Перенос изображения и видимость объектов в замутненной атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Г Г 3 ол

94

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЕ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. В. ЛОНОЫХ.ОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 551. 521. 3

ДРОФА Александг Ссиенович

ПЕРЕНОС ИЗОБРАЖЕНИЯ И ВИДИМОСТЬ ОБЪЕКТОВ В ЗАМУТНЕННОЙ АТНОСФЕРЕ

01.Q4. 05 - оптика

АВТОРЕ Ф*Е PAT диссертации на соискание ученой степени доктора Физико-математических нале

Москва - 1993

раоота вчполаена о институте Экспериментальной Метеорологам НПО "1\.йфун" (г. Оонинс;:) .

ЭФШПАЛЬШ'Е ОППОНЕНТЫ: " Доктор Физико-математических наук, ир04е сор * ¡0. А. Ильинский

Доктор физико-математических наук,

счаршш научный сотрудник И. Н. Левин

Доктор Фнзико-матчматических иаук,

профессор Л П, Семенов

БЕДУ'ДЛЯ ОРГАНИЗ/ЦИЛ: Институт прикладной Физики РА» (г. Нижний Новгород)

Зашита состоится "J.?"" ^SïzfàÎA'Sh99ч г. в [f^ часов на заседании специализированного Ученого Совета Д 053.05.06 в iirv им. И.Б.Ломоносова I ti9&99. г. Носква. Ленинские горы. hiihi'î' mrv, 19 корпус, ауп. a-t5 >,

диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГУ.

Автореферат разослан "/j?" ^k^f^^ii. 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Соаета, капе. Физ. -мат. наук ^ f В. В. Р шчеико

- 3 -

I. СЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Аэрозольное рассеяние света окаоыплэт сушественное влияние на процесс распространения твета в атмосфере и , и частности, - на перепое оптического изображения наСлюсаем'чх а атмосфере объектов. Искажая изображение и ослабляя его яркость, аэрозольная среда ухудшает видимость объектов и снижает эффективность использования оптических систем н 1блгояения и передачи изо- ^ оражения в условиях атмосферы . Задача оценки качества передачи изображения в атмосфере актуальна для многих практических нужд народного хозяйства - аэроФотосгенка и фотографирование лз косно -са , телевидение , евг-товая сигнализация , лазерная локация к дх>. Недостаток сведений о законон рностях и особенностях переноса оптического изображения в аэрозольных средах сдетху.пггг развитие и возможности разработок оптимальлкх способоь приема и регистран;г.1 изображения в атмосфере, а также обоснованных нетодов минимизации искажения атмосферой информационных характеристик оптических сигналов. Знание закономерностей переноса изображения необходимо дл>-спределения дальности еейстзмя и разрешающей способности оптических системе в атмосфере и может быть использовано также дл'; восстановления искаженных атмосферой изображений.

Важной народнохозяйственной задачей является определение дальности видимости в атмосфере различных саносзетяпихся или отражающих свет объектов' . Недостатки суйгствуюдей до настоящего времени теории видимости не позволяют удовлетворить современные,все более возрастающие в свяси с ростом интенсивности движения в наземном, воздушной и морском транспорте , требования к точности прогноза и определения дальности видимости в атмосфере средств ' визуальной ориентации и световой сигнализации. Особенно остро данная проблема опушается в авиании, где до си:: пор отсутствует оперативные методы оценок характеристик, объективно отрадаюсих условия видимости пилотом наземных ориентиров лли светосигнальных огней) при посадке самолета в условиях зан^-гненной атмосферы.

Исходя из состояния теоретического и экспериментального исследования переноса изображения объектов и их видимое™ через рассеивающие среды, можно'сделать вывод . что до настояаег вренени методы оценки качества изображения з аэрозольных средах развиты недостаточно , а недостатки сушествэ-^ей теории вгагмссти не по-

зьолятт удовлетворить современные требования к точности прогноза и определения видимости а атмосфере.

Поль работы: 1) выяснить влияние особенностей рассеяг 1Я света * и аэрозольных средах на характеристики перекоса изображения объектов; 2) получить соотношения для определенчя характеристик качес-тиа изображения объектов и их видимости , адекватно учитывающие слияние рассеичакжей среди и условия наблюдения объектов в атмосфера, провести экспериментальную проверку полученных соотношений; 3! разработать методы оценки видимости наземных объектов через гамуткеину» атмосферу на вертикальных и наклонны:: трассах и про-игстп исследование пороговых условий видимости аэродромных ориентиров, наблюдаемых зилотом через туман или облачную среду при посадке самолета; 4) еыяснить возможность моделирования условии видения в замутненной атмосфере с использованием сзеторассеиваюших материалов.

4

■ Научная новизна. В диссертации впервые получены данные о ха-

рактеристиках качества переноса оптического изображения через аэгозолыше среды и .ча единой методологической основе исследовано влиянье аэрозольной среды на видимость наблюдаемых в замутненной атмосфере объекюв. Вкявлеиы и проанализированы ранее не исследо-иышке Факторы, влияшие на качество переноса изображения в аэрозольных средах - изменчивость микроструктуры аэрозоля и его опти-

•

ческих свойств, неоднородность среды _на трассе наблюдения объекта, наклон трассы наблюдения. Впервые в эксперименте обнаружено су-иественное влияние рассеянного света на дальность видимости наблюдаемых через облачную среду или тумак пространственно протяжениях обьехтов и точечных источников света. Выяснена возможность использования и установлены прйделч примепинссти малоуглового при-бм:жеиид реиения уравнения переноса излученип для расчетов структуры поля рассеянного сэета и характеристик качества переноса изображения в аэрозольных средах'. Разработаны методы расчета характеристик качества изображения к подучены соотношения, позволя-учесть всю совокупность Факторов, сушественно влияка^?. на видимость объектов в условиях замутненной атмосферы - многократное рассеяние света, особенности свгтор^ссеиваюаих свойств аэро-:»оль>аг£ сред, их пространственная неоднородность и изменчивость . при «пнечекки никроструктуры аэрозоля, геометрия схемы наблюдения.

Результаты проведенных исследовании и предложенные метод» расчета применены для исследования видимости пилотом нспользуемих в аьиацг.н наземных ориентирон при посадке самолета з условиях замутненной атмосферу . Впервые разработаны и реалиг-оп.г ч методы объективной оценки видимости пилотом светосигнальной • системы аэродром', обеспечивающие бозмохность точного расчета условии видения на наклонны:: трассах по оперативным данным лидариого зондирования атмосферк.

Практическая значимость рабо' Результата проведенных иссле-

довании необходимы при оценке эффективности и дальности действия оптических систем наблюдения, сигнализации и связи в условиях замутненной атмосферу. Получении? соотношения позволяют оценить видимость и качество изображения пространстзенно протяженных оЯьек-тов и точечных источников св->та ? атмосфере при наблюдении их невооруженным человеческим глазок или с использованием инструментальных систем видения.

Полученные в диссертации результат)! исследования влияния аэрозольной среди на качество переноса изображения и видимость могут бить использованы дл$. прогнозирования изменения видимости объектов в атмосфере при различных метеоусловиях или при проведении экспериментов по активная воздействиям на облака и тунам. Предложенные метсдм оценки дальности видимости объектов в замутненной атмосфере могут быть исиользовзны при разработке средсга визуальной сигнализации для обеспеченд1.ч безопасности движения наземного /воздушного «ли морского транспорта. Приведенные в дис-сертапии исследования :;ара:;теристпк качества переноса изображении через различные светорас;еиэаюлз!з среды необходимы также для раз;> работки обоснованных методов коррекции искаженных рассенвасдей средой изображений. а также - для разработки различного рода тренажеров. ноделируши* условия видения в замутненной атмосфере.

Результаты исследования видимости аэродромных светосигнальных огней, могут бигь ислольэованы при разработке крнтериеп безопасной посадки самолетов в условиях тумана или облачности . разработке оптимальных параметров и режимов работы светосигнального оборудования аэродромов, а также - при разработке инструментальных методов определения наклонной дальности видимости на аэродроме.

