по сравнению с другими высокоточными системами
имеет следующие преимущества:
содержит только одну береговую станцию, что упрощает раз-
вертывание и эксплуатацию системы;
обеспечивает автоматическое слежение за целью;
сравнительно мало зависит от аномалий распространения эле-
ктро-магнитных воли;
позволяет практически мгновенно обрабатывать информацию.
Точность определения дальности системой составляет около
|±0,2м па 1 км измеренного расстояния, в то время как точность
по азимуту —0,01°. Результирующая ошибка в определении место-
положения па расстояниях около 1,3 и 5 км должна быть в пре-
делах 0,26 0 64, 1,04 м соответственно. При средних погодных ус-
ловиях дальность действия системы должна составлять около 3...
...5 км.
Автоматическое управление следящей станцией обычно осуще-
ствляется с отслеживаемого судна, оснащенного кроме призмы для
отражения сигналов лазера телеметрической антенной и блоком
передатчика-приемника с преобразователем для обработки вход-
ных данных.
Использование в визуальных системах ориентирования лазе-
ров, генерирующих излучение в видимой области спектра, не всег-
да приемлемо, так как в некоторых случаях, например, для уве
личения дальности и скрытности в работе необходим переход в ин-
фракрасную область спектра, в частности в длинноволновое окно
прозрачности атмосферы 8 .. 13 мкм. С учетом этого обстоятельст-
ва был предложен способ построения инструментальной курсоглис-
садной системы ориентирования [96], устройство которой описа-
но в разд. 5.5. Для обеспечения ориентирования объекта в гори-
зонтальной плоскости в устройстве используется угломерный спо-
соб с опорным временем. Суть способа иллюстрируется рис 4.12.
Лазерный луч сканируется в горизонтальной плоскости в нап-
равлении, указанном на рисунке стрелкой. Синхронно со скани-
рованием луча лазера в момент, когда биссектриса угла сканиро-
вания совпадает с заданным курсом полета самолета или с осью
судоходного капала, в направлении ориентируемого объекта с по-
мощью радиопередатчика излучается сигнал. По времени, прошед-
шему между моментами регистрации оптического и радиосигна-
4’ 99
лов, определяется положение ориентируемого объекта относитель-
но заданного курса. В вертикальной плоскости задание траекто-
торин движения обеспечивается за счет измерения бортовой аппа-
ратурой временных интервалов между проходом сканирующего
луча в поле зрения приемного устройства при его движении вверх
и вниз. При фиксированных угловых параметрах сканирования
луча лазера в вертикальной и горизонтальной плоскостях изме-
ренные таким образом временные интервалы однозначно опреде
ляют положение объекта в обозначенном пространстве.
В заключение отметим, что навигационные устройства, в кото-
рых зоны ориентирования задаются сканированием узкого лазер-
ного луча в пространстве, позволяют реализовать условия для ис-
пользования в полной мере уникальных свойств лазерного излу
чения — его спектральной плотности и высокой направленности,
т. е. тех свойств, которые и обеспечивают лазеру несомненные пре-
имущества перед традиционными навигационными источниками
излучения. Перечисленные преимущества способа сканирования
позволяют создавать наиболее универсальные, экономичные уст-
ройства для ориентирования, которые обеспечивают решение на-
вигационных задач в различных атмосферных условиях, и прежде
всего в условиях пониженной дальности видимости.
Глава 5.
ЛАЗЕРНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА СО
СКАНИРУЮЩИМИ ЛУЧАМИ
С учетом анализа результатов исследования распространения
оптического излучения в атмосфере были разработаны навигаци-
онные устройства для обеспечения посадки самолетов и проводки
судов, задающие зоны ориентирования сканированием в простран-
стве узкого лазерного луча
Исторически разработка лазерных средств ориентирования на-
чалась с создания зрительных ЛНУ, поскольку последние имеют
относительно простую конструкцию и не требуют установки допол-
нительного оборудования на борту ориентируемого объекта.
5.1. КУРСОГЛИССАДНАЯ СИСТЕМА СВЕТОВЫХ
СКАНИРУЮЩИХ МАРКЕРОВ
Схема построения и принцип работы
Курсоглиссадная система световых сканирующих маркеров
(ССМ) предназначена для задания курса и глиссады снижения
самолета, а также для обеспечения летчику визуального контакт
с ВПП при посадке ночью и в условиях пониженной видимости в
атмосфере
100
Рис 5 1. Схема размещения на ВПП маяков системы ССМ (а) и принцип фор-
мирования зон ориентирования (б)
Рис. 5.2. Структурная схема
устройства маяка системы ССМ
। Способы задания зон ориентирования узкими сканирующими
лазерными пучками, использованные при построении курсоглис-
садной системы ССМ, описаны в гл. 4. Основные технические ре-
шения, примененные при создании образцов ССМ, представлены в
[97—100].
Основными элементами системы (рис. 5.1) являются три лазер-
ных сканирующих маяка, из которых два глиссадные 7, располо-
женные по бокам ВПП на расстоянии 300 м от ее порога на ли-
нии приземления самолета и примерно
в 10 м от ее кромки, и один курсовой
2, устанавливаемый у торца ВПП на
ее продольной оси. Управление рабо-
той маяков обеспечивается с централь-
ного пульта, который может быть уста-
новлен практически на любом удале-
нии от маяков. Структурная схема уст-
ройства маяка и его общий вид
приведены соответственно на рис. 5 2
и 5.3.
В качестве источников света в
Каждом маяке используются по два
101
Рис. 5 3. Общий вид маяка системы ССМ
лазера 1, Г (рис. 5.2). В глиссадных маяках применяются ла
зеры, генерирующие разное, контрастное для глаза излучение. Это
могут быть He-Ne-лазеры или криптоновые с длиной волны гене
рации 0,63 и 0,64 мкм соответственно и аргоновые с длиной волны
0,48.. 0,51 мкм. Центральный маяк снабжен лазерами, излучаю-
щими только в красной области спектра. Для обеспечения управ
ления лучами лазеров в пространстве ориентирования в маяке
имеются дефлекторы вертикального 2, 2' и горизонтального 3 ска-
нирования. Для регулировки мощности излучения лазеров маяк
снабжен устройствами ослабления 4, 4' с набором нейтральных ос-
лабителей 5, 5'.
Элементы маяка смонтированы на жесткой платформе, закры-
той влагопыленепроницаемым кожухом, с системой регулирования
температуры, влажности воздуха, а также датчиками контроля
мощности излучения лазеров и параметров сканирования. Все опе-
рации по управлению и контролю за работой маяков и системы в
целом возможно осуществлять с пульта управления, имеющего
кабельную связь с маяками.
Синхронное сканирование лучами лазеров в пространстве в со
ответствующем порядке позволяет задавать зоны ориентирования
I—III (см. рис. 5.1,а). Лазерные лучи всех трех маяков скаииру
ются в вертикальной плоскости по синусоидальному закону с час-
тотой, равной примерно 0,5 кГц в следующих углах: для централь
ного маяка —4 5°, для боковых маяков —2,5°. Сканирующие в вер
тикальной плоскости лучи глиссадных маяков имеют 15-минутную
область перекрытия. Эта область является зоной глиссады III
центральная линия которой на большей части аэродромов образу-
ет с плоскостью горизонта угол 2°40'. Верхняя зона / коридора
ориентирования задается зелеными, нижняя II красными лу-
чами.
Одновременно с высокочастотной вертикальной разверткой
осуществляется низкочастотное сканирование лучей маяков в го
102
рпзонтальной плоскости. В глиссадных маяках лучи синхронно, с
одинаковой угловой скоростью сканируют навстречу друг другу,
каждый па угол, равный 15°. В центральном маяке лучи лазеров
сканируют также синхронно, но в противоположные стороны, на-
встречу движению лучей глиссадных маяков. Углы сканирования
центрального маяка в горизонтальной плоскости составляют 7°, и
начало зон ориентирования смещено относительно оси ВПП на
угол 0,5°. Горизонтальная развертка лучей центрального маяка
осуществляется с угловой скоростью, в 1,5 раза большей угловой
скорости горизонтального сканирования лучей глиссадных маяков.
Таким образом, боковые маяки сканируют в сторону оси ВПП,
а центральный — от оси ВПП, при этом лучи выводятся в прост-
ранство при их движении в одну сторону в направлениях, пока-
занных на рис. 5.1,6 стрелками. Обратный ход лучей гасится с по-
мощью устройства, описанного в [98]
Ориентирование по системе ССМ осуществляется путем визу-
ального наблюдения световых проблесковых огней маяков опре-
деленных цвета и последовательности. При этом ориентирование в
вертикальной плоскости, определяющее положение самолета на
глиссаде снижения, осуществляется опознанием зоны различного
цвета, а в горизонтальной плоскости — наблюдением очередности
следования проблесков от маяков.
При полете по курсу, т. е. по линии, совпадающей с осью ВПП,
пилот обнаруживает проблески от боковых глиссадных маяков од-
новременно, при этом проблески от центрального маяка наблю-
даться не будут. В случае отклонения от курса, не превышающего
0,5°, проблески боковых маяков будут наблюдаться поочередно.
Первым обнаруживается проблеск маяка, в сторону которого про-
изошло уклонение самолета. Уклонение от курсовой линии боль-
ше чем па 0,5° приводит к появлению между проблесками боковых
маяков проблеска центрального маяка. При этом образуется «бе-
гущий огонь», направление движения которого, как отмечалось в
разд. 4.3, указывает направление необходимого смещения па кур-
совую линию, а время действия огня однозначно связано с вели-
чиной этого уклонения.
Угловые размеры коридора ориентирования системы ССМ и
зон I III выбирались из условия их совпадения с соответствую-
щими зонами ориентирования наиболее распространенной на аэро-
дромах страны радиотехнической системы посадки типа СП-50.
При определении параметров сканирования учитывалась также не-
обходимость достижения требуемых точностных характеристик.
В соответствии с выражением (4.1) увеличение точности кур-
соуказания можно достичь за счет уменьшения угла <р и частоты
горизонтального сканирования frop- Величина ср определена не-
обходимостью иметь достаточно широкий коридор ориентирования
Для уверенного входа в него самолета. Уменьшение frop приводит
к увеличению времени обозначения коридора ориентирования и.
Таким образом, — к уменьшению частоты обновления информа-
ции Приемлемая частота обновления информации при посадке
103
современных скоростных самолетов, как показывает практика пи
дотирования, лежит в пределах 0,7... 1 Гц. С целью увеличения
точности задания курса при заданной частоте обновления инфо[
мации в системе ССМ применено решение [92], позволившее по-
высить точность задания курса до 2 м с расстояния до 1,5 км за
счет переменной скорости сканирования в горизонтальной плос
кости.
В вертикальной плоскости точность ориентирования определя-
ется угловым размером зоны перекрытия лучей красного и зеле-
ного цветов, которая может принимать значения нескольких ми-
нут Однако задания с такой точностью глиссады снижения на
практике не требуется, кроме того, слишком жесткая глиссада при-
Рис. 5.4. Формирование зон ориентирования семимаяковой системой ССМ (а)
и схема ее размещения на ВПП (б)
104
Рис. 5.5. Визуальное восприятие летчиком сигналов лазерной системы ССМ (3 —
соответствует зеленому проблеску, К — красному):
а. в — полет по глиссаде соответственно правее и левее курса посадки; б — полет по глис-
саде и курсу посадки, г, д—полет по курсу соответственно выше и ниже глиссады при
отклонении 7,5... 15 мин; е, ж — то же, при отклонении более 15 мин
водит к сложности пилотирования по ней из-за инерционных
свойств движения современного самолета.
При выходе самолета из зоны глиссады пилот получает инфор-
мацию лишь о том, где находится самолет: выше или ниже зоны
'лиссады. Информации о степени ухода с глиссады система ССМ
в трехмаяковом варианте построения не дает. Этот недостаток
системы особенно ощущается при посадке скоростных тяжелых
самолетов. Для устранения указанного недостатка системы было
разработано устройство [99], в соответствии с которым кроме зон
ориентирования I—III задаются дополнительные зоны IV—V (рис.
5.4,а). Для задания этих зон в систему ССМ вводятся дополни-
тельные маяки 2 и 3 (рис. 5.4,а), каждый из которых снабжен од-
ним лазером. Сканирование лучей маяков 2 и 3 синхронизировано
со сканированием в основных глиссадных маяках, при этом зона
IV задается сканированием луча зеленого, а V — красного цве-
тов Угловые размеры дополнительных зон с учетом практики пи-
лотирования были определены примерно равными ГЗО'.
Наблюдаемые летчиком последовательности световых проблес-
ков семи маяков системы ССМ в зависимости от положения само-
лета приведены на рис. 5 5.
Проблема задания дополнительных зон ориентирования в сис-
теме ССМ может быть решена путем использования излучения
основных глиссадных маяков При этом визуальное отличие до-
полнительных зон от основных будет обеспечено увеличением
..вдвое временного интервала между появлением световых проб-
[лесков от глиссадных маяков. Такое решение достигается экрани-
рованием специальной шторной части сканируемой области глис-
садными маяками (эти области соответствуют зонам IV и V) в
каждом втором цикле заполнения коридора ориентирования.
Устройство ослабления излучения маяков
При движении самолета в направлении лазерного маяка яр-
кость проблесков возрастает за счет уменьшения расстояния меж-
ду летчиком и маяком. Начиная с некоторого расстояния, завися-
щего от прозрачности атмосферы и яркости фона наблюдения, у
пилота появляется зрительный дискомфорт, особенно заметный в
Ночных условиях. Ступенчатое ослабление излучения лазерных
105
Рис. 5.6. Устройство ослабления из
лучения маяка
маяков по команде с борта путем вве-
дения нейтральных ослабителей в ла-
зерный пучок для необслуживаемого
маяка неприемлемо. Поэтому было
предложено техническое решение [99]
позволяющее поддерживать яркость
излучения наблюдаемых проблесков
постоянной на всем этапе движения
самолета.
Идея предложенного решения состоит в следующем. Величину
комфортно)! интенсивности /к можно определить по формуле
/к = ЯЛ2/пор(Вф), (5.1)
где /пОр(Вф) — пороговая интенсивность излучения на зрачке на-
блюдателя как функция яркости фона — относительный
коэффициент, определяющий превышение /к над /110Р, который
также является функцией длины волны. С другой стороны, ослаб
ление оптического сигнала лазерного маяка в атмосфере при из-
вестных допущениях можно описать законом Бугера (2.3).
Приравнивая правые части выражений (5.1) и (2.3) и решая
их относительно /о, можно определять интенсивность сигнала на
выходе маяка, необходимую для уверенного визуального обнару
жепия в месте приема, по не вызывающую зрительного диском-
форта:
/о = КЛг/пор (Вф) exp (а (X)L). (5.2)
В соответствии с предложенным решением (рис. 5.6) с по-
мощью измерителей 1—3 определяются яркость фона в направ-
лении наблюдения маяка, дальность до самолета и спектральный
коэффициент ослабления, значения которых вводятся в вычисли-
тель 4. Часть излучения, отраженная плоскопараллельной пласти
ной 5, принимается фотоприемником 6, сигнал с которого через
усилитель 7 также поступает в вычислитель. Последний обраба-
тывает сигналы в соответствии с выражением (5.2) и выдает ко-
манду па включение или выключение соответствующих нейтраль
ных ослабителей блока 8. В результате на выходе устройства ска-
нирования 9 формируется комфортная интенсивность излучения
лазера 10.
Устройство синхронного сканирования лучей маяков
Угловые размеры коридора ориентирования системы ССМ вы
бираются из условия обеспечения падежного ввода самолета в
этот коридор радиотехническими средствами дальнего привода-
Были определены следующие размеры: в горизонтальной плоскос-
ти — 15°, в вертикальной — 4,5°.
106
Необходимая частота горизонтального сканирования определя-
ется с учетом требуемой периодичности обновления информации
обеспечения нужной точности задания курса и находится, как ука-
зывалось выше, в пределах 0,7... 1 Гц. Частота вертикального ска-
нирования /ск.верт определяется условием полного заполнения ко-
ридора ориентирования и может рассчитываться по формуле
f ск.верт fcK.ropi (5.3)
где К — коэффициент перекрытия лучей при сканировании; §—
угловой размер зоны ориентирования по азимуту; а — расходи-
мость луча; /ск гор —частота горизонтального сканирования.
Значение коэффициента К зависит от величины смещения лу-
ча в горизонтальной плоскости под влиянием атмосферы и распре-
деления энергии излучения в лазерном луче по его сечению. Спе-
циальные исследования позволили установить оптимальные значе-
ния коэффициента К (0,6.. 0,7).
Рассчитанные частоты вертикального сканирования с исполь-
аованием формулы (5.3) оказались равными /ск.верт=250 ... 300 Гц.
Кроме указанных параметров, определяющих требования к
дефлекторам по максимальным углам развертки и частоте скани-
рования лучей, эти устройства должны обладать качествами, ко-
торые определяются специфическими условиями их работы в ЛНУ.
Прежде всего они должны обладать необходимой разрешающей
способностью, которая определяется числом различных направле-
ний луча, укладывающихся в пределах угла отклонения Д0:
А/=Др/а.
В системе ССМ должна обеспечиваться синхронная развертка
лучей маяков в горизонтальной плоскости. Этим условием обус-
ловлена необходимость синхронизации работы дефлекторов всех
маяков, установленных на значительных расстояниях друг от дру-
га. Кроме того, дефлекторы должны обладать достаточными на-
дежностью и ресурсом прн эксплуатации их в условиях окружа-
ющей среды, устойчивостью к вибрации и быть легко управляемы-
ми в процессе настройки и работы.
Как известно, в основу работы дефлектора оптического луча
могут быть положены механические перемещения в пространстве
отражающих или преломляющих элементов, электро- и магнито-
оптический эффект в жидких и твердых веществах, магнитоэлек-
трический, электромагнитный и пьезоэлектрический эффекты, вза-
имодействие световых и акустических волн, а также ряд других
физических явлений [101, 102]. Рассмотрим кратко свойства
описанных в литературе дефлекторов с точки зрения возможности
их использования в ЛНУ.
Термо-, электро- и акустические дефлекторы Сканирование ла-
зерного пучка можно осуществить с помощью тепловых систем,
Работа которых основана па изменении показателя преломления
Рабочего элемента в результате создания в нем определенного
107
теплового режима. Так, в [102] осуществлено сканирование пуч-
ка лазера, проходящего через призму из монокристалла CdS.
Сканирование осуществляется изменением показателя преломле-
ния призмы в результате ее нагрева импульсами электрического
тока. Угол отклонения этой системы составляет 2° при времени
релаксации 20 мкс.
Градиент показателя преломления можно создать и с помощью
электрического поля.
