Атмосферная оптоакустика мощных лазерных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ



На правах рукописи

Бочкарев Николай Николаевич

АТМОСФЕРНАЯ ОПТО АКУСТИКА МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ

Специальности: 01.04.03 - радиофизика, 01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 2005

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН и Томском государственном университете.

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор

Донченко Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Сухоруков Анатолий Петрович

Ведущая организация: Институт физики атмосферы РАН, г. Москва

Защита состоится 09 июня 2005 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.267.04 при Томском государственном университете по адресу: 634010, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан 21 апреля 2005 г.

доктор физико-математических наук, профессор

Якубов Владимир Петрович

доктор физико-математических наук Чистякова Лилия Константиновна

Ученый секретарь диссертационного совета

Пойзнер Б.Н.

Актуальность темы и состояние научной проблемы

Исследование распространения мощных лазерных пучков (МЛП) в светорас-сеивающих средах и, в частности, аэрозольных компонент атмосферы является фундаментальной научной проблемой [1,2].

Для решения связанных с этой проблемой задач перспективным считается применение оптико-акустичсского (ОА) эффекта - возбуждение акустических волн (АВ) в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности лазерного излучения [3]. При этом формирование и распространение ОА-сигналов в атмосферном пограничном слое (АПС) определяются как характеристиками поглощенного излучения, так и оптическими, теплофизическими и акустическими свойствами атмосферы.

Создание и использование лазерных источников с рекордными параметрами излучения стимулировали интерес к возможности использования ОА-эффекта совместно с атмосферно-оптическими исследованиями для решения научных программ, связанных с распространением МЛП на протяженных атмосферных трассах, построением моделей распространения такого излучения в АПС с подтверждением их лабораторными экспериментами.

Использование ОА-эффекта в исследованиях указанной проблемы имеет две взаимосвязанные стороны: оптическую и акустическую

Актуальность исследований первой из них связана с появлением источников мощного лазерного излучения (МЛИ) и определяется практической потребностью в прогнозе эффективности их работы в атмосфере во всепогодных условиях, в том числе для решения задач проводки молниевого разряда по заданной траектории и, в <ш связи с этим, необходимостью разработки дистанционных методов определения параметров МЛП и методов дистанционного определения параметров атмосферного аэрозоля в канале МЛП.

С другой стороны, дистанционные исследования с использованием ОА-эффекта предполагают рассмотрение явлений, связанных с амплитудно-частотными искажениями ОА-сигналов при их распространении в АПС.

Интерес к задачам распространения АВ в АПС возобновился с развитием методов акустического и радиоакустического зондирования атмосферы [4], а также необходимостью решения проблем, связанных с шумовым загрязнением атмосферы и его пагубным влиянием на здоровье человека, чем обусловлена актуальность решения второй части поставленной задачи.

Теоретические и экспериментальные исследования распространения звуковых волн в турбулентной [5] движущейся [6] атмосфере в рамках линейной акустики, а также теоретическое описание нелинейных волновых процессов [7, 8] в сплошных средах обозначили класс нерешенных и представляющих интерес для атмосферной акустики задач, связанных с влиянием подстилающей поверхности на распространение АВ и с особенностями нелинейных искажений звуковых волн

Таким образом, работа затрагивает актуальные проблемы оптики атмосферы и относится к области экспериментальной радиофизики.

Цель исследования состоит в изучении физических основ генерации, распространения и оптимального приема акустических волн при воздействии мощного лазерного излучения на вещество атмосферы.

(МС ИАЦИМАЛЫМа

МЫНОГШ 3

Задачи исследования

1. Определение границ применимости известных и разработка физических основ новых ОА-методов исследования распространения МЛП в АПС.

2. Постановка натурных и лабораторных экспериментов для исследования1" процесса импульсного лазерного возбуждения АВ в атмосфере и модельных аэродисперсных средах и на этой основе - разработка и апробация методов дистанционного измерения параметров МЛП и микрофизических характеристик аэрозольных компонент атмосферы.

В части исследования влияния АПС на параметры ОА-откликов, регистрируемых удаленным ОА-приемником, предусматривается следующее.

3. Определение частотного диапазона ОА-сигналов и его зависимости от параметров МЛП и параметров атмосферы как аэрозольной среды.

Для определенного по п. 3 частотного диапазона:

4. Создание методики экспериментальной селекции и исследования наиболее значимых факторов изменения среднего уровня звука, распространяющегося на приземных трассах до 1 км, а также исследование особенностей статистических свойств флуктуаций приземных звуковых волн.

5. Разработка алгоритма прогноза нелинейных искажений звуковых волн в АПС на основе результатов соответствующих экспериментов.