Результаты проведенных ав .ором диссертации исследовании яс -

иользовгчы: и Го с НИ»! "Аэронагигация" (г. Нос:сва) лг.ь оптимизации гиранетров и режимов работы светосигнального оборудования аэродромов для обеспечения безопасности посадки самолетов гражданской авиадшщ; в НПО "Зенит" (г, Зеленоград, Московская обл. > при разработке л::дарпого комплекса мш определения нгклонпоп дальности видимости в аэропортах; в НИИ Авиационного нрнборостроениг; (г. Хуковсг.чй, Московская обл. ) при разработке самолетного тренажеру дня подготовки пилотов"к полетам в слохных метеоусловиях.

На защиту выносятся:

1. Эксяерииеьтальнче результаты исследования влияния рассеивающей срегы и оптико-геометрических условн:. наблюдения на характеристики, определяющие качество переноса изображения объектов.

с. Соотношения для определении и прогноза характеристик качества перекоса изображения и видимости объектив в условиях памут-нрнн^й атмосферы.

3. Впервые полученние экспериментальные Дашше, выявляющие зависимость дальности видимости объектов в залутаенной атмосфере от сйеторассеиваюашх характеристик аэрозольной среди и от светотехнических паралетров объекта найпюдекия.

Кетодц расчета изооражеш.я наземных аэродромных ориечтироь и характеристик . опретеляюичх условия их видимости пилотом при-зьилнкмигося самолета в условиях замутненной атносфери.

5. Результаты исследования видимости светосигнальных средств аэродрома через туман или облака с учетом образуюаегося в рассеи-вакссй среде. Фона рассеянного света.

6. Обоснование способов моделирования /словий видения в замутненной атмосфере с поиоаью светорассеиваюиих экранов из жидкокристаллических материалов

Апробанил работы. Основные результаты диссертационной работы

докладывались на научных семинарах КУЛ 1ШО "Тайфун" (Обнинск) и Инф РАЯ (Нижний 1овгород), а также на г и>3 Всесоюзных совещаниях пс атмосферной оптике (Томск. 1960, 1903)., б и 11 Всесоюзных симпозиумах по распространение лазерного излучения в атмосфере ( Тонек, 1981. 1991 ). 3 и » Всесоюзных совещаниях по распространении лазерного излучения в дисперсной среде ( Обнинск, 19йЗ| Барнаул, 1968), Всесоюзной конференции по авиационной метеорологе» (Москва, 1986). 3

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из ы.»?-делия, четыге:-: глаз, заключения, библиографии ;17<1 нацменом,. Общий объем работа составляет 263 стр. , включая ОЗ рисукка и ¡i таблиц ( на 41 стр. ). Во зведечии отражается ачтуальчость исследования, naoTcrí обзор состояния гасг чэтгмаены* ¡J лиссертаи-. и вопрссоз . Формулируется цель рабсты и основные положения, пкдбп-гаеьые автором для зашиты . Зпгсь ае кратко излагается co^eri.-nir'. диссертационной работы . В заключении днссь^таш'н сформу.и:рог ">; ¡ оснознае результаты работе > приводятся выводы к отгэзсаетсл п»>ак типеская зчачимость нолучешшх результатов.

2. СОДКРХАШ12 РАБОТЫ С пераой глазе диссертации проведено исспедоваш:'; bjmis'wiu светорассеиззюпии свойств среды и ее оптико-геометрических тгм-msipob на характеристики, определяющие качество изображения даемых через аэрозольные ерргы объектов,

D Разд. 1, 1 рассмотрены обше вопросы переноса изобрахе'«-,,! через рассеивающие среды. Современная теория переноса сятт'есиогз изображения в гассеквагаи;; средах базируется на использовании результатов теории переноса излучения к яркненении аппарата теор:;и линейных систем х описании переноса изображения. Достаточно эффективные методы расчета световых полей в средаЕ с сильно анизотропным рассеянием разработаны с рспользовгнкеи методов решения ураз-я<>яия пеггкоса излучения в калоугяовол приближении (ПУП), предложенная в работах Долине Л. С. [1,2]. Применение Teopim линейных си-стег. к описанию переноса изображения в рассеиваюсих средах с использованием НУП позволяет иолучить следукгее уравнение переноса изображения, сЕязк-заетпее изображение объекта, получаемое удаленным от объекта на некоторое расстояние ¿ приемником изображения, с характеристикам объекта, рассеиваяоей среды и приемника изображения [3,41:

■ и,

Здесь S/V) и Ю - Фурье-поеобразование от распределения яркости объекта B¿r) и наблпдаеного через ср?ду изображения В(гГ 2) , 't - радиус-вектор точки наблхдения з плоскости объекта. v - про-стрлнстпеннкй волновой вектор ( i^k-IVI- пространственная частота),. 2).. ффье-преобразование от диаграммы направленности приек-

н.пса инг 5ражениа ^¡.(г/Ж,), 2) - оптическая передаточная функция { ОП*- > рассеивающей среды. Область применимости (1) для описания переноса изображения в рассеивающих средау определяется границами применимости КУП. Проведенные автором диссертации количественные опенки границ применимости КУП для аэрозольных сред приводятся в соответс7БУк«п1х разделах диссертации, посвяденных .расчетам изображения точечных и ьространстзенно протяженных объектов.

Влияние рассеивающей среди на перенос изображения описывается в (1) Функцией пространственной частоты Ро'.г), показываюяей степень искажений, вносимых рассеивающей средой в пространственно частотный спектр изображения наблюдаемого через среду объекта. ОПФ иоде г служить основной характеристикой качества переноса изображения через расхеиваюгою среду. Знание ОПф позволяет рассчитать структуру изображения любого объекта и в наиболее обием виде учесть влияние рассеиваилей среды на качество его изображен« , отдельно 51 независимо от других элементов оптической системы наб- * лшеиня.

В Разд. 1.2 проанализировано влияние изменения микроструктурных характеристик облачной среды на ОПФ. Для описания распределения капель со размерам в облаках м туманах широко используется гамматрасгзредсление:

(3)

где У - радиус капель. ¡~ и //-параметры, характеризующие модаль-

/

ный радиус и оирину распределений, А - нормировочный множитель. Диапазон изменение параметров распределения для реальных облаков и тунзнов состаилйе-.-: ^ =2нО мкн.у*' «2т 15. Анализ результатов расчетов, проведенных по Формулам теории Ки. показал, что для видимого диапазоча длин волн излучения облачные индикатрисы характеризуются весьма значительной анизотропией рассеяния и сильной вытянутостью индикатрис. Угловая зависимость индикатрис рассеянил в области углор рассеяния вперед достаточно нороао аппроксинир/-етс Формулой: , ^ /_£2у £)

гае р , у: , С - параметры апарокситпии. Иетодон оптимальной параметризации были-определен*« величины эт::л параметров и подобраны эмаигичткме Фгркудь' для описания их зависимости от параметров

микроструктуры: у ~ у ^ г,с /Р">]

-» с-о.зь+омт!^;

где Гт¡/\ • " длина вопны излучения. Велич.ша параметра

ин;шкс)трисы ^ слабо зависит от микрэстругстуры облачной среды и изменяется в пределах О. 2Ч»0. 28.

Использование с:,51 позголяет с достаточно хорошей точностью описать индикатрисы рассеянил в облаччы/. средах и получить аналитические соотношения для ОПФ. Так. например, ОГК» однородного слоя облачной среды или тумака представляется следующей Формулой:

где 'г -£ 2 - оптическая толлинг среды, у! - вероятность сыхшзгчия Фотонов в среде, ф>(х) - интеграл вероятностей. В НУП зависимость ОПФ от оптической толщины среды может быгь предстазлеиа в вид»:

^[рС*)]'* С)

де - Функция пространственной частоты, определяемая липь

микроструктурой среды. Тем самым исследование зависимости ОПФ от параметров микроструктуры среды сводится к анализу функции РМ , а зависимость ОПФ от С учитывается возведенкен значений функции в степень с показателен Т. Зависимость ОПФ от размеров частиц облашои среды проявляется в характере изменения высокочастотной части ОПФ - графики РР) сдвигаются в область более высоких частот пропорционально изменению размера частиц 'см. РиС).