Указанные методы могут обеспечить достаточно большие уг-
лы отклонения, однако инерционность термо- и электродефлекто-
ров, как правило, велика и велико рассеяние света в кристалле.
В менее инерционных дефлекторах отклонение светового пучка ос-
новано на акустико-оптических методах [103]. Световой пучок
проходит через среду, в которой стоячая ультразвуковая волна
создает синусоидальное распределение показателя преломления
Эта область используется для дефлекции лазерного пучка при из-
менении длины волны или амплитуды ультразвуковой волны. Ес-
ли пучок охватывает большое число узлов ультразвуковой волны,
происходит его дифракция на синусоидальной фазовой решетке.
Изменением длины волны (периода решетки) осуществляется ска-
нирование дифрагированного светового пучка.
Данные методы позволяют отклонять лазерный пучок с ли-
нейной апертурой до 2 мм па угол до 4° и получать JV=100... 150.
Однако применение ультразвуковых методов дефлекции ограничи-
вается сложностью соответствующих устройств и малой интенсив-
ностью рабочего светового пучка (до 0,7 ... 1 Вт).
Известны дефлекторы па основе электрооптического эффекта
в кристаллах [101, 102], в которых под воздействием электриче-
ского поля изменяется показатель преломления. С помощью та-
ких дефлекторов возможно получение JV=300 ..500, р«2°и/ск=
= 10... 20 кГц при управляющем электрическом напряжении
10 15 кВ
Использование существующих термо-, акусго- и электрооптиче-
ских методов управления лазерным пучком для задания зон ори-
ентирования в лазерных СНО затруднено в связи со следующими
их свойствами: небольшие углы отклонения, несовершенство при-
меняемых активных сред, трудность выращивания ряда кристаллов
необходимых размеров с достаточно хорошими оптическими и
электрическими характеристиками.
Оптико-механические и пьезоэлектрические дефлекторы Деф-
лекторы в виде многогранных вращающихся зеркал — призм при
их несомненном достоинстве—высокой стабильности сканирования
при практически любых по величине углах имеют и существенные
нежютатки, основными из которых являются следующие. Макси-
мальная скорость развертки светового пучка ограничена центро-
бежными силами, приводящими к искривлению отражающих по-
верхностей, а при больших скоростях — и к механическому раз-
рушению призмы. Увеличение частоты сканирования требует уве-
личения числа граней, что при неизменном радиусе призмы приво-
108
дит к уменьшению значений р и N. В то же время точность уста-
новки граней относительно друг друга должна быть очень высо-
кой, не хуже 10 угл. с, а допуск на установку расстояния от цент-
ра призмы до грани должен составлять ±10 мкм [104]. Изготов-
ление призмы t такими параметрами представляет сложную тех-
ническую задачу*.
Использование низкочастотных дефлекторов, основанных на
преобразовании вращательного движения кулачка в поступатель-
ное движение иглы — толкателя, соединенной с отклоняющим
зеркалом, также пхУеет свои недостатки, связанные прежде всего
с качеством изготовления требуемого профиля кулачка для обес-
печения равномерности движения пучка. Подобные дефлекторы
сложно синхронизировать
Пластинчатые дефлекторы па основе пьезокерамики типа
ЦТС-19, обладающей паилучшимп из известных пьезокерамик па-
раметрами, позволяют получать требуемые для лазерных СНО V
и /ск, однако их надежность оказывается низкой [101]. Изменение
модуля упругости при перепадах температуры и влажности при-
водит к смещению резонансной частоты и изменению амплитуды
сканирования. Данным дефлектором присущ и ряд других недо-
статков.
Магнитоэлектрические дефлекторы. Несмотря на многообразие
рассмотренных методов дефлекции лазерного пучка и значитель-
ный прогресс в этой области за последние 15 лет, практическое ис-
пользование того или иного типа дефлектора в навигационных уст-
ройствах наталкивается на ряд трудностей. В то же время магни-
тоэлектрические методы еще не исчерпали своих возможностей и
среди других известных методов по своим характеристикам в на-
ибольшей степени подходят для формирования зон ориентирова-
ния лазерных СНО.
Разработка устройств сканирования для ДНУ, и прежде всего
для системы ССМ, является отдельной достаточно сложной тех-
нической проблемой, решению которой в определенной степени
способствовали рекомендации, предложенные в [100, 105].
Принцип работы дефлектора горизонтального сканирования лу-
ча на основе электромагнитной муфты ясен из рис. 5.7. Малогаба-
ритный электродвигатель 1 че-
рез редуктор 2 приводит во вра-
щение внутреннюю часть муф-
ты <3 и обтюратор 4 До по-
падания выреза обтюратора в
поле зрения фоторезистора 5
в цепи обмотки электромагнит-
ной муфты <3 тока нет и муф-
та отключена. Как только вы-
рез обтюратора совпадает с по-
лем зрения фоторезнстора, па по-
следний попадает свет от источ-
ника 6. Появившийся сигнал на
Рис. 5.7. Устройство дефлектора го
ризоитальиого сканирования
109
фоторезисторе усиливается усилителем 7, муфта включается и,
вращаясь, поворачивает вокруг оси вращения зеркало 8. Время
вращения, а следовательно, и угол поворота зеркала определи
ются временем нахождения поля зрения фоторезистора против вы-
реза обтюратора. При выходе фоторезистора из зоны действия ис-
точника света муфта отключается и под действием пружины 9
зеркало возвращается в исходное состояние.
При вращении электродвигателя описанный цикл с определен-
ной периодичностью непрерывно повторяется. Таким образом осу-
ществляются поворот зеркала 8 вокруг оси вращения двигателя и
сканирование попадающего на это зеркало- луча лазера в прост-
ранстве. Нетрудно заметить, что угол сканирования зависит от
величины выреза на обтюраторе, а частота — от скорости враще-
ния электродвигателя.
Описанный дефлектор использовался в глиссадных маяках.
Дефлектор, устанавливаемый в центральном маяке, имеет допол-
нительное зеркало 10, которое через привод 11 вращается в про-
тивоположную сторону.
Гашение проблесков системы ССМ при обратном ходе луча,
наблюдение которых привело бы к нарушению световых симво-
лов, иллюстрируемых рис. 5.5, достигается методом, предложен-
ным в [98]. Описанное в этом изобретении устройство позволяет
при достижении зеркалом сканатора горизонтальной развертки
крайнего положения вводить в тракт луча непрозрачный экран,
который перекрывает луч лазера на время его обратного хода.
Рис 5.8 Дефлектор горизонтального
сканирования
ПО
Рнс. 5.9. Дефлектор вертикального
сканирования
Предложенный дефлектор дает возможность обеспечивать плав-
ное сканирование луча с частотой до 15 Гц практически в любом
интервале углов, который можно относительно легко регулиро-
вать. Работа Нескольких таких дефлекторов может быть просто
синхронизирована, для чего достаточно сигнал с усилителя одно-
го из них подать- на электромагнитные муфты всех дефлекторов.
Внешний вид дефлектора горизонтального сканирования показан
на рис. 5.8. \
Дефлектор вертикального сканирования был разработан с уче-
том предложенного в [105] метода, в основу которого положен
принцип отклонения электрической катушки в магнитном поле по-
стоянного магнита. При подаче на катушку синусоидального на-
пряжения она пачипаеД колебаться с соответствующей частотой.
Колебательные движения, катушки передаются закрепленному на
ней зеркалу, и тем самым обеспечивается сканирование луча. Угол
отклонения зеркала пропорционален амплитуде синусоидального
напряжения. Разработанный для системы ССМ дефлектор обес-
печивал угол отклонения луча до 5° при частоте до 600 Гц Внеш-
ний вид дефлектора вертикального сканирования приведен па
рис. 5.9.
Использование описанных выше дефлекторов горизонтального
н вертикального сканирования позволило создать устройство син-
хронного сканирования лучей маяков в системе ССМ, наиболее
полно отвечающих соответствующим требованиям.
5.2. ДВУХ- И ТРЕХМАЯКОВЫЕ СТВОРЫ
Идея задания курса в системе ССМ была использована при
разработке лазерных навигационных створов. Принцип работы
двухмаякового створа ясен из рис. 5.10. Створ состоит из двух ма-
яков 1 и 2, расположенных друг от друга на расстоянии S=
['=10...50м вдоль береговой линии. В маяках имеется по одному
лазеру, генерирующих контрастные для визуального восприятия
излучения, например He-Ne с X—0,63 мкм и аргоновый с ?.=
=0,48 мкм. Задание курса обеспечивается синхронным сканиро-
ванием лучей в горизонтальной плоскости из крайних положений
к центру навстречу друг другу. Обратный ход лучей гасится.
Рис 5.10 Принцип работы двухмаякового створа
111
При таком построении образуются три зоны ориентирования
В 1 зоне судоводитель наблюдает проблески зеленого цвета толь-
ко правого маяка, во II — проблески красного цвета левого мая-
ка, в III — центральной видны проблески обоих маяков. При этом,
если судно находится на оси створа, проблески 0 центральной зо-
не наблюдаются одновременно, при смещении от заданного нап-
равления синхронность следования огней нарушается и первым
наблюдается проблеск от маяка, в сторону которого произошло
смещение. Таким образом, направление следования огнен указы-
вает на направление смещения к осевой лИпии створа, а времен-
ной интервал между проблесками позволяет судить о величине
уклонения от заданного курса следования/
При трехмаяковом варианте построения створа центральный
маяк, как и в системе ССМ, оснащается двумя лазерами. При
этом сканирование лучей и задание вон ориентирования осуще-
ствляются так же, как в системе ССМ/
Один из вариантов построения зон ориентирования в трехмая-
ковом створе приведен на рис. 5.11. Зона рекомендованного кур-
са III обозначается проблесками боковых маяков 1 (красного
цвета от правого и зеленого цвета от левого маяков). При следо
ванип точно по курсу проблески обнаруживаются одновременно.
В случае уклонения от осевой линии створа синхронность следова-
ния импульсов нарушается. При уходе с курса за пределы цент-
ральной зоны — зоны безопасного движения в пространстве меж-
ду проблесками от боковых маяков появляется проблесковый
огонь от центрального маяка 2. Таким образом образуется «бе-
гущий огонь». При этом, если судно уклонилось вправо от цент-
ральной зоны, то «бегущий огонь» образуется последовательно-
стью проблесков двух красных огней, а затем зеленого огня, при
уклонении влево наблюдаются сначала два зеленых огня, а затем
красный проблесковый огонь. Зоны II и IV являются предупреж-
дающими о степени опасного уклонения с курса, зоны I, V — опас-
ными для движения, они обозначены одиночными проблесками —
справа красного, слева зеленого цветов.
Угловые размеры зон I—V в зависимости от физических па-
раметров канала или фарватера, а также характера решаемой на-
вигационной задачи могут меняться в широких пределах. Макси-
Рис. 5.11. Принцип работы трс.х.маякового створа
112
мальные размеры коридора ориентирования могут принимать зна-
чения до 50° горизонтальной и 5° в вертикальной плоскостях. Ча-
стоты сканирования при этом меняются в пределах /ск.гор=
= 0,7... 3 Гц, Кк.верт=50... 250 Гц. Точность задания курса при
удалении 3 км о\ маяков может достигать 4 м.
5.3 СЕКТОРНО-СТВОРНЫЕ МАЯКИ
\
Название «секторно-створный маяк» отражает возможность
использования одпогд^и того же устройства в качестве как сектор-
ного, так и створного маяка. Использование лазера в качестве
источника света позволило создать устройства, в которых угловые
размеры центральной курсовой зоны легко изменяются в преде-
лах от нескольких минут до десятков градусов. Поэтому при даль-
нейшем изложении будем пользоваться термином «секторный»,
имея при этом в виду, что устройство может выполнять функции
и створного маяка.
Первый образец секторного маяка, в котором для задания зон
ориентирования или секторов используется один узкий сканиру-
ющий как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости лазер-
ный луч, был создан в ИОЛ АН СССР в 1976 г. В последующий
период был разработан ряд аналогичных устройств, которые по
характерным особенностям задания зон ориентирования можно
разделить на три класса:
маяки, зоны ориентирования в которых задаются проблесковы-
ми огнями разной частоты, но одного цвета;
маяки, для задания секторов в которых используется пробле-
сковый огонь разной цветности, но с одинаковыми частотными ха-
рактеристиками;
маяки, в которых в качестве отличительных признаков при за-
дании зон ориентирования используется как проблесковый огонь
разной частоты, так и его цветность.
Одноцветный секторный маяк
При разработке одноцветного сектора маяка оыли использо-
ваны технические решения, предложенные в [99, 105]. Схема ска-
нирования лазерного луча маяка в пространстве при задании трех
зон с визуально отличающими-
ся характеристиками огня при-
ведена па рис. 5.12.
При выбранной схеме ска-
нирования судоводитель, нахо-
дясь в секторе А, наблюдает
один, в секторе С — два и в
секторе В — три световых про-
блеска за один период ска-
нирования. Примерная диа-
грамма следования проблесков
Рис. 5.12 Схема формирования зон
ориентирования одноцветного секторно-
го маяка
113
огня в секторах одноцветного трехзонного маяка- приведена на
рис. 5.13.
Описанный принцип был положен в основу при разработке
промышленного образца лазерного маяка, предназначенного для
использования по трассе Северного морского пути В его создании
совместно с ИОА и СКВ НП «Оптика» принимали участие целый
ряд предприятий министерств морского флота и электронной про-
мышленности.
Функциональная схема устройства секторного маяка показа-
на на рис. 5.14. Маяк имеет в своем составе: Не — Ne-лазер 1, из-
лучающий па длине волны 0,63 мкм, с выходной мощностью
2 5 мВт; сканирующее устройство, состоящее из дефлекторов вер-
тикального 2 и горизонтального 3 сканирования с блоком управ-
ления 4; блок управления маяком 5; источник питания 6. Все
элементы маяка размещены в общем корпусе. Для того чтобы в
условиях Крайнего Севера обеспечить работу маяка в автономном
режиме в течение не менее пяти лет при периодичности профилак
тического ремонта 1 раз в год, потребовалось решить ряд техни
чески сложных задач.
Реализацию способа задания зон ориентирования в маяке обес-
печило устройство сканирования. Указанное устройство содержит
два дефлектора для обеспечения сканирования луча лазера в со-
ответствии со схемой рис. 5 14 и блок управления.
Дефлекторы имеют одинаковую конструкцию, представленную
на рис. 5.15. Разная частота и амплитуда сканирования задаются
напряжением и амплитудой управляющих импульсов. Плоскости
сканирования определяются пространственным размещением де-
флекторов.
Конструктивно дефлектор состоит из двух обойм 1, 2 и двух
электромагнитов 3, 4, между полюсами 5 и 6 которых размещает-
ся якорь-оправа 7 отражающего зеркала 8. Якорь-оправа конуса-
ми 9 фиксируется в радиальных шариковых подшипниках 10, ко-
торые в ряде случаев для увеличения
рубиновыми. Зазор между полюсами
электромагнитов и магнитом 11 якоря-
оправы регулируется винтами 12, а
возможный осевой люфт в якоре-опра
ве и подшипниках выбирается с помо-
срока службы заменяются
8
с
/,7
О__________L
. п____________
5 t;c
________п п п __
5 t.c
П п ,
At 5 t,c
Рис. 5.13. Диаграмма следования Рис 5.14 Функциональная схема
проблесков огня в секторах одно- устройства одноцветного секторного
цветного маяка маяка
114
Рис. 5.16- Схема лазер-
ного маяка «Марс-1»:
/— корпус; 2 — съемный кол-
пак, 3 — блок управления;
4 — источник питания 5 —
лазер; 6 — устройство ориен-
тирования; 7 — скаиатор, 8—
штормовое стекло
Рис. 5.15. Дефлектор секторного маяка
| щью винтов 12, 13, положение которых фиксируется винтом 14.
Дефлектор имеет зубчатое колесо 15 с червячным винтом 16, ко-
торые обеспечивают юстировку зон ориентирования при установке
маяка и его настройке. Для юстировки
сканатора в плоскости, перпендикуляр-
ной плоскости поворота, используется
подсадочная цилиндрическая поверх-
ность А.
Работает дефлектор следующим обра-
1 зом. На катушку одного из электромаг-
нитов подается переменное напряжение
соответствующей амплитуды и частоты.
1 Создаваемое этим напряжением магнит-
ное поле поворачивает на определенный
угол и с определенной частотой якорь-
оправу дефлектора, па котором закрепле-
но отражающее зеркало. Другой электро-
магнит находится под постоянным напря-
жением и выполняет роль возвратной
пружины.
Блок управления сканированием 4
формирует необходимые электрические
сигналы с целью управления работой де-
флекторов. При этом па дефлектор вер-
тикальной развертки подаются сигналы
с фиксированной частотой и амплитудой,
что обеспечивает работу этого дефлекто-
ра с постоянными углом и частотой ска-
нирования. Для горизонтального дефлек-
тора блоком управления вырабатывают-
115
ся сигналы с переменной амплитудой управляющего напряжения
в каждом цикле сканирования для обеспечения сканирования луча
в соответствии с приведенной па рис. 5 13 схемой.
Блок управления маяком 5 задает цикличность работы маяка,
обеспечивая с целью экономии изотопного источника питания от-
ключение всех устройств на период молчания маяка, обозначен-
ного на рис. 5.13 интервалом времени At. Кроме того, блок управ-
ления маяком при выходе из строя основных лазера или устрой-
ства сканирования автоматически переключает маяк на работу
резервного тракта.
Конструкция одноцветного секторного маяка показана на
рис. 5.16.
Секторные и створные маяки, использующие цветность огня для
обозначения зон ориентирования
Схема построения двухцветного секторного маяка приведена
на рис. 5.17. Лучи красного Не \е- и зеленого Ar-лазеров при ска-
нировании создают три сектора. Боковые сектора А и В отличны
по цвету проблесков, в центральном секторе С наблюдаются про-
блески обоих цветов, при этом частота следования проблесковых
огней в этой зоне соответственно увеличивается. Эксперименталь-
ный образец секторного маяка, построенного в соответствии со
схемой рис. 5.17 па базе глиссадного маяка системы ССМ, был
испытан в Одесском порту при участии Одесского высшего ин-
женерного морского училища и соответствующих служб Черномор-
ского морского пароходства в период 1977—1980 гг.
Несомненно, более перспективным является устройство трех-
цветного маяка, которое разработано на базе уникального образ-
ца трехцветпого лазера на парах металлов. Устройство получило
название «Лиман-2». Внешний вид его приведен па рис. 5.18. При
создании маяка был использован целый ряд принципиальных тех-
нических решений [106].