6. Исследование влияния внешнего акустического шума на отношение сигнал-шум при регистрации ОА-сигналов наземным приемником

Методы исследования

В работе использованы положения теории термооптической генерации ОА-сигналов в газах, оптической генерации АВ водными аэрозолями, линейного и нелинейного ослабления звука в атмосфере, включая численное моделирование конкретных задач ОА-генерации и распространения АВ.

Экспериментальные методы включали измерение амплитудных и пространственно-временных характеристик импульсных ОА-сигналов и тональных звуковых сигналов, а также опирались на методы математической статистики при обработке результатов измерений.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей под воздействием излучения С02-лазера микросекундной длительности, пропорциональна водности аэрозоля для однородно поглощающих частиц и зависит от плотности лазерной энергии по степенному закону с показателем степени: 2 - при по-верхносном испарении; 0,5 0,8 - при взрывном вскипании и разрушении

2. Акустические параметры длинной лазерной искры, возникающей в атмосфере при распространении мощного излучения С02-лазера микросекундной длительности и состоящей из отдельных очагов пробоя, определяются концентрацией аэрозольных твердофазных частиц размерами выше критического, зависящего по обратностепенному закону от плотности лазерной энергии Длительность и амплитуда оптико-акустического цмпульса. генерируемого очагом пробоя размерами от

»»МОИМ»! I 4 I |

; *»• мс «о »

нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, линейно пропорциональны размеру видимого ореола очага пробоя.

3. Флуктуации амплитуды звуковых волн на атмосферных трассах протяженностью до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения с увеличением длины трассы, частоты звука и интенсивности турбулентности атмосферы быстрее, чем в свободном пространстве Статистические характеристики флуктуации амплитуды звуковых волн на приземных трассах до 1 км при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности имеют масштаб подобия, зависящий от эффективной скорости ветра, поперечной трассе распространения звука, для любых метеорологических состояний пограничного слоя атмосферы

4 Использование параболического уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецо-ва позволяет прогнозировать нелинейные искажения звуковых волн, распространяющихся в свободной атмосфере на дальности порядка 100 м, с точностью не хуже ±1 дБ.

5. Высотно-частотное распределение внешнего акустического шума в приземном слое атмосферы зависит от граничного акустического импеданса подстилающей поверхности Нейтральная частота, для которой отсутствует высотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью, зависит в однопараметрической модели импеданса подстилающей поверхности от удельного сопротивления текучести по степенному закону с показателем степени 3/5. При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.

6. Прогноз амплитудно-частотных искажений звуковых сигналов при оптико-акустической диагностике распространения мощных лазерных пучков в приземном слое атмосферы позволяет более чем в 2 раза увеличить точность восстановления пространственных характеристик длинной лазерной искры на трассах протяженностью до 1 км.

Достоверность научных результатов

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

^обоснованностью физических предпосылок, использованных для определения параметров ОА-сигналов, которые характеризуют процесс взаимодействия МЛП с веществом атмосферы,

2) тщательной методической проработкой вопроса регистрации, обработки ОА- и акустических сигналов с учетом амплитудно- и фазочастотных характеристик приемных датчиков и регистрирующего оборудования, а также учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

3) использованием в качестве акустических приемников сертифицированных датчиков, а в качестве регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов;

4) статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и хорошим соответствием аналогичным результатам, выполненным позднее другими авторами;

5) сравнением выводов, следующих из экспериментальных данных, с результатами математического моделирования процессов генерации и распространения ОА- и акустических сигналов в АПС;

6) в численном моделировании и расчетах - тестированием созданных алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение или выполненных другими авторами и получивших всеобщее признание.

Научная новизна результатов

1 ОА-исследованиями обнаружено уменьшение акустического энерговклада при светоиндуцированной взрывной фрагментации водных аэрозолей и установлены пороги взрывного вскипания и разрушения водных капель аэрозоля, хорошо согласующиеся с соответствующими оптическими исследованиями Установлена квадратичная зависимость амплитуды ОА-импульса от плотности энергии воздействующего излучения С02-лазера при поверхностном испарении частиц водных аэрозолей. Зафиксирован сверхзвуковой разлет продуктов взрыва аэрозольных капель в эффективную область, превышающую эффективную область при поверхностном испарении в ~ 3 4- 4 раза На основе эффектов нелинейно-оптических взаимодействий предложен ОА-способ измерения концентрации частиц водных аэрозолей в атмосфере.