В Разд.1. 3 проведено исследование ОПФ атмосферных дымок, которые, в отличие от облачных сред и тумаков, характеризуются ванного меньшими размерами «гастот, а также тем, что в видимом диапазоне длин волн они обладают заметным поглощением света. На све-торассеиваюпше свойства дымок существенное влияние оказывает относительная влажность воздуха. Исиользуя существующие в настоящее время представления о механизме образования н эволюции аэрозоля в атмосфере, апторон диссертации по Формулам теории Ни проведены расчеты светорассеиваюсих характеристик дынек континентального и морского происхождения и получены данные об ОПФ атносФерных дымок, "а основе проведенных расчетов получены соотношения необходимы:: для определения ОПФ атмосферных дымок параметров, учнтьлаюоих влияние изменения величины показателя поглощения вепества аэрозоля и относительной влажности воздуха )>« светорассеньэюшне свойст-

Г'ио.1. ОПФ ооллчаой среды с г,„=2(1) , 4(2) и 8икм(3) и ОПФ ко1тшент&ш.лого иэрозоля при влажности поаду-а 4=0(4) и 4=0.95(5).

1>ис.2. ОПФ тонкого сиетораесеинающего спор при различней уданешш гп от объекта,

(крилыо 1 -7 соотлетств^шо т=0.0005, 0.002, 0.02, 0.07, 0.2. 0.74, 0.93)

ва атмосферных дымок. Как видно из Рис. 1, диапазон пропускаемых атмосферной дынкой пространственны;: частот значительно уже, чем и случае облачной среды. Т. е. искажения изображения атмосферной дымкой больше, чей в облаках и туманах (при их одинаковых оптических толщинах). С увелтением относительной влажности воздуха к уменьшением поглоиення. спета аэрозольном ведеством величина СЦ> на всех простраиствнных частотах возрастает.

Выяснение пределов применимости КУП для расчетов СПф проводилось сравненпен с данными, пол/ченччми численным моделированием с использованием метода Ионте-Карлс по -соответствующему алгоритму. Результаты расчета показали достаточно xopomyj- применимость КУП для облачных cFen -б пределах погреиностеи расчетов методом Нойте-Карло <«-»10'/.) результаты расчетов функции /'Ct>J oGovhh методами практически совпадают. " При больших оптических толщинах использование НУП приводит к некоторому завышению значений ОПФ в области низких пространственных частот, тем большему, чем меньше размеры капель облачной среды и чем больпе ее оптическая толшинл Т.

Исследование влияния неоднородности раесеивзхлаей среди вдоль трассы наблюдения объекта па качество его изображения проведено в Разд. 1.4. Ка Рис. ?. показаны данные экспериментальных измерений ОПФ тонкого светорассеквлюшего слоя ( Фторопластовой пленки ) пр.ч различных его удалениях m от наблюдаемого тест-объекта. Вэлпчнна ш определяет расстояние между слоен среди ¡i обьектон относительно длины трассы наблюдения. Как видно ::з Гис. 2, пел!гшна ОЛФ с увеличением относительного расстояния m уменьиается üo всем исследуем он интервале пространственных частот, причем эта зависимость имеет монотонный характер. Теоретический анализ покасырает, что такой характер изменения ОПФ н?.блодается независимо от светорас-сеиЕаил'Х характеристик слоя среды ( ее микроструктуры, оптической толиини, соотношения между поглощенней и рассеянием свста в среде). При ш-»0 (слой пплотнго примыкает к объекту) зелэтина ОПФ принимает максимальное значение, постоянное на всех нгострлнст-венньс частотах. В этом случае искажения в изображении объекта наименьшие ("эффект кальки"), изображение ослабляется Лгягъ аа счет отражения н поглощения света сюем средн. При ( рассенвассий

слой рядом с наблюдателем ) ОПФ на всея пространственных частотах принимает наименьсее значение, определяемое соотпстстолсс-ми ' -

г*

- 12 -

ториспеиваюиимн свойствами среды.

Для прлперки теоретических выводов о влиянии на ОПФ сиетогас-!.С|Ва».ик характеристик облачной средь; в Разд. 1.5 проведены экс-гер.мс-нтапь.-ше измерены СП!- облаков и туианоь. В эксперименте СП?- ор.редеетиис.ь по разните.» наблюдаемого чег?з облако или тун-гл изобрахениг. тест-объекта - узкой длинной самосветящейся нслосн. 1!о профилям изображения полосы на '¿2к рассчитывались фурье-пргоб-рааовдкне от изображения. Аппаратная Функция рассчитывалась по профилям изображения, полученным на трассе в отсутствие рассэива-»хдей средм. Измерения ОПФ облаков проводились на трассе, организованной с использованием высотной метеорологической начти (13КМ), цри наблюдении с шсотн 31£м тгст-обьекта. расположенного на поверхности земли. Ргзг'-^пта измерений ОП1- облаков подтвердили, п «•-.а^тности, теоретический вывод о зависимости СП'> от оптической толпглнь; облачкой среды. Экспериментальное подтверждение справедливости представления ОПФ ч виде (7) дает возможность эксперимен-« талъного исследования зависимости ОПф от микроструктуры рассенва-кллей средь. от распределения ее светсрассеиваюиих свойств независимо от влияния оптической толщины 1*: рассчитанная по экспериментальные ОПФ уункшгч ' не зависит от величины У ц определяется лниь микроструктурой среды и ее распределением на трассе наблюдения. Результаты измерений ОПФ слоиста?: облаков с огносигель:;ой толвы^ой 11=0.1 при относительном удалении их т.г-О. 3 от тест-объекта показаны на Рис. 3.

0:<сг.ерлме1:т?лыме исследования зависимости С1К от микроструктур^ тукана црооодилксь в камере искусственных ту?1анов. Результаты лзмерешгч ОП* при разл!гчн.чх размерах капель тумана аока-агиы ка Рис.Ч. Зависимость ОПФ от размеров капель достаточно отчетливо лрояБляетск и результатах измерении -с увеличением разменов капель велнч'.зда 0"1> возрастает. Ааппыг измерений достаточно хорошо сорласлэтсл с рез/льтатгмг: расчетов, проведенных с учетом реализовавшейся з экспериментах микроструктуры тумана.

В Ра:.д. 1. о -проведено исследование характеристик качества перенос^ изображения через различные светорассеиваюане материалы, о ьт.^ах^тхея г£о".пя Физико-химическими свойствами ¿5 размерами сг'рторйг; егааесил частых, и проанализирован.! возможность их ис-г.гльгои^г.'.п длч иг'делг.госиг.ал условий видеток через атмосфер/ а

и.У г

Р»»е.З. ОПФ слоистых облаков. Сплошные кривые — растет для микроструктуры средлей(1) к ииэтеЛ(?) чисти облакоп. Значки - экспериментальное д/ашые.

1 10 100 1000

Рнс-4,- ОПФ тумана со средней радиусом капсть (мкм): 4.4(1), 3.0(2). 2.7(3). 2.6(4). 1 5(М, О.У(Г1), 0-5(7).

лабораторных условиях. Показано.что для моделирования условии видения в атмосфере непригодны сьеторассеивашие материалы с плотной упаковкой частиц < например - полиэтиленовая пленка,, матовое стекло ), так как они не пропускают прянопрошедший свет от наблюдаемого через них объекта. Исследование материалов со "свободной" упаковкой частиц (суспензия молока, взвеси латекса полистирола и спор ликоподия в воде, Фторопластовая пленка) показали существенную зависимость ОПФ от величины относительного показателя преломления п рассеивают;:« частиц, проявлявшуюся в области низких пространственных частот. Результаты измерений ОПФ и расчетов, проведенных с учетом соответствующей никроструктуры иатериала и величины п. приводятся на Рис. 5. Показано, что для того, чтобы искажения изображения при наблюдении через модельные и аэрозольные среды имели аналогичный характер, необходимо достаточно хорошее совпадение размеров . рассеивающих частиц и равенство их относительного показателя преломления.

■ го второй главе диссертации проведено исследование поля яркости рассеянного света в изображении точечных источников света и представлены результаты экспериментального исследования видимости таких источников в условиях замутненной атмосферы.