Конструктивно (рис. 5.19) маяк представляет собой вертикаль-
ную стойку / с фланцем 2, на котором крепится платформа 3,
предназначенная для размещения на ней дефлекторов и блока
управления дефлекторами 4 Платформа закрывается кожухом
5, в котором имеется окно 6 для вывода излучения в атмосферу.
Стойка опирается на обойму 7, в которой закреплена дисперги-
рующая призма 8 и поворот-
береговая линия пое зеркало 9 с элементами
I юстировки. К обойме крепят-
г-____у,— ся три корпуса, в двух из ко-
| regxzZI ‘-------------—----— торых 16 и 11 размещены га-
t зоразрядные трубки лазера
\ (основной и резервный) и в
третьем 12 — источник ппта-
Рис 5 17. Схема построения двух- НИЯ трубок. С целью обеспе-
цветиого секторного маяка чения юстировки положения
116
Рис. 5.18. Внешний вид секторного маяка «Лиман-2»
маяка относительно горизонта он имеет четыре опоры В, регули-
руемые по высоте.
Устройство сканирования содержит шесть дефлекторов, из ко-
торых три горизонтального и три вертикального сканирования, и
блок управления, аналогичный по конструкции и принципу рабо-
ты используемым в одноцветном секторном маяке.
Лазерная трубка генерирует импульсное излучение с частотой
повторения 10 кГц одновременно на трех длинах волн в красном
=0,627, зеленом Х2=0,510 и желтом Х3=0,578 мкм участках
спектра. Суммарная мощность излучения составляет 0,5 Вт со
следующим распределением по длинам волн: 11—0,15, Х2—0,25 и
Х3— 0,1 Вт. В качестве активной среды в лазерной трубке исполь-
зуется смесь паров меди и золота. Разогрев активной среды про-
изводится за счет выделения энергии в разряде буферного газа
Не и Ne. Возбуждение и накачка лазера осуществляются мощны-
ми импульсами тока малой длительности с частотой 10 кГц, фор-
мируемыми источником питания лазера. Длительность импульсов
излучения па уровне 0,5 максимального достигает 30 нс, расходи-
мость луча не более 5 угл. мин, КПД лазера 0,2%.
117
Рис 5.19. Конструкция секторного маяка «Лиман 2»
Работу маяка в целом можно описать следующим образом.
Пучок излучения от горизонтальной трубки направляется на по-
воротное зеркало 9 (см. рис. 5.19) и далее на диспергирующую
призму 8, в которой излучение раскладывается на три луча с ука-
занными длинами волн. Распространяясь внутри полой стойки 1,
лучи через отверстие в платформе 3 попадают на зеркала дефлек-
торов, сначала вертикального, а затем горизонтального сканиро-
вания.
Устройство сканирования обеспечивает задание коридора ори-
ентирования с тремя, пятью и семью секторами. Принцип ориен-
тирования по трехцветному секторному створу ясен из рассмот-
118
Рис. 5.20. Схема формирования секторов ориентирования в трехцветном маяке
кЛиман-2»
рения рис. 5.20, на котором схематично показано построение трех-
зонного, пятизонного и семизоипого створов. Угловые размеры зон
ориентирования могут регулироваться в следующих пределах: в
вертикальной плоскости от 15 угл. мин до 5°, в горизонтальной
плоскости от 15 угл. мин до 12°. Максимальные размеры коридора
ориентирования могут достигать 5° в вертикальной и 50° в гори-
зонтальной плоскостях. Таким образом, устройство может рабо-
тать в режимах секторного и створного маяков.
Трехцветный лазерный сканирующий маяк обладает уникаль-
ными возможностями и в этом смысле отвечает самым высоким
требованиям, предъявляемым к навигационным приборам анало-
гичного назначения.
При движении к месту прибытия яркость проблесков маяка
увеличивается и возникает задача ослабления излучения маяков,
аналогичная задаче при использовании системы ССМ. В сектор-
ных маяках эту проблему можно решать, используя относитель-
но простое устройство, предложенное в [107], суть которого ясна
из рис. 5.21.
Лазерный луч в секторных
маяках разворачивается в веер
в вертикальной плоскости, а
затем сканируется в горизон-
тальной плоскости. Регулиро
ванне степени ослабления из-
лучения маяка в зависимости
от расстояния между судном и
маяком обеспечивается кли-
Рис. 5.21. Ослабитель излучения сек-
тооного маяка
119
ном 1 с переменной оптической плотностью. Радиус кривиз-
ны клина целесообразно выбрать примерно равным рассто
янию от дефлектора вертикального сканирования до грани кли-
на. Юстировочным винтом 2 можно перемещать клин вдоль вер-
тикальной оси и тем самым подбирать наиболее оптимальный ре-
жим ослабления излучения маяка.
5.4. ВИЗУАЛЬНО ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ
КУРСОГЛИССАДНАЯ СИСТЕМА
Курсоглиссадная система ССМ позволяет ориентироваться не
только с помощью визуального наблюдения проблесковых огней,
но и с помощью комплекса аппаратуры, регистрирующего световые
сигналы ССМ. Для обеспечения инструментального пилотирова-
ния по системе ССМ было предложено бортовое устройство опре-
деления положения самолета при посадке относительно ВПП
[108], которое позволяет определять следующие параметры, не-
обходимые для ориентирования: сторону и величину отклонения
самолета от курсовой линии, его положение относительно глисса-
ды снижения, дальность до места приземления и посадочную
скорость.
Принцип работы бортового анализатора положения самолета
заключается в точном измерении временных интервалов между
регистрируемыми световыми проблесками и их цветоразличения
(рис. 5.22). Структурная схема анализатора положения самолета
Рис. 5.22. Устройство визуально-инструментальной системы посадки самолетов
120
приведена на рис. 5.22,а, а функциональная схема визуально-ин-
струментальной системы посадки — на рис. 5.22,6.
Определение отклонения самолета от курса происходит путем
измерения временного интервала между двумя соседними проб-
лесками, который будет увеличиваться пропорционально величи-
не отклонения самолета от курсовой линии. Удаление самолета
от ВПП определяется временным интервалом прохода луча от
приемника излучения 1 к приемнику 2. Скорость самолета нахо-
дится из сопоставления двух соседних измерений удаления его от
ВПП с учетом времени между циклами сканирования.
Задача определения положения самолета относительно глис-
сады снижения сводится к однозначной индикации зоп ориенти-
рования /—V (см. рис. 5.4,а), которая осуществляется цветораз-
личающим блоком анализатора.
Анализатор положения самолета работает следующим образом.
При заходе самолета в обозначенный сканирующими маяками
коридор ориентирования на фотоприемпиках / и 2 образуется по-
следовательность электрических импульсов, временные интерва-
лы между которыми обусловлены удалением самолета от ВПП и
его смещением относительно заданной траектории снижения. Для
однозначного определения величины отклонения самолета от за-
данного курса необходимо сопоставить задержку электрических
сигналов, полученных в результате воздействия световых пробле-
сков от боковых маяков. Для решения этой задачи используется
поочередное переключение коммутатором 3, имеющим входы А
и выходы В, Г, блока цветоапализатора 5 и измерительных вре-
менных интервалов 6 в два различных режима работы: цветораз-
лпчения и отсчета времени.
Максимальное время t, в течение которого фотоприемники 1
и 2 остаются в переключением состоянии при отсутствии светового
сигнала, выбирается равным времени прохождения лучом лазера
бокового маяка расстояния между фотоприемпиками, которое
строго фиксируется. В таком состоянии один из приемников яв-
является включающим для измерителя 12 в блоке измерения вре-
менных интервалов 6, а второй используется для выделения цве-
торазностного сигнала в усилителе 8 и отключения отсчета време-
ни формирователем отключающих импульсов 13. Отключение от-
счета времени происходит одноименным лучом, последовательно
прошедшим от включающего фотоприемиика к цветоанализиру-
ющему. Время, за которое одноименный луч пройдет расстояние
между приемниками 1 и 2, однозначно связано с расстоянием са-
молета от начала ВПП.
После переключения фотоприемников 1 и 2 коммутатором 3
отсчет времени прохождения одноименным лучом расстояния ме-
жду приемниками будет происходить для другого направления
прохода луча, в котором регистрирующим приемником является
отключающий в предыдущем цикле. Разность во времени между
предыдущим и последующим измерениями определяет посадоч-
ную скорость. Эти измерения запоминаются па один цикл, обра-
121
батываются за это время в измерителе прохождения луча 12, и
результаты обработки подаются иа индикатор дальности 17, ин-
дикатор курса 16 и индикатор посадочной скорости 18. Работа из-
мерителя временных интервалов 6 обеспечивается блоком 10,
формирующим запускающие импульсы, и усилителем запускаю-
щих импульсов //.
На усилителе 8 постоянно присутствует цветоразностный сиг-
нал с выхода В коммутатора 3, и он не разделяется иа левый и
правый каналы, по вычитывается по цвету и фиксируется как от-
клонение от глиссады в индикаторе 14 Усилитель 9 содержит в
элементах памяти результат измерений по цвету, полученный при
прохождении предыдущего луча, что обеспечивает измерение со-
отношения цветов на фотоприемниках левой и правой плоскостей
самолета и фиксирует как креп па глиссаде снижения в индика-
торе 15.
Сигналы для сравнения проходят на усилитель 9 (вводы а и
Ь) с выходов В и Г электронного коммутатора 3. Электронный
коммутатор до поступления световых импульсов рассчитан на по-
стоянное переключение фотоприемдиков 1 и 2 с максимальным
временем I, выбранным из условия постоянства горизонтальной
развертки луча сканирующей системой ССМ и неизменной базы
между фотоприемииками 1 и 2. После первого прохода луча в
формирователе 13 вырабатывается отключающий импульс, управ-
ляющий задающим генератором 4, который определяет частоту
переключения коммутатора. При этом / ограничивается реальным
временем Т, строго пропорциональным удалению самолета от ме-
ста установки сканирующих маяков ССМ. По мере приближе-
ния самолета к ВПП реальное время Т будет приближаться к
максимальному.
Описанный способ построения инструментальной курсоглиссад-
ной системы может быть использован при построении инструмен-
тального устройства для проведения судов. В этом случае борто-
вой комплекс аппаратуры выполняется в значительно упрощен-
ном варианте.
5.5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ
УСТРОЙСТВА
Как отмечалось, наиболее перспективными для использова-
ния в инструментальных ЛНУ являются лазеры, излучение кото-
рых лежит в длинноволновом окне прозрачности атмосферы
8 .. 13 мкм. Прежде всего это лазер на СОг, работающий в не-
прерывном режиме, генерирующий на длине волны К—10,6 мкм
и имеющий значительную (сотни ватт) выходную мощность. В
области спектра 10,6 мкм имеются достаточно чувствительные при-
емники излучения. В инструментальных ЛНУ могут найти также
применение наиболее распространенные и изученные лазеры —
твердотельные с 1,06 мкм и полупроводниковые с Л=0,8 ...
... 9,9 мкм.
122
Описанная в предыдущем разделе визуально-инструменталь-
ная система может работать как инструментальная. Для этого
необходимо оборудовать систему ССМ лазерами, работающими в
ИК-Диапазоне спектра, например с излучением 1,06 и 10,6 мкм.
Приемники излучения бортового комплекса в этом случае долж-
ны обеспечивать прием сигналов соответственно в этих областях
спектра. Остальные элементы системы при этом не нуждаются в
конструктивных изменениях.
Более перспективной, по нашему мнению, является инструмен-
тальная лазерная навигационная система, предложенная в [109],
в которой для определения местоположения объекта в простран-
стве ориентирования используется угломерный способ с опорным
временем [96]. Это устройство в качестве наземного комплекса
имеет один лазерный маяк, оборудованный одним основным ла-
зером, излучающим в ИК-Диапазоне, устройством сканирования
п радиопередатчиком. Принцип работы бортового комплекса ап-
паратуры заключается в обеспечении приема сигналов маяка на
борту и определении временных интервалов между регистрируе-
|мыми сигналами, которые однозначно связаны с положением са-
молета относительно курса и глиссады снижения.
Функциональная схема инструментальной системы ориентиро-
вания приведена на рис. 5.23. Система работает следующим об-
разом. Лазерный маяк 1 посылает в пространство ориентирова-
ния 2 луч, сканируя его с постоянной известной угловой скоро-
I стью, как показано на позиции 3, в направлении стрелки. Луч от
। маяка попадает на фотоприемник 4,
сигнал с которого через формирова-
тель приходит на устройство запу-
' ска радиопередатчика 6, посылаю-
' щсго в пространство радиосигнал.
Радиосигнал принимается приемни-
ком 7 на борту самолета, который
вырабатывает электрический сигнал
для запуска через логическую схему
8 счетного устройства 9. Счетное
устройство ведет отсчет параметра,
пропорционального времени. Луч,
перемещаясь в пространстве по-
строчно в указанном стрелкой на-
правлении, через определенный ин-
тервал времени попадает на фото-
приемники 10 или 11, которые выра-
батывают сигнал, поступающий че-
рез логическую схему 8 на счетное
устройство 9. После получения сиг-
нала от фотоприемника счетное уст-
ройство прекращает отсчет и вы
дает электрический сигнал, пропор-
циональный времени сканирования
Рнс. 5.23. Функциональная схема
инструментальной курсоглиссадной
посадки самолетов
123
луча от начала зоны ориентирования до места его регистрации фо-
топриемпиком 10 или 11.
Одновременно сканируя в вертикальной плоскости, луч про-
ходит через фотоприемники 10 и 11. При этом, если строка вы-
свечивается сверху вниз, счетное устройство 12 включается и вы-
ключается от фотопрпемника 11, а если снизу вверх — то от фото-
прпемпика 10. Например, если луч идет сверху вниз, то он попа-
дает сначала на фотоприемник 11, сигнал от которого через ло-
гическую схему 13 запускает счетное устройство 12, начинающее
отсчет. Продолжая движение сверху вниз и затем снизу вверх, луч
попадает на приемник 10, сигналы которого гасятся логической
схемой 13 и пе попадают на счетное устройство. Логическая схе-
ма 13 выдает сигнал на включение счетного устройства 14 лишь
в момент прихода луча очередной раз на фотоприемник 11
Таким образом, счетное устройство 12 выдает сигнал, пропор
циональный времени прохождения луча от фотоприемника 11 до
нижнего края ориентирования. При известной угловой скорости
сканирования луча в вертикальной плоскости этот параметр од-
нозначно определяет положение самолета относительно нижпего
(верхнего) края зоны ориентирования.
Итак, описанная система позволяет проводить ориентирование
по двум координатам — в направлении перемещения строк (гори
зонтальное сканирование) и в направлении перемещения луча в
строке (вертикальное сканирование). Удаление самолета от ВПП
и его скорость определяются по величине временного интервала
прохода луча между приемниками 11 и 16, установленными на
самолете на строго фиксированном в горизонтальной плоскости
расстоянии друг от друга. Аналогичный метод определения ско
рости самолета и его удаления от ВПП используется в описанной
выше визуалыю-ипструментальной системе ориентирования.
В целом система позволяет определить три координаты ориен-
тируемого объекта, что обеспечивает посадку самолетов различ-
ного типа, имеющих разную глиссаду снижения. Система обес
печивает также одновременный заход на посадку нескольких са-
молетов с разными курсами, которые в непосредственной близо-
сти от ВПП меняют курс на посадочный
Применительно к морскому флоту описанная система дает воз-
можность обозначать практически любую траекторию движения
судна, что очень важно при обеспечении захода в различные бух-
ты и порты со сложным донным рельефом.
Точность ориентирования по описанной инструментальной сис-
теме главным образом зависит от стабильности работы устройст
ва сканирования луча в пространстве. Одним из возможных пу-
тей падежного решения этой задачи может служить использова
ние устройства, описанного в [ИО], в котором движение луча в
горизонтальной плоскости разбивается на ряд секторов, причем
каждый из них маркируется радиоимпульсом определенной часто-
ты. Количество секторов выбирается в зависимости от требуемой
точности определения курса. Принимая одновременно оптический
124
и радиосигналы па ориентируемом объекте, можно определять
номер сектора, а следовательно, и местоположение объекта. До-
стижимая точность курсоуказания в таких системах, как показы-
вают оценки, может составить 2 м при удалении на расстояние
1 км.
Таким образом, в данной главе рассмотрены визуальные, ви-
зуально-инструментальные и инструментальные системы, создан-
ные на основе предложенных оригинальных способов задания зон
ориентирования. Отметим также, что, как правило, созданные си-
стемы были испытаны в реальных условиях применения в различ-
ных портах страны. Результаты испытаний образцов ЛНУ обоб-
щены в заключительной главе монографии.
Глава 6.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ
ЛАЗЕРНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
6.1. ВИЗУАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ СВЕТОВЫХ
СИГНАЛОВ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРЫ
Основные свойства глаза как приемника световых сигналов
При решении задачи зрительной регистрации светового сиг-
нала необходимо учитывать физиологические свойства зрения че-
ловека и условия, при которых ведется наблюдение.
Наиболее важными свойствами глаза применительно к рас-
сматриваемым проблемам являются световая чувствительность,
или способность обнаружить разницу в яркостях предметов, спек-
тральная чувствительность, или чувствительность к цветоразличе-
нию, инерция глаза.
Дальность видимости световых сигналов тесным образом свя-
зана с пороговым зрительным восприятием наблюдателя. Если
яркости двух объектов близки между собой, то их характеризуют
порогом обнаружения еОбн или порогом исчезновения контраста
€исч- Экспериментально установлено, что еОбн>Енсч. Пороговый
контраст характеризует пороговое восприятие объекта на фоне,
если его угловые размеры достаточно велики. Если же объект то-
чечный, то пороговое восприятие определяется пороговой ярко-
стью, или пороговым блеском. В этом случае, как и в предыду-
щем, существуют пороги на исчезновение и появление.
Спектральная чувствительность глаза (абсолютная видимость)
определяется выражением =Ф/Фэ, где Ф — световой поток(вос-
принимаемая глазом мощность), лм; Фэ — энергетическая мощ-
ность излучения, Вт. Известно, что наиболее чувствителен глаз к
желто-зеленому излучению с длиной волны Х=0,55 мкм. При
этом энергетическая мощность излучения, равная 1 Вт, вызывает
световое ощущение, соответствующее световому потоку, равному
125
683 лм, т. е. в данном случае спектральная чувствительность Кт=
=Ку. (0,55) —683 лм/Вт.
Важная характеристика глаза — относительная спектральная
чувствительность, или относительная спектральная световая эф-
фективность излучения, или относительная видпость V(X) =
— KjJKm- Спектральная чувствительность глаза для любого мо-
нохроматического излучения имеет вид К,= /<тУ(А).