2. В свободной атмосфере дистанционно зарегистрированы ОА-импульсы термооптического механизма генерации АВ. ОА-измерениями подтверждена теоретически определенная линейность зависимости амплитуды акустического импульса при термооптической генерации от плотности энергии лазерного излучения

3. Микрофизическими и ОА-измерениями определены критические размеры частиц твердофазного аэрозоля, инициирующих оптический пробой в атмосфере Установлено, что амплитуда и длительность акустического импульса, генерируемого квазисферическим очагом пробоя (ОП) в атмосфере, определяются видимыми размерами его ореола

4 Разработан методический подход селекции турбулентного ослабления звука в атмосферно-акустических исследованиях на приземных трассах, позволивший экспериментально доказать справедливость положений теории турбулентного ослабления звука, полученных в малоугловом приближении Получены эмпирические зависимости турбулентного ослабления звука от длины трассы, частоты звука и скорости среднего поперечного ветра, которые хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

5. Обнаружено, что флуктуации уровня звука на атмосферных трассах до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения быстрее, чем в свободном пространстве. Обосновано применение для статистических характеристик флуктуации амплитуды приземной звуковой волны масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной трассе распространения звука.

6 На основе эффекта уширения частотного спектра звуковых сигналов, распространяющихся в атмосфере, предложены способы измерения внешнего масштаба турбулентности атмосферы и оптимизации ширины приемной диаграммы направленности для акустического зондирования скорости ветра в атмосфере, а на основе эффекта рефракции звука - способ измерения температуры атмосферы.

7. Определены уровни нелинейного поглощения мощных звуковых пучков на коротких атмосферных трассах в контролируемых метеоусловиях, что позволило обосновать использование методики прогноза нелинейного поглощения звука на основе численного решения уравнения Хохлова-Заболотской-Ку}нецова.

8. Показано, что высотно-частотиые характеристики внешних акустических шумов в атмосфере зависят от граничного импеданса подстилающей поверхности. Предлжен способ определения нейтральной частоты, для которой отсутствует вы-сотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью. При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.

9. При переходе от фемто- к наносекундной длительности импульса лазерного излучения для неизменной энергии излучения амплитуда генерируемого аэрозольным объемом ОА-отклика уменьшается на два порядка. Нелинейный ОА-эффект при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с воздухом свидетельствует о нетривиальном поглощении лазерного излучения.

Новизна подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения.

Научная значимость результатов работы

Методы, развитые при экспериментальном ОА-исследовании процессов вскипания жидкости и акустики взрывающихся капель, а также полученные физические результаты акустических последствий взаимодействия МЛП с веществом атмосферы важны для изучения физики конденсированного состояния вещества, физики теплового взаимодействия лазерного излучения с веществом, кинетики двухфазных сред.

Программы, методики и сопутствующее им математическое обеспечение, разработанные в процессе выполнения исследований, образуют в совокупности метод исследования распространения МЛП в атмосфере и аэрозольных компонент атмосферы. Метод можно использовать для исследований трансформации характеристик аэрозольных ансамблей различного происхождения под воздействием мощного оптического излучения, в том числе фемтосекундной длительности.

Практическая значимость результатов работы

1. Создана методика автоматизированной дистанционной ОА-экспресс-диагностики канала распространения МЛП в АПС и программно-экспертная система «Атмосферная оптоакустика», базирующиеся на прогнозе приземного распространения звука и ОА-индикации процессов взаимодействия МЛП с веществом атмосферы.

2. Установленная с помощью ОА-измерений адекватность физических процессов взаимодействия МЛП с аэрозолем в лабораторных и натурных условиях явилась основой методологии разработки инженерной модели оценки пропускания МЛП в условиях тумана, летней дымки, дождя.

3. Результаты исследования высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере позволяют: для систем дистанционной ОА-диагностики и акустического зондирования атмосферы - значительно повысить их потенциал за счет увеличения отношения сигнал-шум на апертуре акустического приемника; для целей

»

экологической безопасности и борьбы с шумовым загрязнением АПС - уменьшить факторы вредного воздействия на человека внешних акустических шумов техногенного характера,

4. Создан программный комплекс «Атмосферная нелинейная акустика», позволяющий контролировать степень нелинейных искажений звуковых волн на коротких трассах в атмосфере, а также проектировать потенциально новые мощные средства звуковещания и акустического зондирования атмосферы.

5. Акустические свойства созданного плазменного излучателя АВ позволяют рекомендовать его в качестве эталонного источника в диапазоне частот, недоступном при других способах генерации. Плазменный излучатель АВ имеет недостижимую для известных способов генерации ширину полосы воспроизводимых частот при незначительных нелинейных и амплитудно-частотных искажениях

Внедрение результатов работы

и рекомендации по их использованию

Результаты работы использованы в следующих организациях:

1. Институт оптики атмосферы СО РАН' при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в период с 1982 г. по настоящее время.

2. Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН: для выполнения опытно-конструкторской работы по проблеме распространения звуковых волн в АПС, которая завершилась в 2004 г созданием устройства прогнозирования дальности звукового вещания, изготовлением опытного образца и его государственными испытаниями.

3. Предприятие п/я Р-627Г для экспериментального изучения акустических свойств плазмы оптического пробоя в атмосфере.

4. ОАО «Научно-производственное предприятие "Звукотехника"»: в течение более 20 лет для прогноза распространения звуковых волн в АПС и для учета нелинейного поглощения звука в атмосфере в целях совершенствования существующих и разработки новых средств дальнего звуковещания.

5. Предприятия ФГУП «Научно-производственный центр "Полюс"» Российского авиационно-космического агентства и ООО «Научно-производственная фирма "Диамос"»- многоцелевая программно-экспертная система регистрации и обработки акустической информации, в которой основой алгоритмов служат, в частности, методы многоканальной спектральной обработки сигналов с коррекцией переходных характеристик приемных датчиков и аналоговых электронных схем оборудования, методы оптимальной фильтрации сигналов на фоне шумов и помех, а также способ, защищенный патентом Российской Федерации (патент №2140626 от 27 10.1999 г / Бочкарев Н Н , Картопольцев А В.). Программно-экспертная система служит составляющей частью прибора «Диамос», разработанного и изготовленного автором (Сертификат об утверждении типа средств измерений 1Ш.Е.28 ОбО.АИ 7903, выдан Госстандартом России 30.06 2000 г.).

6. Томский государственный университет: действующий макет плазменного излучателя АВ, разработанный и изготовленный автором, в целях учебного процесса для демонстрации нетрадиционного применения низкотемпературной плазмы

Внедрение и использование результатов работы подтверждается актами использования.

Для дальнейших практических целей представляют интерес следующие законченные научно-технические результаты работы:

1. Учет влияния высотно-частотного распределения внешнего акустического шума в атмосфере на отношение сигнал-шум в приемном тракте систем акустического и ОА-зондирования атмосферы и оценка эффективности действия систем дальнего звуковещания.

2. Учет влияния флуктуации приземных звуковых волн на эффективность работы систем ОА-зондирования атмосферы и дальнего звуковещания.

3. Учет влияния нелинейного поглощения звука в атмосфере на эффективность действия систем акустического зондирования атмосферы и систем дальнего звуковещания.

4. Программно-экспертный алгоритм восстановления параметров ОА-сигна-лов, генерируемых МЛП в атмосфере, с учетом механизмов их трансформации при распространении в АПС, характеристик внешних акустических шумов и технических параметров регистрирующего оборудования.

5. Комплекс экспериментальных исследований, выполненных в области атмосферной акустики, а именно, по факторам ослабления, флуктуаций и нелинейного поглощения звуковых волн, высотному распределению акустических шумов в атмосфере, перспективен в практическом использовании для модернизации существующих и создания новых технических систем передачи и приема AB в атмосфере, а также позволяет существенно улучшить технические характеристики таких систем, повысить их эффективность и конкурентоспособность.

6. Полученные в работе научно-технические решения и результаты можно использовать при планировании новых экспериментов по изучению взаимодействия МЛП с веществом атмосферы.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблеме взаимодействия МЛП с веществом атмосферы ОА-методом, выполненных в перивд с 1982 г. по настоящее время в рамках лаборатории атмосферной акустики (зав. лаб. д ф.-м.н. Н.П. Красненко) и лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий (зав лаб д ф -м н A.A. Землянов) Института оптики атмосферы СО РАН и кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования Томского государственного университета (зав. каф. д.ф.-м.н., член-кор. РАН ВШ И.В. Самохвалов). В исследованиях автору принадлежат' постановка научных задач; выбор методов решения; создание экспериментальной и приборной базы; планирование и проведение экспериментальных исследований; разработка алгоритмов, программ; анализ и интерпретация полученных результатов. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены по инициативе и при непосредственном участии автора.

По существу содержания работы на различных этапах ее выполнения помощь автору была оказана следующими учеными- В.А. Погодаев, А.Е Рождественский, А.М Кабанов - проведение экспериментов, интерпретация результатов исследования

OA-эффектов взаимодействия МЛИ с модельными аэрозолями (§ 2 2); проведение экспериментов по приземному распространению звука - В.П. Муравский (§ 4 2); проведение экспериментов с мощными звуковыми пучками в атмосфере -ВА. Клочков, А А. Фомичев (§5.1); численное моделирование распространения мощных звуковых пучков - П.А Коняев (§ 5.4).