В Разд. 2. 1 проведено исследование распределений яркости рассеянного света в изображении каблюдаеного через рассеивающую среду точечного диФФУЭНО светящегося источника света, которое описывается функцией рассеяния света <ФРС). связанной с ОПФ преобразование» Ф>рье: . '

№. г; ^¡¡Ръ ъ >]- А (в)

При направлении визирования, на источник, перпендикулярном рассеивающему слою. ФРС азинутально симметрична. ОПФ в этом случае име-

где И~£Н I Н - топшнна рассеивающего сдоя, т--Н/2 - зазор между

»

слоем н объектом, И - расстояние от объекта до слоя, 1 - длина трассы наблюдения источника. Исследования влияния микроструктуры аэрозольной среды на ФРС показали, что определяющее влияние нз величину и Форму распределений яркости рассеянного света оказывают раэнеры рассеивающих частин среды - с увеличением размера ч^стиа угловая ширива распределений уменьшается обратно пропорционально

Рис.5. ОПО светйрассспаающиг сред (значки - нэмеренпи, Крпваге - распет). Фторопластоиае пленкп (Г/; споры ликоподия п=1.18(2), п=1.05(2'); латекс полистирола п—1.18(3); суспензия молока пг=1.18(+); туман п= 1.33(5); облоко у пабшодателя п« 1.33(6).

изменение размеров частиа. При увеличении оптической толщины среды распределение рассеянного :вета стремятся к гауссовому рагпреде-пои»:». Н;гичке загора между рассеиваи.шм слоем и источником света нрчзоаит к уэдрснлю распределений яркости. С использованием 11УП д."я описания <ТС в области малчх углов отклонения линии визирования ьа источник сретг получены следумиче соотпсцежя:

пр, ,«□„ ^ -- Шг[у[-£) * М'й)] (10,

при ,«х«1 -эглт.£*х] <и)

где У ~^/р , у5 и С - параметры индикатрисы рассеяния срета в оллачпой среде (1). Из {10, 11 ) виден характер изменения Фермы распределений ярксстн рассеянного света при наличии зазора между р?.с;еира,ошкм слоен и исто«;чком света. Если ш=0, ФРС при х=0 принимает конечное зьачение и име?т кохоколообрагнуй ии, масштаб ее изменения определяется величиной зазора гс. с уменьшением ш фрс . сужается, зел.ччина фрс при х-0 возрастает обратно пропорционально величине газорг. 3 отсутствие зазора (ге-0) фрс при х=0 принимает бесконечно большое мачеьяе, обусловленное влиянием рассеяния света первой и второй кратяоети.

Сравнение с дакшечи расчетов методом Понте-Карло показало деемточне хорошуь применимость НУП для расчетов ФРС практически ео зсеи исспгдуемон диапазон'? изменения параметров облачной среаы. Так при х<10. 10 результата расчета А (к) в НУП и методом Нон-те-Карло практически совпадал!' как для оонородных трасс, так и дли трасс с забором. Для атмосфершк дымок, где индикатриса рассеяния менее штанута. погрешности расчетов ФРС в КУП оказываются более слиес таенными. Здесь погрешность расчета угловых згвлежое-гей составляет гедичичу менее ЗС'/- при относительно малых оатичес-ккх толжинах гтиосфегной дьжки ( '¿"4 5) в области достаточно мллцх углов отклоненил лдакк визирования от направления ка источник св^га ( <РИ0*.

Исследования распределений яркости рассеянного света от то-ч1чкгго л-ч^ггиого источника па какодгохх трассах ( линия ьнзиро-здкиз нь исютлик находится сод некотори.« углом к с л ос- рассеява»-сс-й среди или - *.: поверхности, на котог-ои находится источник ), проьсдичись п Ра^д. г. 2 по результата:! расчетов ФРС кетмьом Монте-

Карло. На наклонных трассах ФРС рассеивающих сред асшиетри-»ны (сн. Рис.6). В облачных средах-асимметрия ФГС достаточно ярко заражена при углах наклона трассы относительно псве^хчооти зенгси в <20 -30°. По сравнению с вертакалькыми трассами такой же оптической толшти уровень яркости рассеянного света существа но ниже, и при уг^ах на'-лона £? <1С* величина ФРС уменьшаетсл более. чем на порядск. Как п^.сазали результаты исследований, асимметрия Ф?~ по отнопенио к наклону трассы погет быть положительной ¿члч отрицательной п зависимости от взаимного состношения параметров, гльак-териэукхаих "еомгтрическую схему наблюдения, оптической тслиипг среди и ее микрострукт:ри (Рис. 7). х ' Исследованиям закономерностей формирования изображения нап-

равленно излучающего источника света в рассеисаклм.-:': среде посвя-ир-н Рззд. 2. 3.' Как показали результата расчетов методом Коате-Кар-ло. зависимость расределений яркости от ¡аиодни диаграммы направленности источника лгражзетс^ ц сужении распределений и сушестве-нно проявляется е облачных средах при достаточно узк»-х диаграммах направленности источника, при ^^ 10 . Результаты прове?екиих расчетов показали, что яркость рассеянного гпет^ вблиз.; набя»->дче,-го-го чер<?з облачную среду направленного источника по величине совпадает с яркостью рассеянного свега от диффузного кстоин:«а с силои свега, равной силе света направленного источника п нанргв-лениг точки наблюдения (см. Рис. б). Такое согзпадеич? наб.г.юдаг:тс;„ для достаточно больших оптические тола^н ср-мы (ао Тй10|,

При расчетах интегральных харгкгернстну. пространственно-углового распределения яркости.рассеянного света ст наплаплециого точтма е работах [5. б], с использованием иалоуглопого диффузионного приближения получена следующая Формула для олнеалкя распределения рассэлнного света: г л . а

_ У Г/ '0-.2/Л)-Й'Ъ/Ж*!]

где вектор определяет отклонение оси светового г.учгг сг пазр?!-яления на точку наблюдения, вектор . у> - направление- ъи.'.яюз^ня, отсчитываемое ст иэпрзстглия на нсточьи.с света с силой ^вета '.: шириной диаграмм направленности Ос . Величины Я и), Г>(2', характеризуют интегральные г.?рамс-трц распределение яркости "л определяются светсрассена.иогаикч ссолсгзамн среды и и:: страп^^ка-

1в -

1 I" 1д А (?)

. /

I__' 1.11_I „I_I

-16° -12" -8° -А" 0° 4° 8" 10° Рис.6. Профн/т ФРС на трассе с углом наклона 1?=3°(1,2) и '$--10°(3,4) при Т =10 и о^зорои т=0.05(1,3), 0.9(2,4) Сплошные кришли-г„,= 1 Оша;р штриховые—гт= 1ш:м.

Рис.7. Зашюиисстъ астшетр»ш ФРС от вслшшпи аизора (а) при т = 1(1) и 10(2) и от оптической толщшш (б) при т=0.05(1) и 0.9(2) на трассе с углом наклона -6°, Сплошные крипые — г,„=1ики, штриховые - гт=1иыки.

- -

'Лград. к'.,Г_I_)__I_J_1_1__I__I__I

0° 2"

6°

Рле.З. Профили <Г>РС ь облачной: средо при наблюдения под углом-¡?-2°(1).1С°(2) 1С оси светового пучка Д)ы Т—.1 (Сплошные крирые- — пьпраялетшй ;1С1'оч1ык с штриховые — диффуитиш, значки — расчет по (12) ).

чней вдоль трассн распределения светового пучка. На основе результатов исследования распределеь/й яркости в изображении узконаправленных источников сьета для повышения точности расчетов автором предложено описывать Фжкшиэ fa', Ю не гауссовыми, как в {5,6], а реальными распределениями яркости рассеянного света от диффузного источника, методы расчета которых достаточно хорошо разработаны. Для оолачнцх сред, как показало сравнение с результатами расчетов методом Менте-Карло, использование (12) при этом дает достаточно хорошие результаты для описания изображений направленных источников света .