Различают кривые относительной видпости для дневных усло-
вий V(X) с максимумом на /.=0,555 мкм и для ночных условий с
максимумом на Х=0,507. Международный светотехнический сло-
варь рекомендует считать дневным зрением работу глаза, адапти-
рованного к уровням яркости по меньшей мере в несколько кан-
дел на квадратный метр, а ночным — работу глаза, адаптирован-
ного к яркости до нескольких сотых этой единицы.
Абсолютная световая чувствительность глаза характеризуется
пороговой яркостью В„, под которой принято понимать минималь-
ную яркость светового пятна, обеспечивающую возможность впер-
вые обнаружить с достаточной вероятностью это пятно на фоне
с яркостью, равной пулю. Величина, обратная пороговой яркости
пятна с угловым размером а^50°, определяет абсолютную свето-
вую чувствительность зрения. Абсолютный световой порог равен
10 6 кд/м2 для ахроматического излучения со сплошным спект-
ром.
Минимальный световой поток, еще способный вызывать ощуще-
ние света, определяют по наблюдению точечных источников. За
точечный источник обычно принимают излучатель с угловым раз-
мером a<Z15' Освещенность Е, создаваемая точечным источником
на зрачке наблюдателя, называется блеском источника. Величина
порогового блеска точечного ахроматического источника равна
2-10~9 лк [И1]. Если задавать яркость фона и не ограничивать
времени обнаружения, то можно определять минимальный блеск
точечного источника, который является критерием оценки видпо-
сти точечных источников.
Исследованию зависимости порогового блеска ахроматических
источников посвящено довольно много публикаций. Наиболее пол-
ные данные содержатся в [111], где обобщены результаты, полу-
ченные рядом исследователей за последние более чем 30 лет. Об-
работка этих результатов позволила автору для центрального зре-
ния предложить следующие эмпирические соотношения между
яркостью фона Вф и пороговым блеском Епор ахроматического по-
стоянного источника:
2- 10~8лк, Вф < IO-3 кд/м2,
Впор —
1,6- 10-7iB^°-6+OJ Ig вф) лк, 10-3 кд/м2 Вф << 30кд/ма,
1,6-10 7 В«-78 лк, Вф> 30 кд/м2.
(6.1)
126
При обнаружении сигналов зрительных СНО часто складыва-
ется ситуация, когда нужно опознать цвет сигнального огня, на-
пример при проводке по многоцветному секторному створу. Цве-
товой порог (цветоощущение) определяется минимальной освещен-
ностью на зрачке глаза наблюдателя, при которой начинает уве-
ренно восприниматься цвет.
В [111] приведено выражение для расчета пороговой освещен-
ности цветовых огней при различных яркостях фона и численных
значениях постоянных для красного, желтого и зеленого огней при
Вф=5-10-2...2,5-104 кд/м2:
Епор=Е'(В/Е)а1п(ВФ/В'),
где для красного огня Е'—0,45-10—6 лк; для желтого Е'=
= 1 10~6 лк; для зеленого Е'=0,56-10~6 лк; В—10-2 кд/м2; d=
=0,073. Постоянные Е' вычислены для всех цветов с коэффици-
ентом запаса, учитывающим причины, затрудняющие обнаруже-
ние и опознавание световых сигналов в реальных условиях.
Анализ формулы (6.1) показывает, что при Вф—10... 104кд/м2
пороги белого огня и цветовых огней отличаются: при Вф=
== 102 кд/м2 цветовой порог красного огня равен 8-Ю-6, белого —
1,5-10~5 лк, т. е. цвет красного огня обнаруживается сразу. При
Вф< 1 кд/м2 цветовые пороги выше порога белого огня. К сожа-
лению, данные цитируемых работ по цветовым порогам имеют
значительные расхождения, поэтому приведенные значения следу-
ет рассматривать как ориентировочные.
Дадим краткую характеристику еще одному свойству глаза —
его инерционности. Зрительная регистрация П-образпого импульса
вызывает постепенный подъем ощущения яркости, которое за вре-
мя длительности импульса (если оно достаточно мало — порядка
0,1 с) не достигает значения, соответствующего долговременному
действию той же яркости. После прекращения действия импульса
яркости ощущение постепенно спадает, приближаясь к пулю.
Здесь проявляется инерция зрения, которую принято характери-
зовать временем инерции, или временем сохранения зрительного
впечатления. Время инерции 0 зависит от многих факторов, но в
основном — от яркости фона ВФ. В [111] приведена приближен-
ная зависимость 6 от Вф в секундах:
6=0,13 0,08th (1g ВФ+1). (6 2)
Фоновые помехи в атмосфере
Одним из основных факторов, влияющих па граничные усло-
вия видимости лазерных СНО, является яркость фона, на кото-
ром эти средства наблюдаются. Световая обстановка (т. е. сум-
марное воздействие на глаз человека посторонних световых пото-
ков) постоянно меняется в зависимости от источников засветки,
их вида, расположения и энергетических характеристик. Яркость
фона, которую создает природная световая обстановка, меняется
в широких пределах: от 10~6 до 104 кд/м2.
127
Подавляющее большинство объектов, создающих фон опреде-
ленной яркости, не обладают собственным свечением. Такие объ-
екты видны за счет отражения от них света первичных естествен-
ных и искусственных источников, среди которых наиболее мощ-
ным является Солнце. Суточное движение Солнца, изменение рас-
сеивающих и поглощающих свойств атмосферы вызывают посто-
янное изменение яркости фона наблюдения. Таким образом, сум-
марная освещенность представляет сумму трех компонент: осве
[ценности от Солнца Ес, атмосферы Еа и подстилающей поверхно-
сти Земли Е3, т. е. Е—Ес-\-Еа-{-Е3.
Соотношение между компонентами Ес, Еа и Е3 зависит от по-
ложения Солнца, состояния атмосферы и направления наблюде-
ния После захода Солнца и перед его восходом прямая засветка
прекращается и остается рассеянное или сумеречное освещение
Существует несколько понятий сумерек:
«гражданские», определяемые моментом захода Солнца, при
которых освещенность горизонтальной поверхности в зависимости
от состояния атмосферы может достигать 500 ... 60 кд/м2;
навигационные, при которых видимость заметно ухудшена, на
небе начинают появляться наиболее яркие звезды и планеты;
астрономические, в которых при отсутствии Луны уже темно,
видны звезды и на западе светлая полоска зари.
Ночью основным интенсивным естественным источником за-
светки является Луна. При отсутствии Луны и зари к числу ис-
точников ночной освещенности можно отнести [112] искусствен-
ные световые источники и свет звезд, Млечного пути и т. д. При
засветке глаз наблюдателя естественными и искусственными ис-
точниками не принято рассматривать спектральный состав фона,
так как считается [112, 113] в пределах погрешностей, не превы-
шающих точность визуальных измерений, что он не является су-
щественным фактором при визуальной регистрации, если опреде-
ляется эквивалентная яркость фона. Поэтому везде в дальнейшем
спектральный состав фона учитывать не будем.
Засветки Солнцем, Землей, Луной. Изменение освещенности
прямыми лучами Солнца па плоскости, перпендикулярной к этим
лучам, в зависимости от зенитного расстояния выражается фор-
мулой Буге
Ес = Е±ет^,
где е — коэффициент прозрачности земной атмосферы, представ-
ляющий прозрачность всей толщи воздуха для луча, идущего от
светила в зените; т(г)—воздушная масса, выражающая опти-
ческую длину пути луча в атмосфере для светила, находящегося
на зенитном расстоянии z. На плоскости, перпендикулярной к его
лучам, Солнце создает освещенность 135 000 лк [112].
Рассеянный атмосферой свет формирует определенную яркость
небосвода, зависящую от азимута Солнца, состояния атмосферы
и т. д. В зависимости от расстояния рассматриваемого участка
небосвода до Солнца и высоты участка пад горизонтом яркость
128
безоблачного неба изменяется от десятых долей до 1 ..2 лк Рас-
сеянный чистой атмосферой свет создает на горизонтальной плос-
кости освещенность, которая составляет 20... 30% определяемой
прямым светом Солнца. При пасмурной погоде горизонтальная ос-
вещенность в средних широтах равна (1 .2)-104 лк [113].
При высокой прозрачности атмосферы яркость нормальной к
солнечным лучам земной поверхности может меняться от 0,13 до
2,8 лк, если последняя отражает по закону Ламберта. В момент
захода и восхода Солнца освещенность горизонтальной поверхно-
сти в зависимости от состояния атмосферы может иметь значения
50 ... 600 лк [112]. Полная Луна в зените создает на поверхности
Земли, перпендикулярной к направлению падающих лучей, осве-
щенность 0,25 лк, а половина лунного диска 0,03 лк. При сред-
ней облачности освещенность от полной Луны составляет 0,05...
...0,1 лк, средняя яркость ночной Лупы 0,25 лк.
Яркость ночного неба. Фон ночного неба определяется светом
звезд, планет, Млечного пути, зодиакальным светом и слабым
собственным излучением атмосферы. Средняя яркость собствен-
ного излучения атмосферы примерно равна 2-10 5 кд/м2. Яркости
Млечного пути и зодиакального света одного порядка (2... 4) X
Х10~4 кд/м2. В ясную безлунную ночь общая освещенность от
звезд составляет около 3-10“5 лк. Суммарная освещенность от
звезд и неба достигает 3-10~4 лк [112].
Определение значении светового порогового блеска
Рассмотренные в работе способы построения лазерных СНО
предполагают две возможности визуальной регистрации их сиг-
налов регистрацию лазерных проблесков малой длительности от
точечного источника—для СНО, основанных на сканировании ла-
зерного пучка; регистрацию яркости больших угловых размеров —
для СНО, основанных на фиксировании рассеянного излучения от
неподвижного лазерного пучка.
При наблюдении сигналов лазерных СНО со сканирующими
пучками имеем дело с проблесковым характером излучения. Ча-
стота появления проблесков изменяется в пределах 0,7...3 Гц,
длительность проблеска.
Тпр^С /2fnoppy
В среднем для реальных условий применения лазерных СНО со
сканирующими пучками значения переменных равны: /гор=0,7 Гц,
а=4', р = 9°, у=2,5°. Тогда тпр=1,4- 10~4 с.
Видимость точечных источников, вспыхивающих на короткое
время, давно изучалась в связи с широким применением проблес-
ковых огней для маяков. Наиболее полные результаты содержат-
ся в известных работах Блонделя и Рея. Они нашли эксперимен-
тальную зависимость между пороговой освещенностью на зрачке
наблюдателя £ПОр, создаваемую точечным источником света, и
длительностью проблеска т
£поР== £оо (тпр+6) /тпр, (6.3)
5—147 129
где foo — пороговый блеск при длительном действии источника;
0 — время инерции, определяемое выражением (6.2).
Расчет. Определим значения пороговой чувствительности зре
ния для проблесковых источников света с учетом данных, приве
денных в [112, 113]. Специфика задачи требует, чтобы пороговый
блеск был определен как цветовой порог обнаружения с некото-
рым коэффициентом запаса (поиска), учитывающим причины, за
трудняющие обнаружение проблесков в реальных условиях, а
именно: неизвестность времени появления и расположения, огра-
ниченность периода наблюдения и т. п. Обычно коэффициент за
паса выбирают равным 6,0 [112].
Поскольку £поР, опредетяемые выражениями (6.1), получены
для ахроматического источника, цветовые пороги
£'"пор== Л/, £пор, (6.4)
где Ку. — относительный коэффициент видности для данной длины
волны Расчетные значения цветовых порогов блеска £?-11Ор при
различных яркостях фона Вф для центрального зрения, получен-
ные с помощью (6.1) — (6 4) для длин воли излучения, обычно ис
пользуемого в лазерных СНО, приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Вф. кд.'м! Вт;м:. при Тп1,--10-> «•
7 =0.48 0.51 мкм / -о.га мкм 0.64 мкм
2,5-10-э (ночь ясно) 8-10-8 1,2-10~7 1,210-’ 7 10-10
1,3-10-' (лунное освеще иие, ясно) 12 10—7...3,2-10 7 3,3 10 9 2 10-9
0,5 (сумерки, пасмурно) 2-10 7 7-10 6 3,6-10 7 2,4-10 7
13 (сумерки, ясно) 2-10 7 7Ю~7 3.8 10 ° 2 10 6
500 (день, туман) 3,4-10—5 2 10~1 6,6-10 6 4,3-10—Б
Эксперимент. Несмотря па значительное число работ, посвя-
щенных определению световых порогов в зависимости от яркости
фона адаптации (см., например, [111 — ИЗ]), вопрос о зависимо-
сти порогового блеска от яркости фона еще нельзя считать решен-
ным. В известных работах на эту тему не приведены данные о
спектральном составе излучения, тогда как эффективный свето-
вой поток цветного источника, действующий на глаз наблюдателя,
существенно зависит от распределения энергии по спектру. У од-
ного и того же цвета может по-разному распределяться энергия
по спектру, т е цветовой светофильтр имеет разную полосу про-
пускания. Это приводит к получению различных цветовых порогов.
Следует также отметить, что авторы экспериментов по определе-
нию цветовых порогов, проводимых в основном в лабораторных
условиях, нечетко оговаривают эти условия, не указывают рабо-
чую зону сетчатки, тип порога, угловой размер источника, в ре-
зультате получаются различные цветовые пороги.
130
Приняв во внимание все вышеизложенное, а также то, чтб
опубликованные данные о цветовых порогах зрения для лазерных
источников света в литературе отсутствуют, были проведены по-
левые измерения цветовых порогов для нейтрального зрения при
регистрации непрерывного и проблескового источников света
[114]. Луч лазера (рис. 6.1) с помощью дефчекторов Д1 п Д2
разворачивался в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
После прохождения им дистанции L=1475 м его регистрирова-
ли пять наблюдателей на противоположном конце трассы. Воз-
можность изменения частоты развертки по вертикали и горизон-
тали позволяла получать длительности проблеска от 10 до
10'5 с, которые с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ
и усилителя постоянного тока У7-1 регистрировались на осцилло-
графе С1-68. Яркость фона в направлении наблюдения измеря-
лась люксметром Ю-17. Для наблюдения прямого непрерывного
излучения настройка луча проводилась при неподвижных зерка-
лах дефлекторов Д1 и Д2 с помощью микрометрических винтов.
В измерителях использовались лазеры ЛГ-106М, Л Г-38 и
ЛГ-106М-1, генерирующие излучение с длинами волн соответст-
венно 0,48 ...0,51; 0,63; 0,64 мкм.
Цветовой порог обнаружения определялся путем уменьшения
от максимального значения оптической плотности нейтральных
фильтров /, ослабляющих выходную мощность лазеров, регист-
рируемую измерителем мощности 2 типа Model-212 фирмы
Coheren Radiation. Величина цветового порога для ночных усло-
вий при наблюдении непрерывного лазерного источника рассчи-
тывалась по формуле
= 4 ро ехр (-3,9 Sm/L) л (aL?, (6.5)
для проблескового лазерного источника
Е>- „ =£»; 6/тпр (6.6)
В выражениях (6.5) и (6.6) использованы следующие обозначе-
ния: Ро — мощность, регистрируемая измерителем мощности 2;
а — полная расходимость пучка лазера; S,„— метеорологическая
дальность видимости; L — дистанция наблюдения; 0 — время
инерции глаза; тп₽ — длительность проблеска
Для вычисления Е>-„ор и f'nop.np измерялись: Sm — по изме-
рителю дальности видимости РДВ 1 т„р — по осциллографу
Рис. 6.1 Схема экспериментальной установки для полевых измерений цветовых
порогов лазерных световых сигналов
5* 131
С1-68, а также диаметр зрачка глаза наблюдателей и площадь
пятна излучения лазера в месте приема. Величина цветового по-
рога для дневных условий наблюдения определялась с помощью
измерительного тракта ФЭУ—У7-1—С1-68, который предвари-
тельно калибровался.
Результаты измерений. Экспериментальные данные о цветовых
порогах, полученные при полевых измерениях и усредненные по
пяти наблюдателям, представлены на рис. 6,2 и 6.3. На рис. 6.2
приведена зависимость цветового порога Епор непрерывного ла-
зерного источника от яркости фона кружки и точки — экспе-
риментальные данные для лазерного излучения с длинами волн
соответственно 0,48 ...0,51 и 0,63 мкм. Экспериментальные значе-
ния £°'езпОр и £°’64пор оказались близкими, поэтому на рисунках
Е\Ор даны для Х=0,63 мкм. На рис. 6.2 приведены расчетные зна-
чения Ехпор, определенные по формулам (6.1) и (6.4). На рис. 6.3
представлены цветовые пороги Ехпор.пр проблескового лазерного
источника в зависимости от яркости фона кружки и точки —
экспериментальные данные проблесков длительностью 10-4 с для
лазерного излучения с длинами волн соответственно 0,48... 0,51 и
0,63 мкм. Кривые / и 2 рассчитаны по формулам (6.1) и (6.3),
(6.4) соответственно для Х=0,48... 0,51 мкм и ^.=0,63 мкм.
Результаты эксперимента свидетельствуют о наличии сущест-
венной разницы (в некоторых случаях на порядок) между данны-
ми эксперимента и рассчитанными по эмпирическим выражениям,
которую необходимо учитывать при энергетических расчетах визу-
альной дальности обнаружения лазерных СНО в атмосфере.
Рис. 6.3. Зависимость значения цве-
тового порога от величины фона при
наблюдении проблесковых лазерных
световых сигналов
Рис. 6.2 Зависимость значения цве-
тового порога от величины фона при
наблюдении постоянного лазерного
источника света
132
Определение значений порогового контраста
При прогнозировании визуальной дальности обнаружения в
атмосфере протяженных источников света (случай приема рассе-
янного излучения от неподвижного лазерного пучка СНО типа
«Глиссада») необходимо знать пороговые значения разности яр-
кости объекта и фона Д/3Пор=Во—Вф или пороговые значения
контраста обнаружения [159]
Кпор=ДВпор/Вф. (6.7)
Методам расчета Knop посвящено значительное число работ
(см., например, [115]). В них приведены эмпирические зависи-
мости, полученные путем аппроксимации результатов экспери-
ментов, но использовать их для решения практических задач мож-
но только для тех условий, которые реализовались в эксперимен-
те.
Другой подход к описанию работы глаза предусматривает
учет квантовой природы электромагнитного излучения с позиций
теории информации и статистической теории обнаружения сигна-
лов в шумах [116, 117]. Так, в [116] пороговая контрастная чув-
ствительность глаза рассчитана с использованием информацион-
ного критерия. Данные расчета пороговой контрастной чувстви-
тельности глаза /Спор в зависимости от яркости фона Вф приведе-
ны в табл. 6.2.
Сравнение этих данных с эмпирическими зависимостями, полу-
ченными в [115, 119], показывают, что они удовлетворительно
совпадают в области дневного зрения.