Апробация работы

1 Результаты диссертационной работы докладывались на: 7-м и 8-м всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск - 1982 и 1984; 8-м и 11-м всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск - 1986 и 1992; 1, 2, 4, 6, 7, 8, 10, 11-м межреспубликанских и международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск -1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2004; Иркутск - 2000; 3-м Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск - 1985; 19-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград - 1984; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, Черноголовка - 1986; 2-й Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск - 1987; 2-м Межотраслевом акустическом семинаре «Модели, алгоритмы, принятие решений», Москва - 1988; 5-й Международной школе по квантовой электронике «Laser-physics and applications», Болгария, Солнечный берег - 1988; Российской аэрозольной конференции, Москва - 1993; 14-м Международном конгрессе по акустике, Китай, Пекин - 1993; 4-м рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск - 1996; Международном конгрессе «Advanced high power laser and application. AHPLA'99», Япония, Осака - 1999; заседании 9-й рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск - 2002; Международном симпозиуме «Lasers Material Interaction», С.-Петербург - 2003; 6-м Международном симпозиуме «Atomic and molecular pulsed lasers», Томск - 2003; Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии», Томск - 2003; 15-й сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород - 2004.

2 Представленные в диссертационной работе OA-исследования канала распространения импульсного МЛИ в атмосфере выполнялись в рамках государственных и региональных программ. Среди них- госбюджетная тема № 16 «Дистанционное зондирование атмосферы с использованием акустических волн», Федеральная целевая комплексная научно-техническая программа «Экологическая безопасность России», программы СО РАН «Исследование нелинейно-оптических взаимодействий в атмосфере» и «Волновые процессы при взаимодействии лазерного излучения с компонентами атмосферы». Работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ №03-05-64431.

3. На конкурсе прикладных работ СО АН СССР в 1989 г. в составе авторского коллектива за цикл работ по приземному распространению звука (частичное содержание 4-й и 6-й глав) работа получила диплом второй степени, а в 1987 г. за исследование энергетических и статистических характеристик интенсивного оптического излучения в регулярных и случайно-неоднородных средах (частичное содержание 2-4-й и 7-й глав) в составе авторского коллектива была удостоена премии Ленинского комсомола.

4. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках - 35; тезисов докладов на отечественных и международных конференциях и семинарах - 38; авторских свидетельств на изобретения - 8.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации - 339 страниц основного текста, включая 92 рисунка и 3 таблицы. Список литературы - 271 наименование.

Содержание работы

Во введении содержится краткий анализ состояния научной проблемы, сформулированы цели и задачи работы, обосновывается ее актуальность, раскрывается научная новизна и практическая значимость, приводятся положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание работы.

В первой главе приводится исторический обзор важнейших работ по научной проблеме, дана оценка результатов данных исследований с точки зрения обоснования акустического метода диагностики распространения МЛП в атмосфере и возможностей применения ОА-эффекта в задачах диагностики оптических свойств атмосферы как аэрозольной среды.

Основные сведения об аэрозольной атмосфере указаны в § 1.1. Раскрываются эффекты поглощения излучения МЛП в АПС и основные механизмы оптической генерация звука, связанные с этим поглощением. В зависимости 01 степени воздействия лазерного излучения на вещество атмосферы выделены следующие наиболее значимые механизмы ОА-генерации АВ' термооптический (фотоакустический), поверхностное испарение и взрывное вскипание водных аэрозолей, оптический пробой.

В оптически поглощающих средах при малых плотностях лазерной энергии Е„ основную роль играет термооптический механизм генерации АВ, обусловленный расширением нагреваемых лазерным излучением участков среды. С увеличением Ел становятся сущес! венными нелинейные эффекты, обусловленные возрастанием скорости расширения нагреваемого объема среды, а также изменением термодинамических параметров вещества в процессе действия МЛИ. Затем развиваются более сложные процессы генерации АВ, связанные с фазовыми переходами вещества и оптическим пробоем.

В задачах атмосферной оптоакустики ОА-сигналы регистрируются за пределами МЛП, а граница МЛП считается обладающей конечным акустическим импедансом. ОА-сигналы в этом случае регистрируются, а их характеристики определятся вне области тепловыделения.

Задачи атмосферной оптоакустики рассмотрены в работе поэтапно: на первом предполагается, что поперечные размеры области тепловыделения малы по сравнению с расстояниями, на которых могут проявиться нелинейные или диссипативные процессы при распространении АВ; на втором - эти эффекты учитываются при рассмотрении вопросов, связанных с распространением АВ в АПС от области их генерации до приемника.