В рассеивающей среде в изображении самосветящихся источников образуются световые ореолы, ухудшающие зрительное восприятие наблюдателем различных световых ориентиров, составленных из направленных источников езета (прожекторных огней). Для выяснении влияния этого фактора па видимость прожекторных огней в Разд. 2. 4 проведены экспериментальные исследования влдимости групповых прожекторах огней через облака в натурных условиях атмосферы с ис-пельзоьакгеп ЕМЛ. Do иремг. экспери-Мо-нтой измерялись оптическая толщина облаков и яркость светового Фона, на которой наблюдались огни, л таххг лроьод;ш>сь лидарпое зокдпровак.т облакос. Наблюдение nocT-poerijîux в линию прожекторных, огней на земле проводилось с пысоти З'.^м, и в моменты времени, когда огни становились видимыми наблюдателю через облака, регистрировались величина и яркость ■ьона. Эксперименты с огляни иалой интенсивности подтвердили справедлив- ть известных четодоБ оценки дальности видимости огпен, ¡гаСлюдаелыч да равномерно)! яркостцом Фоне.

Зкспэрииенти в ночных условиях с огняки высокой ннтенсиШо'-сти оонзружили сущестагннсе влияние ореола рассеянного света на пороговые ус.пэыы шшкюстг огней наблюдателем. Данные измерелий яркости ореола погазада. а частности, достаточно хоришее согласие

с результатами расчетов, проведенных для соответствующих условий

«

эксперимента, что подтверждает правильность предложенных методов расчета поля рассешшого сьета от напраплешшх источников. Результаты измерений пороговых условии видимости огней показали, что обраэуюаийся D облачной среде Фон рассеянного света снижает чувствительность глаза наблюдатель, в связи с чем ухудшается судимость огней. Под "видимостью" групповых прожекторных огней и данном

сг.учпс понимаемся различимость и опознание отдельных огчей п светосигнальной системе, когда группа огней может служить лзетовым орнепирон для наблюдателя. По далнын измерений оптическая толщина облаков на пороге видимости огней оказалась значительно меньше, чек это следует из опенок по известным формулам для ргвнонернаго яркостного Фона. Учег вклада рассеянного света в яркость фена, на котором наблюдаются огкк, /¡риводит гс достаточг-с .чороиему ссгласмо с экспериментальными данными.

Г? третьей глг-tj? диссертации проведены исследования качества переноса изображения пространствнно протяженных объектов к их видимости через аэрозольные среды. Проведенные в Разд. 3. 1 ргсчсты структуры изображения наблюдаемых через туман пли облачную сгеду объектов конечных угловыу размеров показали, что рассеянный в среде слет от объекта сносит дополнительный вклад в изображение, величина которого возрастает с увеличением оптической толпинь среды и увеличением углоеых размеров объекта, В облачных средах вкпад рассеянного света в изображение может быть достаточно существенным, превыааюсим з ряде случаев яркость ослабленного рассеивавшей средой прянопрошедшего света от объекта. На основе сравнения с результатами расчетов методом Нонте-Карло выяснены границы применимости использования ЯУП для расчета изображения пространстзенно протяженных объектов, связанные с нарушением условяя ракурсной инвариантности светового поля в рассеивавшей среде. Показано, что для сред типа облаков или тунанов ИУП достаточно хорошо применимо в расчетах объектов с угловыми размерами до »20е гри оппгческих толщинах среды Т< 10 и небольших <ш<0.1) зазорах между рассеивающим слоем и объектом. При в>0. 5 НУП может быть испо.1ь?овано для оценок яркоста изображения объектов с угловыми размерами менее 12* при оптических тэлиинахТГ<7. Получены аиалитичес!си? пыражекии для оценок вклада рассеянного света в изображение малоразмерных объектов и для опенок характеристик качества их изображения. Так для пеличнта контраста яркости в изображена, определяемой как отношение яркости прямопропедиего СЕетг от объекта к яркости менянного света, в случае наблюдения на однородной трасс-; ( в т*мд.че t

а для случая наблюдения объекта через обЛйчн^Я ело'; с галсроч п

получено:

ИЗ)

- гг -

нежд> слоем 1! объектом при ^ <'□<) выражение для контраста имеет

где -С - > /гловон размер объекта,у5 и С - параметры ин-

дикзтриси рзесеятая езгта (4). При этом критерием "иэлоразмернос-тн" чб1,>_'Кта является усг.озие: х <1. Результаты расчета с использованном КУР ко:;тргста в изображении кругозого диска для обтачной среди долазгни на Рис.9. Из ОЗ. 14) следует, что "ем больше угло-ьые размеры объекта, тем меньзе контраст в его изображении, причем величина контраста б случае однородной среди изменяется обратно гроиораиолдлыю угловим размергм объекта, а в случг.ь трассы с зазором п> - обратно пропорционально квадрату углевых размеров. Контраст в шоерэдлшш объектов меньше п рассеиваюаей среде с бо-крупными частицами.

ОФФективность использования любоА оптической системы наблюдения ( человеческого глаза - в том числе ) определяется чувстви- • телыюстью преемника изображения и различного рода шумами оптиче-с1слх сигналов, возникающих как в прием;пже изображения, так п в силу рлзличнкх гнеш'их причин. В конечном счете качество видения характеризуется величякои отношения "сигнал/шум" в изображении объекта наблюдения. Оолие вы-рахення дли оценки отношения "сигнал/ шум" дри наблюдении объектов в рассеивающие средах Фотоолектроп-ы-!1л и темевизиошшкк системами, пригодные также а для визуального наблюдения человечески! глазом, получены в работах [7-10). Используя результаты этих работ, в Разд. 3. £ получены соотношения для осечки откооення "екгнал/пук" в услоеияг замутненной атмосферы. В обьем случае влияние рассеизаюсей среды на качество изсбра~ения оп.:с1шаетсг. ОПФ среди, и пространственно-частотная зависимость величины отиоиргля "сигнал/сук' к изображении определяется частотно^ завискостью ОПФ. Результаты расчетов отногсогия "сигнал,'шум" о иэобг<*хенш? объектов. наблюдаемых п условиях заиутаеиноА атмосферы- аоказань- па Рис. 10. Здесь приведены результаты расчета влиянии оптическом -голдинь. среди на величину отношения "сигпял/

<7

и/и* при лреоЫ.алахсп«: т»иьойь:п а ума г Фотоприемника! д^), при нлб-£Ш<мни освеиекчого Ссльцен объекта череп рассенвахяшй слой среды но вертикали ьн:1з » при набл&сек:1и объекта на горизонтальных

трассах ч ¿нрыют у.лопиги ( $ ) к в условиях относительно хшзких

Рис.9. Зависимость контриста от угловою рааиера диска при Т =1 (сплошные кривые), Т =Л (штриховые) и

Рис.10.' Зависимость отношения сигиал/шум от стгтпчесиоЯ толщины облачной среды (сплошные кркыле) и атмосферной дымки (шгриховые).

освеиенностей. когда в приемнике изображений преобладающими нвля-о

»ьтсп лробогше шукы ( ö^ ). Как видно из Рис. 10. ь д^бом случае атмосферная дымка значительно сильнее уменьшает отношение "сигнал/ пум", что объясняется наличие* поглощения света в дымкак.

Анализ структуры изображения в рассеивавшей среде показывает, что среда не только ослабляет контраст » изображении, но и искажает изображение объекта - контуры объекта размываются, а ьокруг объекта образуется ореол рассеянного света. Автором диссертации проанализировано, как воспринимается в данном случае изображение зрительной системой человека, к показано, что размытие контуров изображения, об/слоълс-нное рассеянным в среде светом, при визуальном восприятии компенсируется за счет эффекта так называеного латерального торможении в зрительной системе человека. Вследствие этого при дневных условиях освещенности искажения изображения объектов рассепваюкей средой при визуальном восприятии его проявляются относительно слабо, и ари оценках риднмости объектов невооруженным человеческим глазом ь этих услошъ-.х влияние таких иска-ичтЛ можно не прпнилать во внинише. Б качестве меры видимости при этом приннкается величина контраста в наблюдаемом изображении с учетом вклада рассеянного света в изображение объекта.