Поскольку при прогнозировании визуальной дальности обнару-
жения лазерных СНО типа «Глиссада» необходимо знать значения
порогового контраста цветового источника в зависимости от яр-
кости фона, приведенные данные, полученные для ахроматических
источников, надо рассматривать как ориентировочные. Более
близкими следует считать результаты работы [119], которые
представлены па рис. 6.4. Используем эти данные при прогнози-
133
рованин дальности обнаружения лазерных СНО типа «Глиссада».
Если принять в качестве порогового контраста величину Knop—
— 0,02, то для обнаружения излучения, рассеянного от неподвнж
ного лазерного пучка, необходимо выполнение неравенства В-^>-
^1,02Вф. Значения Вф и В- для к — 0,63 и 0,64 мкм, обычно ис-
пользуемых в лазерных СНО типа «Глиссада», находятся в еле
дующих пределах. Вф=1,4-10 ...5,04-10 3 Вт/м2; Вс = 8,4-10
...2,04-10 1 В г/м2.
Предельно допустимые безопасные расстояния при наблюдении
сигналов лазерных СНО
При регистрации проблесков лазерных СНО со сканирующими
лазерными пучками возникает вопрос об определении минималь
по допустимых расстояний, при которых воздействие проблесков
лазерного излучения не приводит пи к органическим изменениям
в зрительном анализаторе, пи к функциональным изменениям в
организме. Минимально допустимые расстояния, определенные па
основе нормативных документов по санитарной безопасности при
работе с лазерами [6], приведены в табл. 6.3.
Нормы предельно допустимых уровней (ПДУ) лазерного из-
лучения, разработанные авторами Американского национального
стандарта [120], близки к вышеприведенным для соответствую
щпх длин волн.
При расчетах минимально допустимых безопасных расстояний
необходимо пользоваться фотометрическими понятиями, кото| ые,
как показано в [121] можно применять к описанию поля лазер-
ного излучения, считая, что наблюдатель находится в дальней
зоне лазерного пучка, а следовательно, лазерный источник мож-
но рассматривать как точечный.
Плотность мощности лазерного излучения, падающего на ро-
говицу глаза, определяется выражением
Р=Роехр(—aL)/S, (6.8)
где Ро — мощность лазерного излучения па выходе лазер-
ного СНО: S — площадь пятна лазерного пучка в мес-
те приема; а — коэффициент ослабления атмосферы; L —
дистанция. Будем считать, что ослабление лазерного излуче-
Таблица 6.3
Z. мкм Предельно допустимые уровни лазерного излучения. Вт/см2, на рого- вице глаза * для различных воли и длительностей проблеска тпр, с
10—4 Ю ’ 10-’ Ю-'
0,49 2-Ю-3 1-10 4 4-10—6 2 10“1
0,53 2 10-~3 2-10 4 1-10 1 8-10 s
0.63 0 65 1 10 2 з-ю-3 2-Ю—3 9-10- 4
* Диаметр зрачка 8 мм.
134
иия атмосферой мало и в выражении (6.8) положим значение эк-
споненты, равное единице. Тогда минимально допустимое расстоя-
ние
£-(4Р0/л/Рр2„)1/2. (6.9)
где р„— расходимость лазерного пучка.
Приведем значения L для конкретных типов лазеров, исполь-
зхемых в СНО, с учетом, что т„р= 10-’ с;
ЛГ-38: Ро=5-10"2 Вт; 0П=О,581О 1 рад; 2.=0,63 мкм; Р=1(Е2
Вт/см2, тогда L=l,04 м;
ЛГ-106М-1 (Кг). Ро = 0,9 вт. рп=1,2.10 3 рад; Л-0,64.. 0,67
мкм; Р=10-2 Вт/см2, тогда L = 3,09 м;
ЛГ 106М-1 (Аг): Ро=1 Вт; рп- 1,2-10 3 рад; л=0,48.. 0,51 мкм;
-Р=2-10-3 Вт/см2, тогда /_ = 8,53 м.
Полученные значения L показывают, что при сделанных выше
допущениях лазерные СПО, основанные иа сканировании пучка
лазера, могут представлять опасность без применения ослабите-
лей в ночных условиях только для персонала, обслуживающего
эту систему, поскольку в реальных условиях при проводке по ка-
налу судно выходит из зоны действия сканирующих пучков на
расстоянии L~250... 300 м.
6.2. ВИЗУАЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ
ЛАЗЕРНОГО МАЯКА
Теоретические исследования
Одно из основных требований, предъявтяемых к зрительным
СНО, — необходимость обеспечения заданной дальности обнару-
жения и уверенного приема их сигналов. Рассмотрим эту характе-
ристику лазерных СНО и особенностей визуального приема их
сигналов в условиях атмосферы.
Распространение оптических сигналов в атмосфере описыва-
ется уравнением переноса Методы решения уравнения переноса
сложны, приближенные аналитические решения получены только
для отдельных частных случаев [10]. При расчете дальности об-
наружения лазерных СНО для малых оптических толщин хоро-
шим приближением решения уравнения переноса явтяется при
ближение однократного рассеяния. Для значительных оптических
толщин численное решение уравнения переноса при соответству-
ющих начальных и граничных условиях можно получить методом
статистического моделирования.
Расчет в приближении однократного рассеяния С учетом рас-
ходимости лазерного пучка р,, плотность мощности излучения Р,
падающего па глаз наблюдателя на расстоянии L, в приближе-
нии однократного рассеяния запишем в виде
(6J0>
/ 0 0
135
Соотношение (6.10) использовано для вычисления визуальной
дальности обнаружения следующих типов маяков.
традиционного с силон света 20 000 кд и расходимостью пучка
излучения 12°;
лазерного с использованием в нем HE-Ne-лазера с параметра-
ми р„ = 10', Ро = 2О мВт; Х=0,63 мкм; лазера па ионах Кг с рп=
=4', Ро=О,9 Вт и &=0,64 мкм; лазера на ионах Аг с рп=4', Ро =
= 1 Вт и Х=0,48 ... 0,05 мкм.
Поскольку предполагалось, что характер действия огня тради-
ционного маяка постоянный, а лазерного — проблесковый, то в ра-
счетах для традиционного маяка использовали выражение (6.10),
а для лазерного — правую часть выражения (6.10) умножали на
коэффициент /С, определяемый зависимостью Блонделя—Рея (со-
отношение 6.3).
Предельная дальность обнаружения определялась по следую-
щей схеме:
с помощью выражений (6 10) и (6.3) рассчитывалась плотность
мощности в месте приема в зависимости от дальности и для раз-
личных значений метеорологической дальности видимости;
задавалась пороговая чувствительность зрения наблюдателя
при интересующей яркости фона наблюдения и для соответствую-
щей длины волны;
из сравнения пороговой чувствительности зрения и расчетной
плотности мощности определялась предельная дальность визуаль-
ного обнаружения маяка [114, 122].
Расчеты производились для тумана с метеорологической даль-
ностью видимости Sm=0,5... 1 км, а также для дымки с Sm=
= 1 . 20 км. Индикатриса рассеяния f(tp, р) выбиралась с учетом
Рнс. 6.5. Визуальная дальность об-
наружения мощного теплового источ-
ника I и лазерных источников II в
зависимости от значения'' 5тп (расчет
в приближении однократного рассея-
ния)
результатов исследования, изло-
женных в гл. 3.
Результаты расчетов представ-
лены на рис. 6.5, где по оси абс-
цисс отложена предельная даль-
ность визуального обнаружения
L, а по оси ординат — метеороло-
гическая дальность видимости
Sm. Кривые / соответствуют теп-
ловому источнику, кривые // —
лазерным источникам с вышепри-
веденными параметрами. Для
всех кривых при одном и том же
Sm минимальные L соответству-
ют дневным условиям, макси-
мальные L—ночным. Данные рас-
четов наглядно иллюстрируют
преимущества лазерных источ
ников света с точки зрения даль-
ности их обнаружения по срав-
136
нению с тепловыми источниками. Приближенно предельные рас-
стояния визуального обнаружения тепловых и лазерных источни-
ков можно определить зависимостями Lтепл—(0,7 ... 1,5)и
£Окт~ (2,5... 4)Sm. Диапазон изменения L соответствует дневным
и ночным условиям.
При визуальной регистрации траектории распространения ла-
зерного луча, как, например, для лазерных СНО типа «Глисса-
да», схема наблюдения будет иной, чем при регистрации сигналов
в устройствах со сканирующими лазерными пучками. В [123] в
приближении однократного рассеяния для лазерных СНО типа
«Глиссада» рассчитана освещенность глаза излучением He-Ne-ла-
зера с выходной мощностью Р=100 мВт в капельном и кристал-
лическом туманах для двух значений Sm = 400 и 100 м. Результа-
ты и схема расчета приведены на рис. 6.6, на котором прямая 1
соответствует капельному туману, 2 — кристаллическому. Предель-
ные дальности обнаружения получаются при пересечении прямых
1 и 2 с прямой, определяющей величину порогового значения фо-
на До.,.3-
К сожалению, ценность полученных результатов явно снижается
из-за необоснованного выбора значения порогов £0...3. Визуальное
восприятие лучей системы «Глиссада» является наблюдением
тела яркости больших угловых размеров, которое нельзя прини-
мать за точечный источник света. В результате некорректного
выбора значений зрительных порогов предельные дальности об-
наружения лучей «Глиссада» сильно завышены. Так, при Sm=
= 0,4 км и угле между оптическими осями пучка и приемника
6 = 2° предельная дальность обнаружения £=1,0 км при яркости
фона лунной ночью при наличии снега.
Результаты натурных экспериментов системы «Глиссада» не
подтверждаются данными, приведенными в [123] В рассмотрен-
ном случае следует оперировать цветовым порогом контраста яр-
кости луча и значением яркости фона, на котором он наблюдает-
ся (см., например, [112]). Если взять значение яркости фона
Рис. 6.6. Схема и результаты расчета предельной дальности наблюдения лазер-
ного луча нз точки В и при значении 0 = 2°
137
2,5-10-3 кд/м2, которое реализуется ночью в отсутствие облачно-
сти, то для видности луча He-Ne-лазера необходимо, чтобы он
имел яркость не ниже 1,43-10 8 Вт/см2. Соответствующая пре-
дельная дальность составляет 0,7 км и достаточно близко лежит
к экспериментально наблюдаемым данным. Для ночных условий
при наблюдении лучей системы типа «Глиссада», как следует из
[123], с учетом рассмотренного выше значения зависимость между
L и S,„ будет иметь вид LssO6Sm. Для дневных условий лучи не
обнаруживаются
Расчеты, проведенные в приближении однократного рассея-
ния, наглядно иллюстрируют преимущества с точки зрения даль-
нодействия средств судовождения со сканирующими лазерными
пучками.
Расчет с учетом многократного рассеяния. Представленные на
рис. 6.5 и 6.6 данные расчетов, проведенных в приближении од-
нократного рассеяния, не учитывают влияния многократного рас-
сеяния, которое для больших углов зрения приемника может
быть значительным даже при т»1 [9]
Рассмотрим результаты расчетов методом статистического мо-
делирования (методом Монте-Карло) предельных дальностей об-
наружения лазерных СНО со сканирующими пучками и типа
«Глиссада».
Схема, использованная при расчете L для систем со сканиру-
ющим пучком, приведена на рис. 6.7. В точке S расположен ла-
зер, излучение которого направлено вдоль оси Z и имеет расходи-
мость р„. В точке А, расположенной на оси Z и отстоящей от
точки S на расстоянии L, находится наблюдатель с апертурой
приемника 2v. Количественной характеристикой регистрируемого
излучения является величина потока рассеянного на глаз излу-
чения. Алгоритм расчета потоков рассеянного излучения реализо-
ван Г. М Крековым и В В Беловым па языке ALCOL—АСВТ и
основан на методе локального счета, который достаточно подроб-
но изложен в [14]
Результаты расчетов приведены для следующих параметров
среды и лазерного СНО.
1. Характеристика лазерного пучка
длина волны излучения Х=0,48 ... 0,51; 0,63 ...0,64 мкм;
расходимость излучения рп = 2', 4',
выходная мощность Ро = 0,02; 1 0 Вт
2. Параметры зрительного анализатора
угол зрения 2v=10°,
цветовой порог чувствительности выбран по данным,
приведенным на рис. 6 4
яркость фона наблюдения 1-Ю-3 кд/м2.
3 Параметры рассеивающей среды
облако (Sm=0,l 0 65 км) в соответствии с моделью куче
вого облака типа G [81];
туман (S„, 0,4 1,0 км) и дымка (Sm— 1,0... 20 км) в соот
ветствии с данными гл 3
138
Рис. 6.7. Геометрическая схема чис-
ленного эксперимента при решении
задачи визуального обнаружения сиг-
налов проблескового лазерного маяка
Результаты расчетов представ-
лены на рис. 6.8, где по оси абс-
цисс отложены предельная даль-
ность визуального обнаружения,
по оси ординат — метеорологиче-
ская дальность видимости. Пря-
мая 1 относится к дневным усло-
виям наблюдения Вф=103 кд/м2,
прямая 2 —к ночным Вф=10-3
кд/м2. Данные, приведенные на
рис. 6.8, соответствуют лазеру с
Ро = 1 Вт; 0п=4'; л=0,64 мкм.
На основании полученных результатов предельную дальность
визуального обнаружения можно выразить через метеорологичес-
кую дальность видимости в виде Lx (3... 5)S„ для дневных и
ночных условий соответственно.
Значения дальностей визуального обнаружения иавигацнон-
«ых средств типа «Глиссада» рассчитаны по схеме, представлен-
ной на рпс. 6.9, где в точке S расположен источник излучения, а
в точке Л, отстоящей от S на расстоянии L и от оси пучка на
расстоянии /,— наблюдатель; 0П и 2v — апертура источника и
приемника соответственно; ф — угол между осями пучка и на-
блюдения Расчеты проведены для таких же параметров среды,
как и для схемы со сканирующим пучком. Характеристики ла-
зерного сигнала имели значения; Х=0,64 мкм; 0„=4 , Ро=1 Вт.
Параметры глаза наблюдателя выбирались равными 2v=10°; кон-
трастная чувствительность взята с учетом данных разд. 6.1; яр-
кость фона наблюдения 10 3... 10 я кд/м2. Геометрия схемы: ди-
станция обнаружения Ь=0,2... 5
Рис 6.8. Визуальная дальность обна-
ружения сигналов проблескового ла-
зерного маяка в зависимости от
((расчет с учетом кратного рассея-
ния)
км; расстояние от оси пучка до
точки приема /=15.. 180 м.
Результаты расчетов пока-
зывают [124], что при яркости
фонового излучения атмосферы,
возникающего после захода
Солнца в пасмурных услови-
ях, Вф = 0,5 кд/м2 и при зна-
чениях угла между оптической
Рис. 6.9 Схема численного экспс
римента для задачи визуального
обнаружения сигналов системы
«Глиссада»
133
осью пучка и направлением на источник из точки наблю-
дения ф = 1 лазерный пучок будет обнаруживаться с рас-
стояний порядка метеорологической дальности видимости. На-
пример, при =0,3 км 0,3 км. Для -ф = 3° и Вф—10-3 кд/м2
пучок можно обнаружить с расстояния около (1 . 2)Sm. Для
ф = 5с и Вф=10-3 кд/м2 из результатов расчета следует, что ла-
зерный пучок обнаруживается с расстояний (0,6... 0,8) Sm. Та-
ким образом, расчеты показывают:
увеличение угла между оптической осью пучка и направлени-
ем иа источник в предетах 1 ..5° приводит к резкому уменьше-
нию дальности обнаружения;
при ф=3° и 0,2 км 1,7 км в сумеречных условиях в
тумане лазерный пучок не обнаруживается;
при ф=Г в ночных условиях при Вф=-0,5 кд/м2 расстояние
1= (2,5 ...3)Sm.
Результаты экспериментальных исследований
Экспериментальное определение предельных дальностей визу-
ального обнаружения лазерных СНО проводилось как на специ-
ально оборудованных полигонах, так и в натурных условиях в
различных аэро- и морских портах. Определение предельных даль-
ностей действия лазерных маяков осуществлялось путем много-
кратных измерений дальности видимости лазерных маяков, штат-
ных огней и створных знаков в различное время суток и в разных
метеоусловиях. Для исключения влияния субъективных факторов
группа наблюдателей состояла из трех человек. Наблюдения ве-
лись невооруженным глазом и с использованием бинокля. За кри-
терий предельной дальности видимости принималось расстояние
от лазерного маяка до наблюдателя, при котором последний чет-
ко различал характеристики проблескового огня во всех зонах
ориентирования.
Положение судна на створе фиксировалось с помощью радио-
локатора, а где это было невозможно — засекалось по пеленгам
береговых знаков и расстояние снималось с планшета или карты
крупного масштаба.
Всего за время натурных испытаний лазерных СНО в портах
Одессы в 1974—1980 гг., Диксон в период осени 1980 г. и Игарка
в 1982 г. было получено свыше 500 данных о предельных даль-
ностях обнаружения сигналов маяков при изменении метеорологи-
ческой дальности видимости от 0,2 до 50 км, в условиях измене-
ния в широких пределах других метеорологических и синоптиче-
ских параметров атмосферы, в различное время суток.
Методика определения предельных расстояний обнаружения
сигналов маяков системы ССМ при заходе самолета на посадку
заключалась в следующем: на борту самолета кроме пилотов на-
ходились наблюдатели которые в момент обнаружения проблес-
ков маяков фиксировали их с помощью устройства запуска шлей-
фового осциллографа Полученные таким образом данные усред-
140
ет. ,____
t д -шецеметьево
Рис. 6.10. Предельная дальность ви-
зуального обнаружения проблеско-
вых огней лазерного маяка при раз-
личных Sm (1, 2 —данные расчета)
мялись по количеству наблюдате-
лей и числу выполненных захо-
дов на посадку С целью привяз-
ки моментов обнаружения про-
блесков ССМ к дальности от
ВПП на осциллографе произво-
дилась отметка времени пролета
дальнего и ближнего приводных
маяков В период 1972—1978 гг.
в портах Шереметьево и горо-
дов Борисполя и Томска было по-
лучено свыше 300 значений Lmax
при изменении Sm в пределах
0,7 — 20 км.
Результаты эксперименталь-
ных исследований представлены
на рис. 6.10—6.12.
На рис. 610 приведены резуль-
таты экспериментальных изме-
рений предельных дальностей обнаружения сигналов сканирую-
щего маяка, полученные при испытаниях курсоглиссадной систе-
мы ССМ и лазерных навигационных створов в сравнении с теоре-
тическим расчетом. Рисунок иллюстрирует достаточно хорошее со-
впадение данных расчета и эксперимента.
На рис. 6.11 приведена дальность видимости невооруженным
глазом различных зрительных СНО в зависимости от времени су-
ток, а на рис 6.12 — при использовании бинокля.
