Author name:
فاتن شكور زين العابدين
Supervisor name:
علي هادي حسن الحمداني | كاظم جواد كاظم
Abstract:
خلال مرور اشعة الضوء المنبعثة من الاجسام في الغلاف الجوي للارض فانها تعاني من تغير مستمر في اتجاه انتشارها وهذا ناتج عن اضطراب الغلاف الجوي وتغير كثافة الهواء على طول مسار الضوء. لمعرفة ما يحدث لصورة الجسم في الجو فقد قمنا بدراسة تاثير الانكسار الحاصل في مسار الاشعة الحرارية المنبعثة من الاجسام في الغلاف الجوي على الصورة المتكونة بواسطة منظومة التصوير الحراري. لقد تم بناء نموذج جديد للجو لغرض دراسة تاثير الاضطراب الجوي على تصميم منظومة التصوير الحراري. افترضنا الجو في هذا النموذج بانه في حالة اتزان حراري (hydrostatic equilibrium ) وانه يتكون من طبقتين هما التروبوسفير والستراتوسفير. وان كل مكونات الغلاف الجوي خاضعة للقانون العام للغازات. درجة الحرارة افترضت متناقصة بنسبة ثابتة ضمن طبقة التروبوسفير لحد التروبوبوز الذي يصل ارتفاعه الى (11كم) من سطح الارض، ومن ثم تبقى درجة الحرارة فوق التروبوبوزعلى نفس الدرجة التي كانت عليها في التروبوبوز. ان اعلى ارتفاع للستراتوسفير افترض (80كم). تم ايجاد علاقة رياضية لحساب الانكسار كدالة لزاوية السمت ومعامل الانكسار من جهة وعوامل الظروف الجوية ودرجة الحرارة في منطقة الرصد من جهة اخرى. تمت هذه العملية من خلال حل المعادلة الخاصة بكل طبقة ممثلة بتكامل باستخدام قاعدة سمبسون ومن ثم جمع مقدار الانكسار لكلا الطبقتين لينتج الانكسار الكلي للغلاف الجوي. لقد قمنا باعداد برنامج حاسوبي جديد بالاستناد على النموذج الجديد للغلاف الجوي لايجاد زاوية الانكسار الجوي ولقيم مختلفة من زاوية السمت والمدى.اجريت مقارنة لنتائج البرنامج الحالي مع نتائج دراسات اخرى وقد كان هنالك توافق وتقارب جيدين بينهما. ان ميزة البرنامج الحالي انه سهل الاستخدام وبالامكان تغيير النموذج المستخدم فيه بسهولة, حيث ان قيم درجة الحرارة, الضغط, الرطوبة, خط العرض,درجة حرارة الاختبار, الطول الموجي للضوء المستخدم, ودرجة الدقة المطلوبة يمكن ان تغير في البرنامج بسهولة. اجريت دراسة لنفاذية الاشعة تحت الحمراء في النافذة الجوية 3 - 5 مايكرومتر باستخدام برنامج LOWTRAN6 وذلك في المسارين الافقي والمائل وبارتفاعات مختلفة (0.005،1،2،3،5،7،10،20 كم) ولعدة مديات (1،2،3،5،7،10،20 كم). طور البرنامج الحاسوبي Raytracing واستخدم في تصميم منظومة تصوير بصري حراري تعمل في المنطقة الطيفية 5 - 3 مايكرومتر. ثم تم الربط بين البرنامج المعد لحساب زاوية الانكسار في الغلاف الجوي مع برنامج الRaytracing .من خلال هذا الربط تم الحصول على تصميم بمواصفات جديدة التي من ثم ادخلت في البرنامج ZEMAX .تم حساب فرق المسار البصري ودالة الانتقال المعدل وspot diagram للمنظومة الحرارية المصممة قبل تاثير الاضطراب الجوي عليها، كما تم دراسة تاثير تغير المجال على خواص دالة الانتقال المعدل.اخيرا فقد تم دراسة تاثير الاضطراب الجوي على المنظومة من خلال ادخال ستة متغيرات وهي زاوية السمت، ارتفاع الملاحظ، درجة الحرارة، الضغط، الرطوبة النسبية وخط العرض. ومن ثم حساب فرق المسار البصري ودالة الانتقال المعدل وspot diagram مرة اخرى وملاحظة ما يحدث عليها من تغييرات بتغير انكسارية الجو ولعدة قيم من زاوية السمت(5،10،20،30،40،50،60،70،80،90 درجة) ولمديات مختلفة (20,10,7,5,3,2,1,0 كم) | When a light ray that emitted from the bodies, passes through the Earth’s atmosphere it will continuously change its direction of propagation. This is due to the atmosphere turbulence and the variation in the air density along the line of sight. In order to find out what happens to the image of a body in the atmosphere; we have studied the influence of thermal radiation refraction through the atmosphere on the image formed by thermal imaging system. A new atmospheric model was build to study the effect of the atmospheric turbulence on the optical imaging system design. In this model we assumed that the atmosphere in a hydrostatic equilibrium and consisting of two layers, the troposphere and stratosphere and all atmosphere consistence, obeys the perfect gas law. The temperature assumed decreasing at a constant rate within the troposphere, up to the tropopause at about 11km height from the Earth's surface and then above the tropopause the temperature remains constant and equal to the tropopause temperature. The upper height of the stratosphere is taken 80km. A formula obtained for calculating total refraction angle as a function of zenith angle and refractive index, and all meteorological data at the observer. The total refraction angle is the sum of the refraction caused by the troposphere and the stratosphere, each one is given as integral which was calculated by Simoson's rule. Then a computer program was written based on the new atmospheric model for calculating atmospheric refraction angle for different zenith angles and ranges of atmosphere. A comparison was done between the results of the present program and those of other sources. The comparison, indicate a good agreement with these sources. This program is simple to use, and in which the atmospheric model used can be varied easily. The values of temperature, pressure, humidity, latitude, lapse rate, wavelength and a specific accuracy can be changed. The IR transmission in the 3 - 5μm band was studied using the computer code LOWTRAN6 in both the horizontal and slant path at different altitudes (0.005, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 20 km) and ranges (1, 2, 3, 5, 7, 10, 20 km). A raytracing program was developed and it was used to design a thermal optical imaging system to work in the 3 - 5μm band. Then the new atmosphere refraction program was combined with the raytracing program. From this combination we obtained a new system design which was entered in the software ZEMAX.The optical path deference, modulation transfer function, and spot diagram were computed for the designed thermal optical imaging system before entering atmosphere turbulance effect. The affection of changing the field on the characteristics of the modulation transfer function was also studied. Finally the atmosphere turbulance effect was studied by entering six parameters, zenith angle, observer height, temperature, pressure, relative humidity, and latitude. The optical path deference, modulation transfer function, and spot diagram were calculated again to estimate, there affection by the atmosphere refraction for different values of zenith angles (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 degree) and ranges (0, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 20 km).