В отличие от OA-исследований в замкнутых объемах (ОА-ячейках) [9] атмосферная оптоакустика имеет дело с переменной составляющей генерируемого лазерным излучением акустического давления, возникающего в момент действия импульса излучения или в результате амплитудной модуляции последнего. Поэтому термооптический механизм генерации звука рассматривается в § 1.2 для импульсного и гармонически модулированного лазерного излучения, распространяющегося при относительно слабом поглощении.

Использование уравнения фотоакустической спектроскопии (Herman R М., Gray М.А, 1967) в рамках поставленной задачи предполагает пренебрежение стрикционными эффектами Поскольку уравнение не содержит членов, учитывающих диссипацию АВ, поэтапное рассмотрение задачи позволяет учесть этот эффект позднее на стадии распространения ОА-сигналов.

Особенности наиболее существенных механизмов оптической генерации АВ, таких как взрывное испарение и фрагментация аэрозольных частиц, оптический пробой в атмосфере, рассмотрены в § 1.3.

Теоретически задача формирования АВ при воздействии импульсного лазерного излучения на жидкие аэрозоли решается на основе уравнений термогидродинамики двухфазной среды, записанных с учетом воздействия лазерного излучения. В атмосфере концентрации аэрозоля невелики, поэтому его влияние сводится к возмущению газодинамических параметров среды. Аэрозоль в уравнении для воздушной среды учитывается в функции теплового источника, а образовавшиеся в результате взаимодействия с лазерным излучением пары частиц - в уравнении состояния.

OA-эффекты в аэрозолях, связанные с быстрым и неоднородным прогревом двухфазных систем как в допороговых, так и в сверхпороговых для развития оптического разряда режимах взаимодействия с МЛИ, представляют собой целый класс физических процессов. Рассмотрены эффекты, возникающие на твердом и жидком аэрозоле в сверхпороговых для развития оптического разряда режимах взаимодействия с МЛИ, дана классификация возникающих АВ, проанализированы возможности OA-диагностики параметров МЛП и аэрозоля.

По разнообразию физических механизмов генерации АВ наиболее богатым является коллективный оптический разряд, возникающий в плотных аэродисперсных средах при минимальных интенсивностях в поле достаточно длинных импульсов, формирование и развитие которого идет за счет теплопроводностного механизма без образования свегодетонационных волн поглощения МЛИ, характерных для динамики ОП в разрядах типа длинной лазерной искры (ДЛИ). Относительный максимум акустического спектра коллективного оптического разряда существует в области частот/~ 104 Гц и определяезся двумя видами волн- внутренних гиперзвуковых /~ 1 -г-10 МГц и уходящих звуковых/~ 110 кГц.

Гиперзвуковые АВ, возникающие на начальном этапе эволюции ОП, характеризуются частотами вплоть до/- 108 Гц. Затем происходит быстрое уменьшение их амплитуды, сопровождающееся смещением спектра в область низких частот /~ 106 Гц за время ~ 3 мкс. Процесс идет в условиях конкуренции нелинейности и высокочастотной диссипации при сферическом расширении ОП. Скорость волны вытеснения буферного газа быстро падает (за время - 3 мкс от 200 до 40 м/с), так что АВ отрывается от нее и от зоны прогрева и распространяется уже в холодном

буферном газе. Дальнейшая эволюция АВ и возможности ее дистанционного приема определяются линейным поглощением звука и геометрической расходимостью.

Специфика взаимодействия МЛП допробойной интенсивности с водным аэрозолем, связанная главным образом с фокусировкой и взрывом частиц либо выбросом из них струй пара при сравнительно низкой температуре, качественно не меняет физический механизм генерации АВ как процесса распада скачков давления на фронте паровоздушного ореола. Меняется, по существу, лишь геометрия последнего. Это означает, что на расстояниях, много больших радиуса частицы, ожидается общая асимптотика АВ формирования ореола для твердого и водного аэрозолей.

В зависимости от размеров и материала аэрозольных частиц, а также длительности импульса лазерного излучения х„ возможны несколько механизмов возникновения микроОП на изолированной частице Наиболее известным из них является сравнительно высокопороговый по интенсивности механизм теплового взрыва твердых микронных частиц с последующим развитием лавины в расширяющемся термически слабоионизованном паровоздушном ореоле. Этот механизм хорошо согласуется с частотной зависимостью порогов пробоя крупной фракции естественного сухого атмосферного аэрозоля в разрядах типа ДЛИ при тл ~ 10~8 -н Ю-6 с. Поскольку интенсивности / при этом достаточны для поддержания светодетонаци-онной волны в буферном газе, генерация АВ почти сразу же сменяется генерацией сходной по пространственной структуре и спектру, но существенно более мощной АВ, длительность которой определяется уже не собственным временем формирования паровоздушного ореола, а тл Эта волна связана с движением фронта разогрева ОП и распространением светодетонационной волны.