В ряде случаев при определении максимальной дальности
действия маяка следует учитывать его географическую дальность
видимости, так как в условиях высокой прозрачности атмосферы
именно от нее может зависеть максимальная дальность обнару-
жения маяка. Географической дальностью видимости LT называют
расстояние, при котором объект заданной высоты появляется из-
за линии видимого горизонта. Географическая дальность слага-
Рис 6.11. Дальности обнаружения
зрительных СНО в различное время
суток
Рис. 6.12. Дальности обнаружения
зрительных СНО в различное время
суток с помощью бинокля:
1—лазерный створный маяк. 2— штат-
ный огонь (фонарь АМС 20). 3 — знаки
141
ется из дальностей видимого горизонта с высоты глаза наблюда-
теля Lin и с высоты наблюдаемого маяка Lhi. Значение геогра-
фической дальности видимости в милях с учетом сре ней рефрак-
ции и кривизны земли определяется по формуле
£г = 2,08(]/й;-|-/Л2) .
где h\ — высота расположения глаза наблюдателя от уровня
моря, м: /12 — высота маяка от уровня моря, м.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие
выводы
1. Для лазерных СНО, как и для традиционных зрительных
средств посадки самолетов и судовождения, следует различать
дневную и ночную дальности видимости.
2. На дальность действия существенно влияет прозрачность
атмосферы, причем в условиях значительных помутнений атмос-
феры видимость лазерного маяка уменьшается, ио все же остается
выше, чем штатных огней и знаков
3. В дневных условиях значительное влияние на дальность ви-
димости оказывает яркость фона. В этих условиях видимость
штатных знаков в определенных условиях их освещения солнцем
бывает значительно выше, чем штатных огней, и сравнима с даль-
нодействием лазерного маяка.
4 Использование бинокля увеличивает дальность видимости
сигналов лазерного маяка на 40. 50% при Sm«10... 20 км и
на 10 ... 20% при S„i» 1 ... 5 км.
5. Во всех случаях наблюдений дальность видимости лазерно-
го маяка выше дальности видимости штатного источника света
(фонарь АМС-210, аэродромные огни ОВИ) не менее чем в 1,5
раза.
6. Наибольшее преимущество лазерного источника света про-
является в ночных и сумеречных условиях, а также в условиях
пониженной метеорологической дальности видимости. В этот пе-
риод дальность видимости штатных огней и знаков всегда в 2 и
более раз меньше, чем дальность видимости лазерного источника
света. Это обстоятельство имеет особое значение для обеспечения
плавания в Арктике в весенний и осенний периоды, когда сумерки
занимают большую часть суток при условиях пониженной види-
мости в атмосфере.
7. Среди рассмотренных зрительных СНО наибольшим даль-
нодействием в условиях ограниченной видимости обладают ла-
зерные средства со сканирующими лазерными лучами.
6.3. ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Общие сведения
Как отмечалось выше, для обеспечения ориентирования в опи-
санных лазерных навигационных устройствах со сканирующими
лучами используются два различных метода метод, основанный
142
на наблюдении эффекта «бегущего огня», и метод задания зон
ориентирования, различающихся цветностью или характером дей-
ствия огня. Точность ориентирования с использованием этих ме-
тодов в той Дли иной степени определяется влиянием следующих
факторов: точностью задания угловых размеров зон ориентиро-
вания устройством сканирования луча и их стабильностью во
времени; влиянием атмосферы на траекторию распространения
лазерного лучй; особенностями глаза человека как приемника
проблесковых Световых сигналов; характеристиками лазерного
пучка, и прежде всего стабильностью диаграммы его направлен-
ности и равномерностью распределения мощности излучения по
сечению «пучка. В данном разделе остановимся па результатах
исследования влияния указанных факторов на точность ориенти-
рования для каждого из указанных методов задания зон ориен-
тирования, а также на результатах натурных испытаний различ-
ных устройств в портах страны.
Теоретические оценки
Точность ориентирования по наблюдению эффекта «бегущего
огня». Определим расчетную линейную чувствительность двух- и
трехточечпого створов, а также точность задания курса в системе
ССМ. При определении чувствительности ограничимся рассмот-
рением работы боковых маяков, так как в пределах ±0,25° от оси
створа сигналы центрального маяка не обнаруживаются.
Пусть боковые маяки расположены в точках А и В и разне-
сены между собой на базу S (рис. 6.13). Маяки А и В синхрон-
но сканируют лучи навстречу друг другу на угол 0, причем кур-
совая линия «перпендикулярна линии АВ и делит се пополам.
Предположим, что при смещении движущегося объекта на рас-
стояние у от курсовой линии навигатор заметил неодновремен-
ность проблесков. Тогда можно записать
tg? = °-^ и tg(6+Y)= °'55-+г/ . (6.11)
X X
Преобразуя приведенные выражения, получаем уравнение
у2 4- — у-(0,25 S2 + х2) = 0, (6.12)
tg Y
Рис. 6.13. Схема расчета
точностных характерис-
тик
143
решениями которого будут выражения
I/i.8= ~ ± -\f~ +(0,25Sa + x). (6.13)
tgY V tgy
В решениях (6 13) преобразуем подкоренное выражение к
виду /
2- [1 + 9>2£ .^+21 tg»v],/2 /
tgy L х» rJ
и, учитывая малость угла у, ограничимся первый членом в раз-
ложении. Тогда подкоренное выражение запишется в виде
Vi,2= - р- ± 1+4- 0,2S-^+ } tg2^] . (6.14)
tgy tgy 2 х» J
Второй корень решения (6.14) находится за пределами зоны ори-
ентирования, следовательно, решением уравнения является
tgv/ 0,243»
У х -j- -------
(6.15)
Выразим угол у через характеристики створа:
Y=(o6 = Pfr0p6. (616)
Подставляя (6 16) в (6.15), получаем
у= tg(Pfrop6) / +
2 \
0,25 5»
х
(6.17)
Из выражения (6.17) и рис. 6 14 видно, что в данном случае ли-
нейная чувствительность устройства будет слабо зависеть от ба-
зы S
На рис. 6.14 по оси ординат отложена линейная чувствитель
ность двухточечного створа у в метрах, а по оси абсцисс — ди-
станция х в метрах. Прямая 1 соответствует базе, равной 100 м,
Рис. 6.14. Зависимость линейной чув- Рис. 6.15. Зависимость линейной чув«
ствнтельиости у лазерного створа от ствителыюсти лазерного створа от
дистанции х при различной базе S параметров сканирования.
1 — при S!”100 м; 2 —при Si—28,4 м / — при х—100 м. 6—10°, 0-0.1 с 2 —при
х-10 000 К, /гор—I Гц, 0-0J О
144
а прямая 2 — базе, равной 28,4 м. Так как в большинстве слу-
чаев ходовая часть фарватера отстоит от створных знаков более
чем на 600 м, то в определении чувствительности створа вторым
слагаемым в \ (6.17) можно пренебречь В этом случае ошибка в
определении бокового отклонения при х—100 м не превышает 1%,
а при х— 200 м она меньше 0,5%.
База створа так же, как и расстояние между глиссадными ма-
яками в системе ССМ, должна задаваться с учетом углового раз-
решения глазой двух светящихся точек Угловое разрешение гла-
за в зависимости от условий наблюдения может принимать зна-
чение от 1 до 3 угл. мин {113]. Тогда для створа, находящегося
над уровнем моря на высоте 2,5 м при условии наблюдения с
высоты 10 м, предельная дальность наблюдения будет составлять
около 17 км База створа в этом случае должна быть равна
10±2 м.
Ввиду малости аргумента тангенса в выражении (6 17), вплоть
до значений 0==ЗО° и /ГоР~5 Гц, ошибка при замене значения
тангенса его аргументом составляет не более 0,5%. С учетом
этого выражение (6 17) можно упростить и записать в виде
у= — Р/горб или i/ = 8,7 IO—3 0/гор 6х, (6 18)
X
где [0] измеряется в градусах; [/гор] — в герцах; [9] — в секун-
дах; [t/] и [х — в метрах.
На рис. 6.15 приведена зависимость линейной чувствительно-
сти двухточечного створа у от частоты горизонтального сканиро-
вания /гор и угла горизонтальной развертки 0. Графики показы-
вают сильную зависимость линейной чувствительности от указан-
ных величин, которые должны выбираться с учетом требований
для конкретных фарватеров.
Точность задания зон ориентирования методом цветности или
характера действия огня. Указанный в заголовке метод задания
зон ориентирования, как уже отмечалось, используется в системе
ССМ для формирования цветовой глиссады снижения самолетов,
в створных и секторных маяках при формировании зон ориенти-
рования, отличных по частоте следования и цветности световых
проблесков При использовании этого метода стабильность гра-
ниц между, зонами определяет точность ориентирования.
Нестабильность в пространстве границ между секторами обус-
ловлена следующими факторами: нестабильностью систем скани-
рования луча в пространстве, формирующих зоны ориентирования
с отличающимися характеристиками огня (во времени и от внеш-
них климатических воздействий); нестабильностью оси диаграммы
направленности излучения лазера; неоднородностью показателя
преломления воздуха и его зависимостью от метеорологических
условий
Точность задания границ цветовой глиссады в ССМ зависит
прежде всего от стабильности амплитуды вертикального скани-
145
рования, в створных устройствах — от стабильности горизонталь-
ной развертки луча в пространстве.
Проведенные в камерах климата и в натурных условиях спе-
циальные исследования зависимости параметров разработанных
для лазерных навигационных устройств дефлекторов во времени
и от внешних климатических воздействий показали, что они обес-
печивают точность в обозначении границ зон ориентирования до
1,5 угл. мин.
Влияние нестабильности оси диаграммы направленности излу-
чения лазера можно уменьшить специальным построением опти-
ческой схемы маяка [87], а также разработкой конструкции ла-
зера, обеспечивающей высокую стабильность данного параметра.
Так, излучатель Не Ne-лазера типа ЛГ-72 имеет максимальное
смещение оси диаграммы направленности излучения не более
10 угл. с за 4 ч непрерывной работы при скорости изменения тем-
пературы окружающей среды до 2° в час. Для маяков с таким
лазером пет необходимости принимать какие-либо специальные
меры стабилизации оси диаграммы направленности.
Стабильность зон ориентирования зависит также от характера
распределения мощности излучения по сечению пучка. Распреде-
ление плотности мощности по сечению пучка в излучении одно-
модового лазера описывается функцией Гаусса '[5]
I (х, у) = /0 ехр
где I(х, у) — плотность мощности излучения в точке сечения ла-
зерного пучка с прямоугольными координатами х и у, 1О — плот-
ность мощности лазерного излучения в центре пучка; «—пара-
метр, характеризующий масштаб распределения (равен отклоне-
нию от центра пучка, при котором плотность мощности излуче-
ния уменьшается в е2 раз)
На рис. 6.16 кривая 1 иллюстрирует характерное распредсле-
2х2 + !'*\
о2 ) ’
14G
видеть, что лри таком характере распределения плотности энер-
гии в лазернЬм пучке угловые размеры зон ориентирования в ска-
нирующем маяке с увеличением расстояния наблюдения и с по-
нижением прозрачности атмосферы будут уменьшаться. Измене-
ние угловых размеров зон при этом может достигать нескольких
угловых минут;
Большинство лазеров, работающих в многомодовом режиме,
имеют резонатор, состоящий из сферических или сферического и
плоского зеркал. В*этом случае выражение, описывающее норми-
рованное распределение плотности мощности излучения в сечении
пучка для отдельной моды, имеет следующий вид [87]:
ртп(х,у) = №т ,
где Нт и Нп — полиномы Эрмита порядка, соответствующего ин-
дексу поперечной моды. Результаты теоретических исследований
показали, что модовый состав излучения лазеров чрезвычайно из-
менчив во времени [87], что приводит к равномерному распре-
делению .плотности 'мощности в плоскости пучка Результаты экс-
периментальных исследований показали, что закон распределения
плотности мощности излучения многомодового лазера соответст-
вует теоретическому и сохраняется не только в ближней, но и в
дальней зоне. В .качестве примера такого распределения на рис
6.16 (кривая 2) приведено экспериментально полученное распре-
деление плотности мощности излучения в сечении многомодового
лазера Л Г-75 на расстоянии 4 м от выходного зеркала.
Использование многомодового лазера в навигационных уст-
ройствах позволяет, по нашим оценкам, уменьшить влияние не-
равномерного распределения плотности мощности излучения в ла-
зерном пучке па точность задания зон ориентирования до
20 угл. с.
Оценки влияния рефракции на распространение лазерного
луча в атмосфере были приведены в гл. 2. На основе проведен-
ных оценок по литературным данным, а также с учетом резуль-
татов специальных исследований вертикальной и горизонтальной
рефракций, выполненных на 12-километровой трассе над поверх-
ностью моря вблизи Одессы, показано, что угол горизонтальной
рефракции примерно в 8 раз меньше вертикальной. Измерение
угла абсолютной рефракции для лазеров с длиной волны излуче-
ния 0,48; 0,51 и 0,63 мкм позволило определить его суточный ход
Оказалось, что в обычных условиях значение угла абсолютной
рефракции не превышает в вертикальной плоскости 30 угл. с.
Результаты экспериментальных исследований работы сектор-
ного трехзонного маяка, изготовленного на базе Не Ne-лазера
Л Г-75, показали, что точность задания зон ориентирования в по-
левых условиях при различных состояниях атмосферы лежит в
пределах 2 угл< мин Следует отметить, что приведенные оценки
не относятся к тем редким случаям состояния атмосферы, когда
могут иметь место аномальные рефракционные явления.
147
Результаты натурных испытаний
Натурные испытания лазерных навигационных устройств про-
водились с целью проверки приемлемости для практики методов
ориентирования, заложенных в этих устройствах, оценки основ-
ных параметров и работоспособности устройств В результате
проведения натурных испытаний была определена эффективность
применения лазерных устройств для решения конкретных навига-
ционных задач. На их основе были выработаны рекомендации по
применению этих устройств в практике судовождения и обеспече-
ния посадки самолетов
Методика настройки лазерных СНО. Наиболее сложной и от-
ветственной операцией при установке лазерных маяков является
ориентирование их излучения с целью привязки к зонам ориенти-
рования на 'местности. Выполнение этой операции производится
инструментальным методом с помощью теодолита, мерной ленты
и экспозиционного щита, на котором можно наблюдать динамику
сканируемого луча. Лазерные маяки двух- и трехточечного ство-
ра, как и маяки системы ССМ, располагаются так, чтобы осевые
линии боковых ’маяков были параллельны оси курсовой линии, а
осевая линия центрального маяка совпадала с ней. Теодолит ус-
танавливается над курсовой линией, и с его помощью на щит
проектируются границы зон ориентирования.
Юстировка по углу места осуществляется посредством юсти-
ровочных винтов дефлекторов сканирования в вертикальной плос-
кости. При этом отклоняющие зеркала дефлекторов располагают-
ся так, чтобы отраженные от них лазерные пучки попадали на
зеркала дефлектора азимутального сканирования. Перед лазер-
ными маяками устанавливаются два экрана 1 и 2 (рис. 6.17) на
расстоянии 2 и 20 м соответственно, на которые с помощью тео-
долита осуществляется перенос в горизонтальной плоскости поло-
жения зеркала дефлектора горизонтального сканирования На
экранах 1 и 2 производится разметка вертикальной развертки
луча относительно точек О' и О". У съюстированного маяка пос-
ле включения сканирования вертикальная развертка пучка совпа-
Рис. 6.17. Юстировка глиссадного маяка системы ССМ
148
дает с размеченной, а верхняя и нижняя границы вертикальной
развертки перемещаются по строго горизонтальным линиям.
Юстировка по курсу выполняется юстировочными винтами деф-
лектора горизонтального сканирования. При этом биссектрисы
азимутальных углов развертки двух- и трехточечного створов ус-
танавливаются параллельными оси створа (рис. 6 18). При син-
хронном сканировании в азимутальной плоскости иа оси створа
наблюдаются одновременные проблески боковых маяков. Для юс-
тировки центральной? маяка от оси створа в обе стороны откла-
дываются равные отрезки в соответствии с угловыми размерами
курсовой зоны.
По аналогичной методике ориентируются маяки системы ССМ
и лазерный створный маяк. Суммарная погрешность в выполне-
нии юстировки описанным методом может достигать 2 угл. мин.
Для последующего оперативного контроля настройки устройства
на границах зон ориентирования выставляются репера.
Результаты натурных испытаний курсоглиссадной системы
ССМ. Испытания системы ССМ проводились на самолетах Ту-104,
Ту-'134, Ту-124, Ан-24, Ил-18 и Як-46. Методика испытаний содер-
жала следующие основные элементы. Вывод самолета в зону дей-
ствия системы ССМ обеспечивался с помощью радиотехнической
системы. После обнаружения сигналов ССМ командир кораб-
ля выполнял дальнейшее пилотирование по системе ССМ, вто-
рой пилот контролировал при этом полет по приборам.
Заходы на посадку производились до безопасной высоты с
уходом на второй круг или с дальнейшей посадкой. С целью опре-
деления возможностей системы ССМ по исправлению отклонений
проводились заходы с максимальными отклонениями вправо, влево,
вверх, вниз в районе дальнеприводного радиомаяка ДПР^Ч. Вывод
самолета с максимальными отклонениями в район ДПРМ осущест-
влялся радиосистемой.
На борту самолета специальная аппаратура регистрировала
параметры отклонения самолета от радиотехнических курсоглис-
садных зон: углы крена -у, тангажа V, рысканья ф, высоту радио-
метрическую Н, скорость снижения v и ©ремя выполнения ма-
невра t.
Для оценки линейных размеров курсоглиссадных зон системы
ССМ проводилось их сечение при полете самолета. Одновремен-
Рис. 618. Положение лазерных лучей при юстировке системы ССМ по курсу
149
Рис. 6.20 Среднеарифметическое о и
средисквадратическос т значения откло-
нения самолета по курсу при пи.чотнро
ванпи но системе ССМ
Рпс 6.19. Типичные траектории движе-
ния самолета в курсовой плоскости при
пилотировании по системе ССМ:
/ — Дт-80 к, Г.=225 км, у,=+8'. «—1.5°,
/=«14 с; 2 — Дг=90 м» Ь=17 км, Vi=—6°,
у2=+6°. t=«9 с: ? —Дг=75 м, Е=1,4 км,
Vi“ + 7,5°, у2=—1°, t = Ii с
ио на шлейфовом осциллографе регистрировались сигналы глис-
садного и курсового радиомаяков.