Используя уравнение переноса изображения через рассеиваиллс среду, I. Разд. 3..3 полечено уравнение для определения дальности видимости прос гран'ственно протяженных объектов в замутненной атмосфере лдг. сд>чая наблюдения объектов невооруженным человеческим глазом и дневных условиях освещенности. При этом видиность определяете? чели-wüov'. контраста - отношением перепада sipuocth и изображении объекта к яркости фона, на котором наблюдается объект, -iv пороговые .условия видимости реализуется при условии

К»Т(2)=КП 115)

гце К - неискаженный рассеивающей среды контраст объекта, К - по-роговци контраст для данного наблюдателя, величина T(z) определяет

i

ослабление яркости в изображении объекта, удаленного от наблюдателя на расстояние 1. Решение уравнения (15) z=zo определяет дальность видимости 2( данного объекта для данного наблюдателя. Величина l'(z) в (15) определяется светорассеивахжими характеристиками среды и угловыми размерами объекта, вследствие чего дальность видимости объектов в замутненной атмосфере также зависит от

этих Факторов. .Для определения дальности видимости пол>чечо сле-ягааее п:гражзние л ,¡/ . г ■» 7

где Т^. £ - показатель ослабления entra в среде, Хл- f-jjb • 'Со ~ угловой размер объекта, JÏ. ~л J) - вероятность сылн^ати Фотонов и угловая кмрнна индикатрисы рассеяния спета. В используемой до настояз:его времени tcopi.u видимости в атмосфера дальности, видимости определяется из соотношения Та- 1п(К/Кр| [ 111. Вклая. рассеянного спета в Формирование изображения объектов в среде учитывается в (10) дополнительным слагаемым, зэвиеялим от светогмссеи-паконх характеристик средн. Поскольку 1'зе f'fí)- разбор

частиц рассеиваюпей среды Í см. (СО ). то из (16; следует, чго с узеяичеккен угловых размеров объекта дальности пидгмссти его возрастает, при«ем в рассеивавших средах с более крупными частиками дальность видимости объекта больше. Оценки показывают, напгпиер, что из-за отличия размеров частиц атмосферной дымки и тумеша дальность видимости объекта .с угловыми размерами 2е « тумане :ra 2'¿~ -40Z болызе, чен а атмосферной дымке.

С целью проверки предложенных методов оцс-нчи влияния г-ассеи-взюшей среды на дальность видимости объектов и Разд. 3. 4 прспсдсны эксперимента;)ыше исследоранид пороговых условий видимос-п; в тумане тест-объекта в Форме кругового диска с угловым размером 30' ,ч ICO1. В экспериментах, проводившихся ч камере искусственных туманов, реализовывались условия наблюдения объектов на Фоме рассеянного в тумане спета при освепенностях, соотвгтств:'г>ших дневным условиям наблюдения " реальной атмосфере. При различии" яркостям объекта определялась величина контраста в наблюдаемом ' на пороге видимости объекта изображении прл различных оптических толшизк . тумана с различной микроструктурой, зависящей от способа образованна тумана. При создании тукана адиабатическим способом, за счет быстрого расширения п камере предварительно сзсатсго и уалаулелпе-го воздуха, образуется тукан со средним радиусом капель мкн. П?и создан;-.:! тумана распыленней воды с поносьп Форсунок реализуется микроструктура т/нзка со средним радиусом кзпель 1 . ' ¿ мки. Результаты измерений показали, что зависимость ве;:ичьны отно.-е-ння ( К - исходна контраст объекта. К'п - по?огов\м1 ;онтраст

для данного наблюдателя ¡ от оптической топтаны тумана ч.ч

- гь -

видимости наблюдателем описывается соотношением 1п(К/КЛ), где величина Ь зависит от угловых размеров наблздаеного объекта и от мнкростргт.туры ту:-.анг, ревизовавшейся в эксперименте (Табл.1).

таблица 1.

Угловой диаметр диска Адиабатический тгоа_ Форсуночный тукак

Значения Ь в эксперименте Расчет Ь -диапазон знач. Значения Ъ в эксперименте Расчет Ъ -диапазон знач.

30' 100' 0 3510.03 0. 69*0. 02 0. 61т0. 66 0. 67*0. 70 0. 9010. оа 0. 73Ю. 03 0. 89>0. 92 0. 73Ю. 76

По суаестзуюкей до настоящего времени теории видимости Ь=1. Полу- , ченные в чаинх экспериментах значениях Ь<1 свидетельствуют о влиянии еветорассеиыаюсих свойств среди на дальность видимости. Из данных Табл. I видно, что дальность видимости объектов больше в тжане с более крупными каплями и возрастает с увеличением угловых разье-роа объекта, как это и следует из (16). Сравнение полученных ь эксперименте величин Ъ с результатами расчетов, проведенных для соответствующих условий эксперимента, показывает достаточно хороаее лх согласие.

Четвертая глава диссертации г.осьядзна проблеме определения зидиг"ост.1 объектов в замутненной атмосфере .для нужд авиации. При посааке сакоиета в дкеваыг. условиях пилот ориентируется иепос-оед-стг.?нно по изображению сзлетно-посадо'шой полосы (ЬЛП) аэродрома, наблюдаемой км с глиссады снижении самолета. С целью выяснения ьлнхнии агроэодыюй среды на видимость ¡¿илотом ВЦП в Разд. Ч. 1 проведены расчета изображения, наблюдаемого пилотом с глиссады снижений сдиояета в условиях замутненной атмосферы. При этой ис~ пользоьаьы развитие в предыдущих разделах диссерташаи методы расчета ипосразеийй ьрострапстаекно прэтяжь5па.х объектов с уметом геокетрии схсмы Коблюде-ния пилотом ВПП. Результаты расчетов пока-згли сулествекиуго роль рассеянного света з Формировании иаб.пюдае-цсчч> чере^ туган изображения РПП в связи с ее больпкми углоиыки

размерами ^ поле зрения пилота. При '¿тон ркг.эд рассеянного с в ¿та в изо-^рахении ВПП на Фоне поверхности земли суцествешю преьилае1 яркость прямолрошедиьго света от ЕПП, и относител'.ная величина этого чклзда возрастает с увеличение»! показателя ослаблении сиета в тумане. Показано, что контраст в изображении ВПП зсегд^ 6олм:е, чей величина контраста, рассчитываемая без учета вклада рассеянного света, зследствие чего оценки дальности видимости ВПП в тумане, не учитывающие рлиянне рассеянного света, приводят к существенно заниженным результатам.

Для визуальной ориентации нилота в пространстве при посадке или взлете самолета в условьях плохой видимости на аэродроме используются специальные слетосигт.альные системы прожектор."-« огчей. О использованием развитии в предыдущих разделах диссертации методов расчета изображения •направленно излучающих источников слета в рассеивающей среде г. Разд. 2 проведены расчеты изображения светосигнальной картины аэродроьа в условиях тулаиа или облачности. В программе расчета иа ЭВМ нзоГражения светосигнальной системы реализованы геометрическая схема расположения огнен нз аэред-ромэ, их светотехнические параметра и ориентация их оптических осей относительно ВПП, соответствующие реальным аэродроышм системам, предназначенный для обеспечения посадки самолетов по 3-й (наивысшей) категории сложности.

Примеры результатов расчетов фрагментов игображения светосигнальной системы аэродрома, наблюдаемого пилотом в тумане, гоказг-ош на Рис. 11. Здесь угол »изнрованил Ц> ь изображении отсчитивает-,ся относительно пове1хноети земли по ьертикали вниз от линии горизонта так, что ближние к пилоту огни наблюдается под большей углами V • Анализ результатов проведеньых расчетов показал, что при достаточно больших оптические толиинах облачной среды среолп рассеянного света о г отдельных огней системы сливаются в однородную световую лолосу тлк, что огни светосигнальной системы в условиях тумана или облачности набльдаются пилотом на фойе светового ковра, образованного рассеянным светом от огней. Белич, .-п яркости л9на рассеянного света, учитывая высокую шггенснпнк'гть огне.;, оказывается достаточно большой - она может значительно прелина п. яркость Фона земьой поверхности в сумеречное время суток. Про этом именно яркость Фона рассеянного сь^-та ограничивает длльноси.