Таким образом, аэродисперсные системы в поле МЛИ ближнего и дальнего ИК-диапазонов являются эффективными источниками АВ в широком спектральном интервале как в допробойном режиме, так и особенно в сверхпороговых для развития оптических разрядов условиях.

В § 1.4 сформулирована задача разработки метода атмосферной ОА-диагностики МЛП и аэрозолей, для которой обобщенная схема ОА диагностики распространения МЛП на наклонных трассах в АПС представлена на рис 1. С учетом решаемых задач ОА-зондирования используется коллимированный или сфокусированный МЛП. а режим работы источника - моноимпульсный или гармонически амплитудно-модулированный.

В зависимости от энергетических характеристик МЛП при его фокусировке на заданной высот е в атмосфере может возникнуть оптический пробой на аэрозольных частицах, пространственная структура которого - четочная протяженная или сплошная лазерная искра.

Наиболее успешно образование ОП происходит при низких влажностях атмосферного воздуха. Повышенное содержание влаги в атмосфере приводит к обводнению твердофазного аэрозоля. Водная оболочка аэрозоля увеличивает время задержки образования ОП относительно начала лазерного импульса. Осадки ускоряют вывод грубодисперсной фракции аэрозоля Аэрозольная природа и пороговый характер оптического пробоя атмосферы имеют следующее очевидное объяснение: аэрозольные частицы, поглощающие лазерное излучение, разогреваются до температуры, соответствующей области температур первой ионизации атомов и образованию плотной плазмы. В плазме происходит сильное поглощение лазерного

излучения, что приводит к дальнейшему сильному разогреву плазмы и образованию плазменных полостей, которые, расширяясь, создают в воздухе ударные волны.

Рис 1 Обобщенная схема ОА-зондирования атмосферы

Для ОА-диагностики пространственных характеристик оптического пробоя, а также исследования аэрозольных образований природного или искусственного происхождения на трассе распространения МЛП наиболее простым будет размещение акустического приемника вблизи источника МЛИ. При этом каждому элементу пространственной структуры оптического пробоя, в зависимости от его удаленности от приемника, будет соответствовать акустический отклик, регистрируемый на «звуковой дорожке».

Размещенные вдоль проекции МЛП на плоскость подстилающей поверхности ОА-приемники, помимо регистрации акустических сигналов от ОП и аэрозольных образований, возникших в МЛП, регистрируют сигналы термооптического возбуждения АВ. Каждый из ОА-приемников чувствителен к собственной ближайшей к нему квазицилиндрической области МЛП, имеющей эффективную протяженность порядка радиуса первой зоны Френеля.

Суммарное звуковое поле в точке приема - суперпозиция прямой (луч 1, рис. 1) и отраженной подстилающей поверхностью волн (луч 2, рис. 1). Отраженные подстилающей поверхностью АВ представляют серьезную помеху, и поэтому необходима разработка эффективного метода очистки от них «звуковых дорожек». Причем численный алгоритм, базирующийся на таком методе, должен позволять современным вычислительным средствам выполнять необходимые расчеты в реальном времени.

Регистрируемый наземным акустическим приемником широкополосный сигнал обладает частотным спектром, который формально имеет вид.

Р( со) = Щи>)К(т)Цт)[Л1(<») + А2(а)2{т)\ + Рш{ со), (1)

где /оДю) - спектр огибающей импульса лазерного излучения; К{со) - передаточная функция ОА-источника; Цм) - спектр пропускания атмосферы; А\ 2(ео) - спектры приемника в направлении прямого 1 и отраженного 2 луча (см. рис 1); Z('л) -спектр коэффициента отражения подстилающей поверхности; Рш(т) - спектр внешних акустических шумов.

Для решения поставленной задачи, как следует из (1), необходимо рассмотреть комплекс вопросов, связанных с физическими механизмами генерации АВ при взаимодействии МЛП с веществом атмосферы, распространением АВ в АПС с учетом искажающего влияния подстилающей поверхности и влиянием внешних акустических шумов.

В частности, одной из физических задач, важных для создания установок лазерной проводки молниевых разрядов, является повышение эффективности формирования высокоионизованного канала - пространственной ДЛИ, зависящей от особенностей распространения МЛИ.