На рис. 6.19 изображены кривые, иллюстрирующие типичное
траекторное движение самолета при исправлении отклонений в
курсовой плоскости с помощью системы ССМ. Видно, что при от-
клонении самолета на 80 м влево от курса посадки при удалении
2.25 км от ВПП летчик вывел самолет па осевую линию поса-
дочной полосы, при этом углы крепа составили yi = +8°, у2 =
= —10,5°, время выполнения маневра /=14 с.
На рис. 6.20 приведены кривые среднеарифметического и сред-
неквадратического отклонений от линии курса при точностных за-
ходах на посадку по системе ССМ Результаты заходов по глис-
саде представлены па рис. 6.21 и 6.22. Штриховыми линиями на
рис 6.20 и 6 22 показаны предельно допустимые отклонения со-
ответственно по курсу и глиссаде, построенные в соответствии с
данными [1].
Рпс. 6.2-1. Типичные харак
теристики движения само
лета в глиссадной плоскос-
ти при заходе на посадку
по системе ССМ'
1 Дг=Н и £.= 1.8 км, 2 —
Лг-8,0 м £.=2,1 км
Рис. 6.22. Отклонения са
молета от глиссады сии
ження при пилотирова-
нии по системе ССМ
Подчеркнем, что приведенные на рис. 6.20—6.22 точностные
характеристики системы ССМ получены с помощью радиотехни-
ческой системы посадки СП-50, обеспечивающей значительно
меньшие точности, чем сама система ССМ. На самом деле, и это
следует из результатов наземных испытаний, значения парамет-
ров системы ССМ по крайней мере в 2 раза превышают представ-
ленные на рисунках. В целом натурные испытания показали, что
точность задания курсоглиссадиых зон системой ССМ является
вполне достаточной для осуществления надежной посадки само-
летов различных типов
Результаты натурных испытаний лазерных створов Методика
испытаний заключалась в следующем. Судно заводилось в зону
испытании лазерных устройств с помощью береговой радиолока-
ционной станции БРЛС. Для определения боковых отклонений
судна от оси створа у и расстояния от места установки створов
использовался метод теодолитных засечек, обеспечивающий наи-
большие точности. На берегу устанавливалось три теодолита, один
на оси створа, а два других на линии, проходящей параллельно
оси створа
Для выполнения корректного сравнительного анализа точност-
ных характеристик лазерных устройств с традиционными средст-
вами обеспечения ближней навигации одновременно с проводкой
по лазерным створам оценивалось положение судна по БРЛС
и традиционному линейному створу.
Типичные траектории движения судна при ориентировании по
лазерным створам различного типа показаны на рис. 6 23. На
рис. 6.24 приведена зависимость Линейной чувствительности у от
дистанции х для различных средств судовождения
Основные результаты исследования точностных характеристик
ЛНУ можно сформулировать следующим образом. Предложен-
ные лазерные СНО имеют достаточную для практического приме-
нения точность. Наибольшей точностью (до 2 м) обладают уст-
ройства, в которых для задания курсового направления использу
ется способ «бегущий огонь». Кроме того, такие устройства позво-
ляют получать непрерывную информацию о степени отклонения
движущегося объекта от заданного направления
Способ задания зон ориентирования цветностью действия огня
позволяет ориентироваться с точностью до 4 м при удалении 1 км
151.
Рис. 6.23. Типичные траектории движения судна при ориентировании по лазер-
ным СНО
Рнс. 6.24. Зависимость линейной чувст-
вительности различных зрительных СНО
от дистанции:
/ — для трехточечного створа и системы ССМ
при ориентировании по курсу, рассчитанная
в соответствии с выражением (6.17) при зна-
чениях /rOp-l Гц, 8-28,4 м и 6-0,1 с; Л —
для трех точечного створа, полученная экспе-
риментально в дневных условиях; 3 — для
двухточечного створа, полученная эксперимен-
тально в дневных условиях; 4 — для одноцвет-
ного створного маяка; 5 — для традиционного
линейного навигационного створа прн 8—
= 1,53 км, ширине переднего створного знака
4,4 м. заднего 5 м
Такая точность обеспечивает нормальное пилотирование самолета
по глиссаде снижения при посадке и проводку судов по подход-
ным каналам в большинстве портов страны Дальнейшее увеличе-
ние точности ориентирования при этом способе за счет сужения
центральной зоны возможно, однако это приводит к усложнению
техники проводки особенно крупнотоннажных судов и посадки ско-
ростных самолетов.
152
6.4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЛАЗЕРНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
Курсоглиссадная система ССМ
В целом натурные испытания показали, что система ССМ мо-
жет быть использована в качестве системы ближней навигации для
обеспечения посадки самолетов на взлетно-посадочную полосу.
При этом система ССМ дает возможность производить ориенти-
рование по курсу и глиссаде в любых, практически необходимых
по угловым размерам секторах.
В качестве самостоятельной системы посадки система ССМ
может применяться на необорудованных радиотехническими сред-
ствами посадки аэродромах. На оборудованных радиосредствами
и современными световыми посадочными огнями аэродромах сис-
тему ССМ целесообразно использовать в качестве вспомогатель-
ной для обеспечения прежде всего посадки самолетов в условиях
низкой дальности видимости. При этом в целом ряде случаев ис-
пользование системы ССМ дает возможность перейти к более
жестким посадочным минимумам, что приведет к увеличению ре-
гулярности полетов самолетов.
Способность системы ССМ одновременно решать задачи точ-
ного ориентирования и обеспечения визуального контакта пилота
с ВПП позволяет использовать ее на завершающем этапе посад-
ки. Это приводит к значительному снижению психологической на-
грузки пилота, вызванной при традиционных методах посадки не-
обходимостью контролировать показания многочисленных прибо-
ров на борту и одновременно для получения визуальной инфор-
мации о положении самолета относительно ВПП наблюдать за-
бортное пространство. Данное обстоятельство в конечном итоге
повышает уровень безопасности полетов при применении систе-
мы ССМ. Высокая точность задания курсоглиссадных зон ориен-
тирования, положение которых в пространстве относительно сла-
бо зависит от внешних условий и" достаточно просто контролиру-
ется на земле, позволяет рекомендовать использование системы
ССМ для настройки радиотехнических навигационных устройств.
Лазерные секторные и створные маяки
Натурные испытания показали перспективность использова-
ния каждого из описанных выше створных устройств для решения
определенных навигационных задач. Как уже отмечалось, наибо-
лее высокие точностные параметры имеет трехмаяковый створ
Кроме того, это устройство позволяет судоводителю практически
во всем коридоре ориентирования получать информацию о степе-
ни ухода с курсовой линии. Однако трехмаяковое створное уст-
ройство по сравнению с секторными маяками имеет ряд сущест-
венных недостатков, которые обусловлены необходимостью обо-
рудования и эксплуатации трех маяков, разнесенных по базе до
153
30 м С учетом этого обстоятельства целесообразно рекомеидо
вать установку трехмаякового створа в портах, где требуется обес-
печить наиболее точную проводку крупнотоннажных, а следова-
тельно, инерционных судов.
При определенных издержках в наглядности эффекта «бегущий
огонь» трехмаяковый створ можно заменить двухмаяковым, кото-
рый обеспечивает практически такие же точности ориентирования.
Использование секторных лазерных маяков открывает принци-
пиально новые эксплуатационные возможности Наиболее простую
конструкцию имеет одноцветный трехсекторный маяк. Устройство
может работать в режиме как секторного, так и створного маяка
и позволяет уверенно удерживать судно в пределах судового хода.
Использование одного лазера в качестве источника света дает
возможность создавать наиболее надежные и относительно недоро-
гие, экономичные устройства. Благодаря этим своим качествам
предложенный одноцветный секторный маяк был выбран в качест-
ве основы для разработки первого в стране опытного образца ав
тономного лазерного маяка с изотопным источником питания,
предназначенного для круглогодичной эксплуатации на трассе Се-
верного морского пути в режиме одноразового профилактического
обслуживания в течение года.
Установка лазерных створных маяков значительно улучшает
условия судовождения по створу, особенно при пониженной ви-
димости и в сумерках, когда условия естественной освещенности
неблагоприятны для наблюдения и огней, и знаков В сумерки
дальность видимости лазерного источника света много выше, чем
штатных огней и знаков Это обстоятельство чрезвычайно важно
для мореплавания в арктических морях, где сумерки продолжи-
тельные, особенно в осенний и весенний периоды.
Для лазерных источников света так же, как и для традицион-
ных огней, следует различать дневную и ночную дальности дейст-
вия. В ясную солнечную погоду при высокой прозрачности атмо
сферы дальность видимости створных знаков выше, чем лазерно-
го «огня». Для обеспечения плавания по створу в дневных усло-
виях необходимо либо сохранять створные знаки соответствующих
размеров, либо увеличивать мощность лазерного источника, учи
тывая при этом необходимость сохранения условий комфортного
восприятия сигналов маяка в темное время суток.
Благодаря высокой монохроматичности лазерного излучения
проблески ЛНУ почти не меняют цветности по мере удаления и
четко различаются на фоне других источников света Это свойст-
во делает лазерные СНО предпочтительными при установке на-
вигационного оборудования на акватории портов и в районах с
высокой плотностью фоновых огней. Одноточечный лазерный створ
целесообразно устанавливать в местах, где затруднительно или
невозможно строительство заднего створного знака, а также на
подходах к причалам при выполнении гидротехнических и дноуглу-
бительных работ, прокладке кабелей, выставлении ограждения па
каналах и фарватерах и во всех других случаях, когда требуется
154
высокая точность курсоуказания или фиксирования на водной по-
верхности линий, rpaiftm или локальных точек.
Вопросы о целесообразности применения лазерных створов и об
их конструкции следует решать всходя из конкретных условий
плавания и обеспечения его безопасности с учетом технических воз-
можностей п экономической эффективности СНО.
В ряде случаев наибольший эффект от лазерных створных
маяков будет достигнут при одновременном использовании их с
другими видами СНО Так, для одноточечного лазерного створа
характерно сужение зон по мере приближения к месту установки
аппаратуры. В результате выход в ведущую зону и удержание в
пей крупнотоннажного судна могут оказаться затруднительными.
В этом случае целесообразно обозначать .плавучими СНО или се-
кущими створами точки начала маневра по выходу в ведущую зо-
ну и ограждать бровки канала или границы фарватера.
Лазерные средства навигационного оборудования должны от-
вечать общим требованиям эксплуатации СНО в сложных клима-
тических условиях, обладать высокими надежностью, ресурсом и
работоспособностью, сохранять стабильность параметров, обладать
высоким КПД, быть простыми в обслуживании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Бамбуркин А. П-, Кудрясов И. Е., Олифаренко Г И Радиосветотсхпичсс-
ские средства обеспечения полетов и организация связи в гражданской
авиации. — М Транспорт, 1979. — 164 с.
2 Инструкция по навигационному оборудованию. — Л.: Главное управление
навигации и океанографии, 1977. — 8 с.
3. Справочник по лазерам. Пер с англ./Под ред. А. М. Прохорова. — М..
Советское радио, 1978. — Т 1 — 504 с.
4. Рябов С. Г., Торолкин Г. Н., Усольцев И. Ф. Приборы квантовой электро-
ники (характеристики, применение, тенденции развития)'Под ред. М. Ф.
Стельмаха — М.: Сов. радио. 1976. — 172 с.
5. Ярив А. Квантовая электроника; Пер. с англ./Под ред. Я И Ханина —
М Сов радио, 1980. — 81 с
6. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров. — М :
Минздрав СССР, 1982. — 23 с.
7. Эффективные газоразрядные лазеры па парах мета.тлов/Под ред. П А
Бохана. — Томск ИОА СО АП СССР, 1978. — 209 с.
8. Соломонов В. И., Солдатов А. И. Газоразрядные лазеры на самоогранп-
чеиных переходах в парах металла. — Новосибирск: Наука, 1985.— 150 с.
9. Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере.
— М.: Сов. радио, 1970. 494 с.
10. Зуев В. Е., Кабанов М В Перенос оптических сигналов через атмосферу
(в условиях помех). — М Сов. радио, 1'977. — 368 с
11. Зуев В. Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. — М.! Ра-
дио и связь, 1981. — 288 с.
12. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. — Л.: Гидрометеонздат,
1972. — 230 е.
13 Розенберг Г В Возникновение и развитие атмосферного аэрозоля — кине-
тически обусловленные параметры//Изв. АН СССР ФАО. — 1983. — Т 1S
К» 1 — С. 29—34.
14 Метод Монте-Карло в атмосферной оптикс/Под ред. Г. И Марчука Но-
восибирск: Наука, 1976. — 283 с.
155-
15. Креков Г. М., Рахимов Р. Ф Оптико локационная модель континентально-
го аэрозоля. — Новосибирск Наука 1982. — 197 с.
16. Иванов А. П Оптика рассеивающих сред. — Минск: Наука и техника,
1969 — 592 с.
17. Ослабление лазерного излучения в гидрометеорах/В. П Бисярин, А. В. Со-
колов, Е. В Сухонин и др — М Наука, 1977. — 176 с.
18 Фейгельсон Е А. Лучистый теплообмен и облака. — Л.: Гидрометеоиз-
дат, 1970. — 242 с.
19 Оптические параметры атмосферного аэрозоля/Г. В. Розенберг, Г И Гор-
чаков, Ю С. Георгиевский, Ю С. Любовцева//Физика атмосферы и проб-
лемы климата. — М: Наука, 1980. — 320 с.
20. Пхалагов Ю. А. Сопоставление эмпирических моделей атмосферной дымки
и их применимости для расчета ослабления оптической _радиации//Распро-
странение оптических волн в неоднородных средах. — Томск: ТГУ. 1983.
21. Филипов В. Л., Макаров А С., Иванов В П. Статистические характеристи-
ки ослабления видимой и ПК радиации в приземном слое атмосфсры//Изв.
АН СССР. ФАО. — 1979. — Т. 15, № 3. — С. 257—265.
22. Пхалагов Ю. А., Ужегов В. Н. Эмпирическая модель надводной дымки//
Распространение оптических волн в неоднородных средах. — Томск: ТГУ,
1983. — С. 142—150.
23. Deepark A., Box М Forward Scattering Corrections for Optical Extinction
Measurements in Aerosol Media//Appl Opt., 1978. — Vol. 17, N 19.
24. Оптическая рефракция в земной атмосфере (наклонные трассы)/А В. Алек-
сеев, М В. Кабанов, И. Ф Кушти, Н. Ф. Нелюбин. — Новосибирск: Нау-
ка, 1983. — 230 с
25. Куштив И. Ф Рефракция световых лучей в атмосфере. — М. Наука,
1971. — 129 с.
26 Кор уиский Л И Распространение радиоволн при связи с искусственными
спутниками Земли. — М Сов. радио 1971. — 208 с.
27. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере/А. С. Гурвич, А И. Кон,
В. Л. Миронов и др. '— М. Наука, 1976. - 324 с.
28. Миронов В. Л Распространение лазерного переноса в турбулентной ат-
мосфере. — Новосибирск: Наука. 1981. — 248 с.
29. Съедим В. Я., Хмелевцов С. С. Расширение фокусированных световых пуч-
ков в турбулентной атмосфере//Изв. вузов СССР. Сер физика. — 1972. —
№ 3. — С. 91—96.
30. Бори! ов Б Д, Сазанович В. И., Хмелевцов С. С. Исследование флуктуа-
ции углов прихода лазерного излучения в приземном слое атмосферы//Изв.
вузов СССР. Сер. физика. — 1969 — № 1 — С. 62—71.
31. Торопова Т. П. О спектральной прозрачности и индикатрисах рассеяния
некоторых мутных сред//Труды АФИ АН КазССР.—1971. — Т. 18.
32. Ивлев Л. С Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. —
Л. ЛГУ, 1982 — 366 с.
33 Кондратьев К Я-, Москаленко Н И, Поздняков Д В. Атмосферный аэро-
золь. — Л. Гидрометеоиздат, 1'983. — 224 с.
34 Некоторые результаты исследований оптических свойств морской прибреж-
ной дымки/В Е Зуев, М В Кабанов М В Панченко и др.//Изв. АН
СССР, ФАО — 1978. — Т. 14, № 12. — С. 1268—1275.
35. Шифрии К- С., Зельманович И Л Таблицы по светорассеянию. — Л
Гидрометеоиздат, 1971—1974 — Т. 1—4
36. Торопова Т П., Солнцева Л. Л. Об оптических свойствах полндисперсных
сред различного состава//Рассеяпие света в земной атмосфере. — Алма Ата:
Наука, 1972 — С. 81—95.
37. Науменко Е. К., Пришивал ко А. П Влияние полидисперсности среды на
характеристики рассеянного света//Рассеяиие света в земной атмосфере —
Алма Ата Наука, 1972. — С. ПО—111
38. Креков Г. М, Рахимов Р Ф. К расчету радиационных характеристик по-
лидисперсных концентрических сфер//Изв вузов СССР. Сер физика. —
1973. — 6. — С. 30—35
39. Ивлев Л. С., Андреев С. Д Оптические свойства атмосферных аэрозолей.
— Л. ЛГУ, 1986 — 359 с.
156
40 Пришивалко А П, Бабенко В. А Рассеяние света системами радиально-
неоднородных атмосферных частиц//Изв. АН СССР, ФЛО. — 1979. — Т 15,
№ 7. — С. 710—718.
41. Емиленко А. С., Толстобров В. Г. Рассеяние света поли дисперсным аэро-
золем. — М Наука, 1981. — 212 с.
42. Ослабление света в земной атмосфере (визуальная и ультрафиолетовые
области спектра). — Алма-Ата: Наука, 1976. — 112 с.
43 Георгиевский Ю. С., Розенберг Г. В. Влажность как фак ор изменчивости
аэрозоля//Изв АН СССР, ФАО — 1973 — Т. 9, № 2, —С. 126—138.
44 Горчаков Г И., Свириденков М А Статистическая модель оптических ха-
рактеристик атмосферной дымки//Изв. АН СССР. ФАО. — 197>Э. — Т. 15,
№ 1. — С. 53—60.
45. Оптические параметры атмосферного аэрозоля/Г. В Розенберг, Г. И. Гор-
чаков, Ю. С. Георгиевский, IO. С. Любовцева//Физика атмосферы и проб
лемы климата. — М. Наука, 1980. — С. 216—257.
46. Г. И. Горчаков, М. А. Свириденков. О связи коэффициента направленного
светорассеяния с компонентами приведенной матрицы рассеяния света,'/Тез.
докл.: I Всесоюзное совещание по атмосферной оптике. — Томск, 1976. —
Ч. 1. — С. 214-218.
47. Белов В. Ф, Крекова М. М. Процедура для расчета оптических характе-
ристик рассеивающей частицы//Математическое обеспечение системы авто-
матизации научных исследований (программы и процедуры в ДОС АСВТ).
