УДК 621.396.029.7

Влияние вторичного рассеяния Рэлея на характеристики пассивного лидара  для обнаружения лазерного излучения в атмосфере

 

В. И. Григорьевский

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 141190, Московская область, г. Фрязино, пл. академика Введенского, д.1

 

Статья поступила в редакцию 11 февраля 2019 г., после доработки – 20 февраля 2019 г.

 

Аннотация. В работе решена задача определения величины принимаемой рассеянной оптической мощности от сторонних слаборасходящихся лазерных пучков, распространяющихся в атмосфере Земли, пассивным лазерным локатором (лидаром) в слабозамутненной атмосфере с учетом вторичного рассеяния Рэлея и определен  радиус действия лидара для этих условий. В ночных условиях без солнечной засветки радиус действия лидара может составлять более 4500 км при обнаружении пучков с мощностью порядка 100 кВт в диапазоне длин волн ~1600 нм. При наличии солнечной засветки радиус действия уменьшается на порядок. Проведен также расчет зависимости радиуса обнаружения и принимаемой лидаром мощности для длин волн стороннего излучения в диапазонах 1650 нм, 1000 нм и 500 нм. Несмотря на то, что рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, на больших расстояниях радиус действия лидара уменьшается с уменьшением длины волны стороннего излучения из-за существенно больших потерь от вторичного рэлеевского рассеяния. Динамический диапазон радиуса обнаружения на длине волны 500 нм составляет величину от ~20 км при локации пучков мощностью ~10 Вт до ~200 км при локации мощных пучков ~ 100 000 Вт, что меньше, чем на других длинах волн. Однако в реальной атмосфере всегда присутствуют частицы дымки (аэрозоли), и практически всегда, кроме молекулярного, есть и аэрозольное рассеяние, которое может ограничивать дальность обнаружения и величину принимаемых сигналов, полученных в рамках представленной модели. Экспериментальные и теоретические данные согласуются между собой в области небольшой величины дальности обнаружения  и мощности стороннего пучка, что подтверждает правильность теоретического подхода к решаемой задаче и позволяет экстраполировать результаты на большие мощности пучков.

Ключевые слова: лидар, рассеяние Рэлея, атмосфера, солнечная засветка.

Abstract. The paper solved the problem  of determining the received scattered optical power from  weakly diverging laser beams propagating in the Earth’s atmosphere with a passive laser locator (lidar) in a weakly turbid atmosphere taking Rayleigh secondary scattering into account and was determined the lidar action radius for these conditions. At night conditions without solar illumination, the lidar range can be more than 4500 km when detecting beams with a power of about 100 kW in the wavelength range of ~ 1600 nm. In the presence of solar illumination, the range of the lidar is reduced by an order of magnitude. The dependences of the detection radius and the power received by the lidar for the wavelengths of external radiation in the ranges of 1650 nm, 1000 nm, and 500 nm are also calculated. Despite the fact that scattering is inversely proportional to the fourth power of the light wavelength, at large distances the radius of action of the lidar decreases with a decrease in the wavelength of third-party radiation due to significantly large losses from secondary Rayleigh scattering. The dynamic range of the detection radius at a wavelength of 500 nm is from ~ 20 km when locating beams with a power of ~ 10 W to ~ 200 km when locating high-power beams ~ 100 000 W, which is less than at other wavelengths. However, smoke particles (aerosols) are always present in the real atmosphere, and almost always, besides molecular, there is also aerosol scattering, which can limit the detection range considered in this model. Experimental and theoretical data are consistent with each other in the region of a small magnitude of the detection range and the power of an external beam, which confirms the correctness of the theoretical approach to the problem being solved and allows extrapolating the results to high beam powers.

Keywords: lidar, Rayleigh scattering, atmosphere, sunlight.

 

Для цитирования:

В. И. Григорьевский. Влияние вторичного рассеяния Рэлея на характеристики пассивного лидара для обнаружения лазерного излучения в атмосфере. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb19/12/text.pdf
DOI  10.30898/1684-1719.2019.2.12