Расчет коэффициента пропускания атмосферы при проектировании оптико-электронных приборов

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

С.Б. Каледин 

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ  
АТМОСФЕРЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ  
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 6 

УДК 535.8(075.8) 
ББК 32.86 
К17 

Рецензенты: В.Н. Носов, Л.Н. Тимашова 

Каледин С.Б. 
К17 
Расчет коэффициента пропускания атмосферы при проек- 
тировании оптико-электронных приборов: Учеб. пособие / Под 
ред. Б.А. Афанасьева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2006. – 48 с.: ил.  
ISBN 5-7038-2874-0 
Изложены основные теоретические положения, используемые 
при оценке прохождения направленного оптического излучения 
широкого спектрального состава через атмосферу. Приведены основные инженерные методы расчета коэффициента пропускания 
атмосферы. В приложениях даны необходимые для расчетов справочные данные и параметры атмосферы. 
Изложенные методики расчета будут полезны студентам при 
проработке соответствующих разделов дисциплин «Теория распространения и приема оптического излучения», «Источники и приемники излучения», а также при курсовом и дипломном проектировании и 
проведении энергетических расчетов приемных каналов оптикоэлектронных приборов. 
Ил. 6. Табл. 3. Библиогр. 9 назв. 

УДК 535.8(075.8) 
                                                                                                 ББК 32.86 

Учебное издание 

Сергей Борисович Каледин 

Расчет коэффициента пропускания атмосферы  
при проектировании оптико-электронных приборов 

Редактор А.В. Сахарова 
Корректор М.А. Василевская 
Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой 

Подписано в печать 09.06.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. 
Печ. л. 3,0. Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 2,55. 
Тираж 100 экз. Изд. № 6. Заказ 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5. 

ISBN 5-7038-2874-0 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 

ВВЕДЕНИЕ 

При решении различных задач, связанных с ориентацией в 
пространстве, поиском и обнаружением объектов, слежением за 
источником оптического излучения, широко используют оптикоэлектронные приборы. Они являются составной частью оптикоэлектронной системы, включающей, кроме того, источник полезного и помехового излучения, среду распространения излучения и 
электронный тракт обработки сигнала. 
При проектировании оптико-электронных приборов возникает 
множество задач технически обоснованного выбора и расчета параметров звеньев оптико-электронной системы, поскольку эти параметры во многом определяют саму работу прибора. 
Для приборов, работающих в пределах земной атмосферы, 
возникает задача учета ее влияния на прохождение оптического 
излучения. Большое количество различных газов, входящих в 
состав атмосферы, а также примеси, взвешенные в воздухе, сильно влияют на характер прохождения оптического излучения 
сквозь толщу приземного пространства. Селективный характер 
поглощения и пропускания атмосферой оптического излучения, 
испускаемого тепловыми источниками, особенно важно принимать во внимание при расчетах в инфракрасной (ИК) области 
спектра. Приходится учитывать не только потери в атмосфере, но 
и характер излучения источника (объекта), пропускание оптической системы прибора и спектральную характеристику чувствительности приемника излучения. Методы расчета коэффициента 
пропускания атмосферы иногда оказываются очень сложны и 
трудоемки для практического применения. В данном пособии 
рассматриваются такие из них, которые, на наш взгляд, наиболее 
удобны для инженерного применения и позволяют оценить пропускание атмосферы в широком ИК-диапазоне. 
Из-за недостаточного количества доступной справочной литературы потребовалось включить в данное пособие таблицы параметров приемников излучения некоторых типов, таблицы попра

вочных коэффициентов и параметров, определяющих характер 
поглощения, в том числе коэффициентов молекулярного поглощения парами воды и углекислым газом.  

1. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ АТМОСФЕРЫ 

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси 
газов и содержащая также взвешенные жидкие и твердые частицы. 
Атмосфера простирается до высоты 10…20 тыс. км, выше она постепенно переходит в космическую среду. Принято условно делить атмосферу по высоте на несколько слоев (табл. 1). 

 Таблица 1 

Высота над 
уровнем 
моря, км 

Название 
слоя 
Характерные признаки слоя 

0…11 
Тропосфера 
С высотой температура понижается с градиентом  
–6,5 º/км; слой содержит 3/4 массы атмосферы; 
облака – кучевые 

10…12 
Тропопауза 
Температура от –56 до – 60 °С, градиент близок к 
нулю; давление на 80 % ниже, чем на уровне моря; 
облака – высокие перистые 

11…50 
Стратосфера 
На высоте 22 км расположен озоновый слой; начиная с высоты 20 км температура увеличивается; 
облака – перламутровые  

50…80 
Мезосфера 

На высоте стратопаузы (50…60 км) температура 
равна 0 °С и давление в 1000 раз меньше, чем на 
уровне моря; выше температура понижается до  
–90 °С; облака – серебристые; в этом слое сгорают 
метеориты 

80…500 
Ионосфера 
Молекулы диссоциируют под воздействием УФизлучения Солнца; наблюдаются полярные сияния  

Более 500 
Экзосфера 
Скорость движения ионов и электронов высока, 
газы утекают в космическое пространство 

Если не принимать во внимание состав газов, температуру и 
давление, то считается, что космическое пространство начинается 
с высот 200…250 км, так как преобладающую роль в теплообмене 
тела на этой высоте играет теплообмен излучением. 

Компоненты атмосферы можно разделить на так называемые 

постоянные, относительное содержание которых не меняется 
вплоть до высот порядка 80 км, и переменные, содержание которых меняется в зависимости от высоты, температуры и географического положения. 

Постоянные компоненты газовой оболочки Земли следующие:  

Газы 
Объемная доля, % 

Азот ..................................................................................78 
Кислород..........................................................................21 
Аргон................................................................................0,9 
Углекислый газ CO2 .................................................................. (3…5) · 10–2 
Неон..................................................................................18 · 10–3 
Гелий................................................................................5 · 10–4 
Криптон............................................................................1 · 10–4 
Ксенон..............................................................................1 · 10–5 
Водород............................................................................5 · 10–5 
Метан ...............................................................................2 · 10–4 
Закись азота N2O.............................................................5 · 10–5 
Окись углерода CO.........................................................1 · 10–4 

Из-за конвективного перемешивания и ветра в атмосфере относительное содержание этих газов остается примерно постоянным вплоть до высоты 60…80 км. 
Переменные компоненты атмосферы, в первую очередь, следующие: 

Составляющие атмосферы....................Объемная доля, % 
Водяной пар .............................................0…2 
Озон ..........................................................0…0,07 у поверхности Земли, 
                                                                    1…3 на высоте 20…30 км 
Сероводород ............................................(2…20) · 10–7 
Двуокись серы ........................................(0…20) · 10–7 
Пар азотной кислоты .............................(0…10) · 10–7 

Из постоянных составляющих атмосферы наиболее интен
сивно поглощает ИК-излучение углекислый газ. Метан и закись 
азота также поглощают его, но незначительно, поэтому их 
влиянием на пропускание обычно можно пренебречь. 

Из переменных компонентов атмосферы интенсивнее всего 

поглощает ИК-излучение водяной пар, содержание которого на 
уровне моря может доходить до 2 %. Количество водяного пара в 
атмосфере быстро уменьшается с высотой, и выше 12 км оно пренебрежимо мало.