1дВ,1дУ

а)

II I Г » .1.1 I I

п)

Ли.

\

д.

\М

г)

>

1?' 10' в" 6° 4" 12* 10" 8° 6" 4* 12" 10" 6° 6° 4* а' 10" В* 6° 4'

Рио.11. Профили изображении и видимость осевых огней через туман с£=40км~' при высоте самолета над землей 60м .'а). 45м (б), 30м (в) и 15м (г).

Визуальное раскрытием 1

600

400

200

0

I

I

J__1

-,0 20 30 40 50 60 , 70 80 90

Рис.12. Визуальное раскрытие осевых огней при посади самолета в тумане с С-10(1), 20(2) и 40км~'(3) и я облаках с £о=40км"' при Ь.=40м(4) и Ьв=60ы(5).

V

- г9 -

видимогти огней пилотом приземляющегося самолета.

Г использованием результатов расчета структуры изображения светосигнальной картина аэродрома и Раьа. 4. 3 исслелокана динамика изменения видимости светосигнальных огней в процессе посадки самолета. Примеры расчета видимости огне! пилотом с учетом влияния Фона рассеянного света показаны на Рис. и штриховыми кривыми. При этом в качестве меры видимости огня V принята величина пргашенич создаваемой данным огкек оозесеньости на зраше глаза наблюдателя над величиной пороговой освещенности. Последняя величина зависит от яркости Фона, на котором наблюлаетсн огонь. При величинах освещенности, меньших дорога воспгиг.тия человеческим глазом, величина видимости У<¡,.4 данный огонь в этом случае наблюдателю не ап ден. Нз Рис. 11 видно, что, чем неиыае высота самолета над эемлп, < а также - чей меньше оптическая плотность тунана ), тем больм'-; становится диапазон углов визирована у , в котором реализуется величина У>1, т.е. больше становится длина участка огней, кидкмо-го пилоту с глиссады снижения самолета на данной высоте. В авиачни длина участка видимых пилоту огей носит назвзнче визуального рас -крытия огней и служит важной характеристикой видимости огней светосигнальной системы с даыюй высоты самолета над землей. Ррчисри рззультртэв расчета величины визуального раскрытия огнен при посадке самолета в условиях т/пана и облачности (при различных высотах нижней границы облаков ;<„) приведены на Рис. 1£. Результаты расчетов, в частности, показали необходимость учета вертикального профиля показателя осягбдения з замутненной атмосфере при оценках видимости огней - >с;:огия видимости пилотом светосигнальных огней через туман оказызаютс.. ху'де. чем через облачный слой такой те оптической толчотны вследствие того, что яркость Фона рассеянного света в условиях тумана больше.

Минимальная высота самолета над землей, при которой в процессе посадки величина визуального раскрытия ог.чей становится больае некоторого определенного значения, носит название высоты визуального контакта. Эта величина, является вазнейаей характеристикой условий посадки самолета, так как для повышения безопасности посадки необходимо, чтобы визуальный контакт шмоток с огнями светосигнальной системы был установлен на возможно наиболее ранк»н( этапе г.роцеОа посадки самолета. Высоту визуального контакта мех-

определить по данным о динанихг визуального раскриткл ( типа '•¡'¡и-еленной на Рис. 12 ). приняв определенную величину требуемого и;--,! безопасной лошадки аизгального раскрытия огней. В диссерт?шч1 "1Го'-кгени расчетс высота визуйЛьнуГС контакта и проанализирована ¡-■I зависимость от светорассншаюашх характеристик тумана или об-.:Лч;;ости, светотехн;1ческих параметров огнен системы, условч;': ос-ценности па азрорроме. Разработанная автором диссертации прсг-Р-'.миа оперативного расчета высоты визуального контакта с привлечением дании:: лидарн^х измерений вертикального профиля показателя ослабления света ы атмосфере использовала в разрабатываемом с настоящее время аппаратурном конплексе для определения наклонной дальности видимости в аэропортах.

Моделирование условий видения через туман или облачную среду и аснагш: осуиествляе гсп с поиошыо трелажероп. использующих различные свет.•рассеивающие экраны. В Разд. 4.'1 проведено исследование переноса изображения через экраны из жидко-кристаллических материалов, светорассеиБакжими характеристиками которых нохчо управлять с помошыо электрического поля в режиме динамического рассеяния света/ и проанализировала возможность их использования для моделирования условий видения в замутненной атмосфере. Результаты измерений показали, что прозрачность £К-экрана кзненяетс/. монотонно ъ зависимости от величины прикладываемого к нему управляющего напряжения. Данные измерений ОПФ ^-экрана свидетельствуют, а частности, о некоторой изменении его"никроструктуры при изменении управляющего напряжения на экране.

Сравнение 01К И- экрана и ОЛф тумана показывает относительно неплохое их совпадение в области высоких пространственных частот, что обуславливает возможность использования ЖК-экранов для моделирования изображений малоразмерных объектов в тунаие. Анализ результатов численного моделирования изображений с учетом вклада рассеянного гвета показал, что за счет изменения прозрачности ЖК-эгоанл можно осулестаить равенство величия контраста в изображе-нг.и сбъечтсв. яаилхдсемьгя чериз экран и через туман с соответствий .т.тическоЛ толщиной Учитывая, что обусловленные рассеянием света искгхення когиуров объекта при визуальном восприятии в Яиего.ълс уг.-овинл освеиенности проявлякптч относительно слабо, сделать вывод об определенных боьножностяк использования

:"К-экранов для моделирования условий видения мере?, туман или об-лачну» среду.

3. ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе экспериментов , проведенная в лабораторных условиях, "амере ;и":кусственкы:< т>малоа н в натурных условиях атмосферы выявлены и исследованы заьисимссти характеристик качества переносз оптического изображения от свойств аэрозольной среды в замутнелной атмосфере ( опт.'.ческ >: характеристик и микроструктуры аэрозоля, распределения его вдоль трассы наблюдения и лр. ). Показано. что с увеличением размеров частей рассенв?ювди среды к с уменьшеьием их относительного показателя'преломления расширяется диапазон пропускаемых средой пространственных частот б спектре изображения объекта, а при наблюдение объектов через слой рассеи-«.аю'лей среды, независимо от ее своторассенвамгих характеристик, удалепне слоя от объекта приводит к ухудшению пропускания пространственных частот средой.

2. Проведено исследование распределений яркости рассеянного спета п изображении диффузш. светапшхся и направленно излучаюшх источников света. Показало, что угловая иирива распределений яркости от точечных ксточпикоп спета и рассеивающей сраде зависит от размеров частиц среды - с увеличением размера частиц идаа распределений уменьшается приблизительно пропорционально измене -туо размеров частиц. Каличиг зазора между расгеиваюаей средой и источником света приводит к умей.гению яркости рассеянного света и к Этт,прению распределения'яркости. На наклонных трастах распределения яркости в изображении днффузно-светящегося источника ста'' иовятся асимметричными , аричем асимметрия по отношению к наклону трасси наблюдения можот быть положительной или отрицательной н зависимости от соотагпения параметров, характеризующих геометрию трасси наблюдения и гветорассенваюшие свойства среды.

3. На основе сравнения с результатами расчетов устодом Нон-те-Карло ветсиекы пределы применимости малоуглового приближения решения уравнения переноса излучения для расчетов характеристик качества переноса изображения в условиях замутненной атмосфер». Получено, что для случая наблюдения через туман или облачную среду малоугловое приближение дог. .аточно хорошо применимо для рлсче-

тов пегечоса изображения точечных и пространственно-протяженных объектов через среды с оптическими толщинами не более 10.В случае атмосферной дымки или при наблюдении через облачнге слои, удаленные от объекта более, чем на половину длины трассы наблюдения, диапазон оптических толиин, гд^налоугловое приближение дает дос-о таточно хорошие результаты, уменьшается до значений 5-7.

4. Разработаны методы расчета изображения точечных диФФузно светящихся и направленно излучающих источников света, а также -пространственно протяженных объектов в рассеиьаотей среде, и получены соотношения ддя. характеристик, определяйся;: качество изображения объектов в условиях замутненной атмосферы.