— Томск: ИОА СО АН СССР, 1977. — С. 7—8.
48. Зависимость формы индикатрисы рассеяния от микрофнзических характе-
ристик рассеивающих срел/В. С. Козлов, М. В. Панченко, Б. А. Савельев,
В. Я Фадеева//Вопросы лазерного зондирования. — Новосибирск: Наука,
1976. — С. 159—176.
49. Козлов В. С., Савельев Б. А., Фадеев В Я- Коэффициенты асимметрии ин-
дикатрисы рассеяния//Оптика и спектроскопия. — 1975. — Т. 38, иып. 6.
50. Козлов В. С., Фадеев В. Я. Исследования оптических и микрофнзических
свойств дымовых аэрозолей/ZVI Всесоюзный симпозиум по распростране-
нию лазерного излучения в атмосфере. — Томск ИОА СО АН СССР,
1981. — Ч. 1. — С. 78—81.
51 Экспериментальные исследования индикатрис рассеяния дымов/В. С. Коз-
лов, М. В. Панченко, Б. А. Савельев и др.//Тез. докл.: III Всесоюзный сим-
позиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. — Томск:
ИОА АН СССР, 1975. — С 3—4.
52. Результаты исследования оптических и микроструктурных характеристик
дымовых аэрозолсй/И. 1 Иоадпни В. С. Козлов, В. Ф. Папин и др.//
1 Всесоюзное совещание по атмосферной оптике.—Томск. ИОА СО АН
СССР, 1976. —Ч J.—С. 244—246.
53. Козлов В. С., Полькин В. В., Фадеев В. Я. Светорассеивающие свойства дре-
весного дыма/ZIV Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного
излучения в атмосфере.—Томск: ИОА СО АН СССР, 1977. — Ч. 1.
54 Козлов В. С., Фадеев В. Я. Особенности временной трансформации опти-
ческих свойств дымового аэрозоля//У Всесоюзный симпозиум по лазерному
и акустическому зондированию атмосферы — Томск: ИОА СО АН СССР,
1978. — Ч. 1. — С. 134—138.
55. Экспериментальный комплекс аппаратуры для исследования оптико-м икро-
физических характеристик аэрозолей в условиях аэрозольных камер/Г. М
Вилочкин В С Козлов, В Г Ошлаков и др //VII Всесоюзный симпозиум
по распространению лазерного излучения в атмосфере. — Томск- ИОА СО
АН СССР, 1983. — С. 2&Э—272.
56. Козлов В. С., Фадеев В. Я.. Полькин В В. Некоторые особенности диспер-
сного состава плотного дымового аэрозоля//!II Всесоюзное совещание to
атмосферной оптике и актинометрии. — Томск ИОА СО АН СССР. 1983.
— Ч 1 — С. 88—91.
57 Козлов В. С., Фадеев В. Я- О взаимосвязи оптических и микрофнзических
характеристик полидисперсных частиц с логнормальным распределением
JSL Риерам//!! Всесоюзное совещание по атмосферной оптике — Томск:
ИОА АН СССР, 1980. - Ч. 1. — С. 38-41.
157
58. Козлов В С., Фадеев В Я Таблицы оптических характеристик светорас
сеяния мелкодисперсного аэрозоля с логнормальным распределением по
размерам. — Препринт. — 1'омск, 1986. — 66 с. — (ПОЛ СО АН СССР,
№ 31).
59. Козлов В С, Фадеев В. Я Аналитическая аппроксимация удельного коэф-
фициента ослабления непоглощающего аэрозоля и условия его стабильное-
ти//\ЧП Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондирова
нию атмосферы — Томск. НОЛ СО АН СССР, 1984 — Ч. 1. — С. 137—141.
60. Veretennikov V. V., Naats J. Е„ Kozlov V. S., Fadeev V. Ya. Optical Stu-
dies of Smoke Aerosols: an Inversion Method and its Application//Optics
Letters. — 1979 —Vol. 4, ЛЬ 12, —P. 411—415.
61. К определению оптических постоянных и микроструктуры дымовых аэрозо-
В. В Веретенников, В. С. Козлов, 11. Э. Наац, В. Я Фадеев//У Всесоюз-
ный симпозиум по распространению лазерного излучения. — Томск: ПОА
СО А НСССР, 1979 —Ч. I. С. 44—48.
62. Оптические исследования мпкрофнзического состава дымового аэрозоля/
В. В Веретенников, В. С. Козлов. И. Э. Наац, В. Я Фадеев,'/V Всесоюзный
симпозиум по распространению лазерного излучения. — Томск ИОА СО
АН СССР 1979. — Ч. 1. — С. 44—48
63. О влиянии относительной влажности воздуха на мнкрофизическпе характе-
ристики дымов/В. В. Веретснш ков В С. Козлов, И. Э. Наац. В. Я. Фа-
деев/'/V Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения.
— Томск: ИОА СО АН СССР, 1979 — Ч I. — С. 89—91.
64. Химия нижней атмосферы/Под ред С. Расула. — М : Мир, 1976 — 408 с.
65. Панченко М В., Фадеев В. Я. Однонарамстрнческое представление индикат
рисы рассеяния и относительная влажность воздухаДИсследоваиие атмос-
ферного аэрозоля методами лазерного зондирования. — Новосибирск; Нау-
ка 1980. — С. 202—211.
66. Исаков А Л„ Свиридеиков М А, Сидоров В Н О конденсационной и з-
менчивости индикатрисы рассеяиия//Изв АН СССР ФАО. — 1983 — Т. 1'9,
№ 12. С 1321—1324.
67. Козлов В С. Оптические свойства полидисперсиых аэрозольных сред с лог-
нормальным распределением частиц по размерам//У Всесоюзный симпозиум
по распространению лазерного излучения в атмосфере -— Томск- ИОА СО
АН СССР 1979. — Ч. 1. — С. 94—98.
68. Митропольский А К Техника статистических вычислений — М Наука,
1971 — 579 с.
69. Интегральные характеристики светорассеяння/В. Е. Зуев. Б. Л. Савельев,
В. С. Козлов, В. Я Фадеев//Х Всесоюзная конференция по распростраие
иию радиоволн. IV секция. — М Наука, 1972. — С. 293—297.
70. Панченко М. В., Ужегова И И., Фадеев В. Я. Статистические свойства уг-
ловых и интегральных характеристик рассеянного излучения в приземном
слое атмосферы прибрежного раноиа//Сб статей научно технической конфе-
ренции по радиофизике н электронике. Томск: ГИАСУР, 1978. — 8 с.—
Деп. в ВИНИТИ.—1981. —ЛЬ 607
71. Статистический анализ коэффициентов направленного рассеяния в области
углов 5—175°/М. В. Панченко, А. Г Тумаков, И. И Ужегова. В Я.
Фадеев//'\’ Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излуче-
ния в атмосфере. — Томск: ИОА СО АН СССР, 1979. — Ч. 1. — С 24—29.
72. Halanov М. V., Panchenko М. V., Fadeev V. Ya Statistical Model of Di-
rected Light Scattering Coefficients of Costal Haze//J Opt. Soc. Ain. —
1985 — Vol. 2, № 10, —P. 1735-1738.
73. Панченко M В Фадеев В Я. Однопарамстрнческое представление инди-
катрисы рассеяния и относительная влажность воздуха//Исследованис ат
мосферного аэрозоля методами лазерного зондирования. — Новосибирск.
Наука. 1980. С. 202—211
74 Панченко М В., Тумаков А Г Фадеев В Я. Влияние метеорологических
факторов на форму индикатрисы рассеяния атмосферного воздуха в при
брежиых райоиах//Рассеянпе и рефракция оптических воли в атмосфере. —
Томск ИОА СО АН СССР, 1'976. — С. 69—78.
158
75. Панченко М В., Тумаков А. Г., Фадеев В Я Влияние относительной влаж-
ности воздуха на форму индикатрисы рассеяния//! Всесоюзное совещание
по атмосферной оптике. — Томск: ИОА СО АН СССР, 1976. — Ч. I.
76. Панченко М В., Тумаков А Г., Фадеев В. Я. О влиянии ветрового режима
в прибрежном районе на форму индикатрисы рассеяния//! Всесоюзное со-
вещание по атмосферной оптике — Томск: ИОА СО АН СССР, 1976. —
Ч. 1 — С. 250 254.
77. Анализ эмпирического закона распределения коэффициентов рассеяния н
обратного светорассеяння/С. М Кавкяиов, Г М. Креков, М. В. Паичснко,
В. Я. Фадеев//Изв. АН СССР. ФАО. — 1981. — № 14. — С. 1219—1291.
78 Панченко М В., Тумаков А Г., Фадеев В Я. Влияние относительной влаж-
ности воздуха па оптические свойства атмосферной дымки в морском при-
брежном райопе//Сб. статей научно-технической конференции по радиофи-
зике и электронике — Томск: ТИАСУР, 1978. — 7 с. — Деп. в ВИНИТИ
— 1981. — № 608—81
79. Паичеико М. В., Фадеев В. Я. Изменчивость формы индикатрисы рассеяния
и оценка микроструктурных параметров в дымках прибрежного района//\'
Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в ат-
мосфере. — Томск: ИОА СО АН СССР, 1979. — С. 64—68.
.80 . Торопова Т. П. Статистические характеристики индикатрис рассеяния при-
земного слоя атмосфсры//Исследованис оптических свойств атмосферы в
коротковолновой области спектра. — Алма-Ата: Наука, 1981. — С. 66—87.
81. Исаков А. А., Свиридеиков М. А., Сидоров В. Н. О конденсационной из-
менчивости индикатрисы расссяния//Изв. АН СССР ФАО. — 1983. — Т. 19,
№ 12. — С. 1321—1324.
82. Ослабление света в приземном слое н атмосферный аэрозоль/Т. П. Торо-
пова. А. Б. Косьянснко и др.//Поле рассеянного излучения в земной атмо-
сфере.— Алма-Ата Наука, 1974. — С. 32—90
83. Лазерные устройства для обеспечения судовождеиия/В. Е. Зуев, В. И. Пе-
ресыпкнн, В. Я Фадеев и др. Новосибирск: Наука, 1985 — 125 с.
84. Бережной И. А. Лазерная система посадки самолетов «Глиссада»//Кваито-
вая электроника — 1’978. — № 6 С. 1399—1400.
85. Пат. 2207881 (Франция). Устройство для введения кораблей в сухой док.
86 А. с. 683364 (СССР). Способ определения местоположения судов/В. Е Зу-
ев, В. Г. Ошлаков, В. Я. Фадеев
87. Климов Ю. М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами
— М: Сов. радио, 1978. — 264 с.
88. Dutch Considering Lasers for Guiding Vessels into Dusy Port of Rotter-
danw'/Laser Focus.— 1971. — Vol. 7, № 10. — P. 32.
89. Иванищев В. И. Лазерные приборы для навигационного оборудования
морских капалов//Морской флот — 1977 — № 10 — С. 30—31
90. Афанасьев В. М., Баскин А. С. Лазерные створные маяки. - ЦБНТИ//
Экспресс-информация. Сер. судовождение и связь — 1977 — Вып. 7
(102). — С. 3—10.
Й1. Пат. 2530034 (Франция). Световой маяк.
92. А. с. 726797 (СССР). Способ ориентирования движущихся объектов/Ф. А.
Ахмадулин, Р Г Дахиовский, Г. А. Калошии. В Я Фадеев.
93. А с. 714905 (СССР). Устройство ориентирования по световому лучу/В. I.
Ошлаков, А. Е. Масленков.
94 Ship and Boat International.— 1983. — Vol. 5, № 36 -P 33.
95. World Dredging and Marine Construction. — 1983. — Vol. 12, № 5.
96. A. c. 629711 (СССР). Способ ориентирования объектов в пространстве/
Ф А Ахмадулин В Е. Зуев, В Я Фадеев к др.
97. Пат. DE3222473 (ФРГ). Световые лазерные маяки.
98. А с. 744927 (СССР). Скапирующш световой маяк/Ф А Ахмадулин, Г А
Калошин В. Я. Фадеев.
99. А с 714928 (СССР) Устройство для световой сигнализации при ориенти-
ровании движущихся объектов
100. А. с. 736772 (СССР). Оптико-механическое сканирующее устройство/Г. А.
Калошин, А. Ф. Кутелев, В Я Фадеев.
159
101. Электрооптические дефлекторы света/Б. Н. Гриб, И. И. Коиднлеико, П А.
Коротков, Ю П Цящеико. — Киев: Техника, 1980.—98 с.
102. Ребрин Ю Н Управление оптическим лучом в пространстве. — М Сов
радио, 1977. — 336 с.
103. Магднч А. Н., Молчанов В. Я- Акустические устройства и их применение.
— М.: Сов. радио, 1978. — ПО с.
104 Ranoly Sh. Specifying a Rotating Scanner//Laser Focus.— 1979. — Vol. 15,
№ 7. — P. 44—46.'
105. A c. 936724 (СССР). Проблесковый световой маяк Ф. X. Ахмадулин, Г. А.
Калошии, В. Я. Фадеев и др.
106. А. с. 1129856 (СССР). Лазерный световой маяк/Г. А. Калошин, В А Ко-
шелев, В. Я. Фадеев и др.
107. А. с. 760593 (СССР). Световой маяк/В. М. Желудков, В. А. Преснов, В. Я.
Фадеев и др.
108. А. с. 849900 (СССР). Устройство определения положения самолета при по-
садке.'В. А. Черешанский, Р. Г. Дахновский, В. Я. Фадеев и др.
109 А. с. 730058 (СССР). Система для ориентирования объектов в простраист-
ве/Ф. А. Ахмадулин В. Е. Зуев, В. Я- Фадеев и др.
ПО. А. с. 760762 (СССР). Система для ориентирования объектов в простраист-
ве/Г. А. Калошин, В. Я- Фадеев, Г. Г. Фомин.
111. Луизов А. В. Глаз н свет. — Л.: Эиергоатомиздат, 1983. — 144 с.
112 Забелина И А. Расчет видимости звезд и далеких огней. — Л. Маши-
ностроение, 1978. — 184 с.
113. Забелина И. А., Гаврилов В А Влияние спектрального состава фона на
видимость точечного источника//Онтико-механнческая промышленность. —
1972. — № 12. — С. 60—61.
114. Калошии Г. А., Текеев А. С., Фадеев В. Я Пороговое обнаружение лазер-
ных сигналов в замутненной атмосфере. — 1980. — С. 8. — Деп. в
ВИНИТИ, № 170—81.
115 Hacskaylo М Contrast Threshold Response of the Human eye Based on an
Analysis of the Tiffany Data//J. Opt. Soc. Amer. —1980. — Vol. 70, № 2.
116. Иваненко В. Д. Теоретический предел контрастной чувствительности зри-
тельного анализатора человека//Оптика н спектроскопия — 1978. — № 2.
117. Мартынов В. Н., Шкурский Б. Н. Модель зрительного анализатора как оп-
тимальной системы обнаружеиияДОптико-мехаиическая промышленность. —
1980. — № 8. — С. 7—9. '
118. Луизон А. В. Глаз я оптический прибор//Оптико-мехаиическая промышлен-
ность. — 1978. — № 12. — С. 52—55.
11'9 Верностас В. Л. Зависимость цветового контраста от условий наблюдения//
Оптико-механическая промышленность. — 1980. — № 4. — С 6—8.
120 Sliney D., Treasier В Evaluation of Optical Radiation Hazards//Appl. Opt.—
1973, —Vol. 12, № 1. —P. 1—24.
121. Муратов В. P., Березин Ю. Д., Тудаковскнй Ю П. Нормирование лазер-
ного излучеиия//Квантовая электроника.— 1980. — Т. 7, № 8
122. Калошии Г. А., Фадеев В Я- Лазерный сканирующий навигационный
створ//Тез докл.: II Всесоюзный конференции «Оптика лазеров». — Л.:
Изд. ГОИ, 1979. - С. 252—254.
123. Павлова Л Н. О видимости световых сигналов в условиях кристалличес-
кого тумана//Метеорология и гидрология. — 1981. — № 2. — С. 108—109.
124. Калошин Г. А., Фадеев В. Я- Возможности ориентирования по прямому
проблесковому' и рассеянному излучению в видимой области спектра//Юби
лейиый сборник научных трудов, посвященных 25 летию РФФ ТГУ. —
Томск, 1978. — С. 190—194. — Деп в ВИНИТИ. — 1981, № 607—81.
160
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................................. 3
Глава 1. Общая характеристика средств обеспечения блнжией на-
вигации в авиации и на водном транспорте ............................... 6
Введение................................................................ 6
1.1. Средства обеспечения взлета и посадки самолетов.................... 6
1.2. Средства навигационного оборудования для судовождения ... 10
1.3. Источники света для целей навигации .............................13
Глава 2. Общие сведения о распространении лазерного излучения
через атмосферу.........................................................26
Введение................................................................26
21 Энергетическое ослабление лазерного излучения в атмосфере . . 27
2.2. Влияние атмосферы из структуру и траекторию распространения ла-
зерного луча...................................................... 45
Глава 3. Исследование рассеивающих и микрофизических свойств
атмосферных аэрозольных образований.....................................50
Введение ...............................................................50
3.1. Свойства атмосферного аэрозоля по данным оптических и микрофи-
зических исследований .......................................... 51
3.2. Оптические свойства туманов........................................55
3.3. Результаты исследований свойств дымовых аэрозолей ... 60
3 4 Свойства атмосферной дымки в условиях прибрежного района . . 71
Глава 4 Способы построения лазерных навигационных устройств
ориентирования .... ....................88
Введение................................................................88
4 1. Ориентирование по рассеянному атмосферой излучению от иеподвиж
иого лазерного пучка............................................., . 89
4.2. Ориентирование по прямому расходящемуся излучению от неподвиж-
ного лазерного источника .............................................. 94
4.3. Задание зон ориентирования узкими сканирующими лазерными пуч-
ками ...................................................................95
Глава 5. Лазерные навигационные устройства со сканирующими лу-
чами .................................... ... .... 100
Введение...............................................................100
5.1. Курсоглнссадная система световых сканирующих маркеров . . 100
5.2. Двух- и трехмаяковыс створы . ........ 111
5.3. Секторио-створные маяки .......................................113
5.4 Визуально-инструментальная курсоглиссадиая система . . 120
5 5 Инструментальные лазерные навигационные устройства .... 122
Глава 6 Исследование влияния атмосферы иа работу лазерных иа
внгационных устройств................................................. 125
6.1 Визуальное наблюдение лазерных световых сигналов в условиях ат
мосферы . 125
62. Визуальная дальность обиаружеиия тазериого маяка ... 135
6.3. Точностные характеристики . . 142
6 4 Рекомендации по применению лазерных навигационных устройств 153
Список литературы . . . ....................................155