о. Впервые экспериментально показано, что яркость ореолов рассеянного с;.ета в изображении набх:одаемых через облачную среду групповых прожекторных огней существенно слияет на видимость огней получено, что в кочны* условиях наблюдения пороговые условия видимости групповых прожекторных огней реализуются при оптических толшннах облаков, 'чачитолько меньших , чем ьто следует из теории видимости источников света на однородном яркостном фоне.

0. Впервые экспериментально показано, что дальность видимости пространственно-протяжешшх объектов в тунане тем бслыае (меньше),чей больше (меньше) угловые размеры наблюдаемого объекта .или чем больше (мейьпе) размеры капель тумана Получены аналитические соотношения для оценки дальности видимости объектов в замутненной атмосфере с учетом этих Факторов.

7. На основе анализа результатов расчетов структуры изображения наземных ориентиров аэродрома выявлено суаественнсе влияние рассеянного света на видимость пилотом аэродромных ориентиров при посадке самолета в условиях тумана или облачности. В дневных условиях рассеянный свет вносит дополнительный вклад в яркость наблюдаемого пилотом изображения ВПП, в связи с чем неучет этого вклада приводит к сутиест енному занижению оценок дальности видимости ВПП. В ночйых условиях образующийся в аэрозольной среде Фон рассеянного света ухудшает видимость аэродромных светосигнальных огней. Неучет этого Фактора приьодит к завышению оценок дальности види--мос-и огней.

8. Разработаны методы объективной оценки условий видиности нилоюн светосигнальной системы аэродрома при посадке самолета в

"словиях замутненной атмосферы, обеспечивающие возможность точного расчета условий видения на наклонных трассах по оперативным данным лидарного ооышрования атмосферы.

9. Проведены исследования ха.актегистж качества передачи изображения через светорассеиваший экран из различных материалов (гидрозоли , полимерные пленки, матовое стекло, жидкие кристаллы) и проанализирована возможность их использования для моделирования условий видения в замутненной атмосфере. Обоснована возможность использования жидко-кристалличисккх экранов в тренажерах для мо -лелировэния условий видения лилоток ВЛП аэродрома при туиапе иди облачности.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ИЗЛОЖИМ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дрофа А. С., Усачев А. Л. О видимости в облачной среде // Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 1980. Т. 16. ГГ9. С. 933-93С.

2. Волнистова Л. П. , Воробьев Н. И. , Дрофа А. С. Исследование оптических передаточных функций облаков // Изв. АН СССР, Сер. ФАО, 1981. Т. 17. (tlO. С. 1031-1038.

3. ДроФа A.C., Кацев К,Г... Некоторые вопроси видения через облака и туманы // Метеорология и гидрология, 1981. -Н11. С. 101-109.

4. ДроФа A.C., Усачев А. Л. Распределение освешениости от узкого светово"о ■ пучка в замутненной атмосфере // Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 1983. Т. 26. If4. С. 108-414.

5. Дрофа А. С. Видимость малоразмерных объектов в замутненной . атмосфере // Изв, АН СССР. Сер. ФАО, 1984. Т. 20. НЮ,, С. 939-5'!б.

6. ДроФа А. С., Усачев А. Л. Световое поле от прожекторного огня в облачной среде // Труды !Ш, 1985. Вып. 38(121). С. 63-72.

7. Волнистова Л. П. . ДроФа А/С. Влияние рассеизаюаей среды на качество оптического изображения // Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 1985. Т. 21. HI. С. 56-57. U

8. Волнистова Л. П. , ДроФа А. С. , Сныков В. П. Влияние микроструктуры тумана на качество наблюдаемого через него оптического изображения (/ Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 1985. Т. 21. №5. С. 507-')! 1.

9. Дрофа А. С. .Усачев Л. Л. Распределение яркости рассеянного св«1-та от точечного;источника на наклонной трагсе // Изв. АН СССР. Сер. ;ао. 1985. Т. 21. Кб. С. 00.5-50». ...

- -

10. Дро'{а Л. С. , ляцукова С. И. , Усачев Л. Л. Исследование знднмости светосигнальной картины аэродрома в тумане // Светотехника, 1986. 1Г6. С. 19.

11. Г.олингтопл А. П. , Дрофа A.C. Качестзо передачи изображения через с-'еторгссеиваюаие материалы // Оптика и спектроскопия, 19&Ü. Т. 01. Вып. 1. С. 116-121.

Ь'с. ДроФа A.C. Устройство для измерения светорассеивакяплх свойств дисперст-.ix сред. Авт. свидетельство 120G653A. Заявл. Об. 0&. 84, 11Г750712/24-25 // Бюллетень открытий к изобретений СССР, 1986. иг. кки Goi к 21/49.

13. Волнистова Л. II. . Дрофа A.C., Усачев А. Л. Характеристики аэрозольного рассеяния света в атмосферных дымках // Труды ИЭ1Г, 1488. Вып. 45(135). С. 135-150.

14. Волнистова Л. П. , ДроФа A.C. Ноделиронанне условий видения через облачные среды а лабораторных условия:: // Труды ИЭН,1988. Вып. 45(135). С. 131-130.

15. ДроФа A.C. Дальность видимости объектов в замутненной атмосфере // Изз. АН СССР. Сер. ФАО, 1990 Т. 26. 116, С. &07-613.

16. Волнистойа Л. П. . Дрофа A.C., Курбанов И.О. Экспериментальное исследование видимости объектов в тумане // Изв. AJI СССР. Сер. «•АО, 1990. Т. 26. 117. С. 711-718.

17. Брикенштейн В. X. , Дрофа A.C. , Уманскнй Б. А. , Шувалов A.A., Якупхина Л. Я. Моделирование условий видения через тунзн с по-копью жидко-кристаллических экранов // Оптико-механическая промышленность, 1991. Н5. С. 20-24.

Í 6. Ерихенитейн В. X. , Дрофа A.C. , Еувалов A.A. , Якуыкина Л. И. Дальность видимости взлетно-посадочной полос.-; аэродрома в тумане // Оптика.атмосферы, 1991. Т. 4. Ко. С. ч 58-474.

19. ДроФа А. С. , Якулкина ЛИ. Яркость рассеянного света от прожекторного огня в облачной сред? '/ Оптика атмосферы, 1991. Т. 4. IÍ6. С. 570-575.

20. ДроФа Л. С., Кораунов В, А., Лягаасова С. Н. О видимости групповых прожекторных огней через облачную среду // Изв. РАН. Сер. Фг.О, 1992. Т. 26. Н2. С. 144-150.

- 35 -ЛИТЕРАТУРА

1. Долин Л. С. // Чзв. вузов. Сер. Радиофизика. 1954. т. 7. tf 2, С. 380-382.

2. Долин Л. С. // Изб. вузов. Сер. Рад;юфт:зи:<а, 1966. Т. 9. tfl. С. 61-71.

3. Долин Л С.. Савельев В. А. // Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 1979. Т. Id. If7. С. 717-723.

4. Браво-Животовский Д. Н. . Долин л. С., Лучинин А. Г. iСавельев В. А. //Изв. Ali СССР. Сер. ФАО, 1969. Т. Ь7. (ГТ. С. 672-684.

5. Долин Л С. // Изв. АН СССР. Сер, ФАО, 19S3. Т. 19. 1Г4. С. 400-404.

6. Ремизович В. С., Рогозкии Д. Б. , Рязанов Н. И. // Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 19ьЗ. Т. 19. IflO. С. 1053-1061.

7. Левин И. И. // ИЗВ. АН СССР. Сер. ФАО, 1969. Т. 5. N4, С. 62-76. а. Прапо-Животовскнй Д. И. , Долин Л. С., Левин И. К., Лучинин А. Г,

Савельев В. А. // Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 19Т1. Т. 7. (Н1. С. 1143-1152. .'

9. Зеге Э. П., Иванов А. П., Каиев И. Л, Перенос изображения в рас -сеивгющей среде. - Нинск: Наука и техгика, 1985. 327 с.

10. Каиев И. Л, Зеге Э. П.; // Изв. АН СССР. Сер, ФАО, 1989. Т. 25. »7. С. 732-740.

11. Гаврияов В. А. Видимость' в атносФере. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 324 с.