Построение физической модели генерации АВ при воздействии МЛП на вещество атмосферы требует знания зависимости коэффициента аэрозольного ослабления от энергетических параметров МЛИ, исследование которой следует проводить в контролируемых лабораторных условиях.

Вторая глава посвящена вопросам экспериментальных исследований распространения МЛИ импульсных С02-лазеров микросекундной длительности на атмосферных приземных трассах в условиях тумана, мороси, дождя (§ 2.1) и в лабораторных условиях в модельных аэрозолях (§ 2.2).

Дистанционная индикация взаимодействия МЛП с частицами аэрозоля различного химического и фазовою состава в атмосфере возможна благодаря фазовому переходу жидкокапельного аэрозоля и оптическому пробою. Индикатором таких процессов являются генерация АВ и изменение рассеивающих свойств аэрозоля при фазовом взрыве частиц в допороговом режиме.

В натурных измерениях использовался моноимпульсный электроионизационный лазер на смеси С02:М2 с предыонизацией активной среды электронным пучком, длина волны Х= 10,6 мкм. Форма импульса генерации имела главный пик с полушириной (3^-5)- 1 (Г7 с и пологий задний фронт длительностью (1,5 ч- 2,5) • Ю-6 с. В переднем фронте сосредоточено 75% от всей энергии лазерного импульса. Средняя плотность энергии МЛИ составляла Е„ = 0,1 -н 20 Дж/см2. Излучение фокусировалось 480540 м) на приземной трассе протяженностью до 580 м, которая проходила на высоте 2,5 -н 4 м над ровной подстилающей поверхностью В ходе экспериментов измерялись метеопараметры атмосферы и микроструктура аэрозоля.

Акустические сигналы регистрировались на два микрофона, которые размещались на удалении 1 + 30 м от оси лазерного пучка на высоте 2 4 м над подстилающей поверхностью. Данные вводились в персональный компьютер и обрабатывались с использованием программно-экспертной системы «Атмосферная оптоаку-стика» (глава 7), разработанной автором. Общий частотный диапазон акустического стенда составил 20 Гц ч- 20 кГц при динамическом диапазоне ~ 54 дБ Замеряемые уровни звукового давления: Ю-3-200 Па при основной абсолютной погрешности измерения не более ± 12%.

Технические характеристики лазерного источника позволили уверенно регистрировать акустический импульс, генерируемый при распространении лазерного

излучения в допробойном режиме, на расстоянии нескольких метров (1984 г) Отмечено, что длительность регистрируемого акустического импульса обусловлена поперечными размерами МЛП Установлено, что пиковая амплитуда генерируемого акустического импульса Р. линейно зависит от Ел в диапазоне Е:1 ~ 0,1 - 1,5 Дж/см2 и составляет 0,05 - 0,3 Па на расстоянии с/ = 1 м Тем самым впервые была продемонстрирована возможность проведения экспериментальных ОА-исследований допороговых процессов взаимодействия МЛИ с веществом атмосферы без использования закрытых объемов непосредственно в свободном пространстве Этот факт позволяет методами атмосферной оптоакустики дистанционно решать целый класс актуальных для атмосферной оптики физических задач, в том числе используя для этого достижения камеральной ОА-спектроскопии Учитывая, что на длине волны излучения С02-лазеров коэффициент ослабления в основном определяется водяным паром и аэрозолем, по измерениям давления ОА-импульсов при известном кооэф-фициентс поглощения лазерного излучения аор, можно контролировать, используя многоканальную бистатическую схему рис 1, изменения энергетических параметров МЛП на атмосферной трассе. С другой стороны, контролируя энергетические параметры лазерного излучения на трассе с помощью многоканальной ОА-диагностики, можно восстанавливать коэффициент аор Уровень акустическою сигнала, генерируемого импульсным МЛИ, достаточен для ею уверенной регистрации на расстояниях в несколько километров при использовании направленном) акустического приема: узконаправленный микрофон, параболическая антенна со зву-козащитной блендой. Практическая значимость вывода очевидна для задач диа1 но-стики распространения МЛП в атмосфере и зондирования некоторых метеорологических параметров АПС ОА-способом.

При работе источника МЛИ на наклонной трассе в атмосфере возможен лишь однонаправленный ОА-прием, когда ось размещенного у поверхности земли микрофона перпендикулярна МЛП (см. рис. 1) Учитывая, что большинство МЛП близки к аксиально-симметричным, можно только приближенно оценить распределение плотности энергии по МЛП, не решая строгую обратную задачу вычислительной реконструктивной томографии.

Обсуждению количественных данных об изменении характеристик ОА-огклика, регистрируемого при взаимодействия МЛИ с частицами модельных водных аэрозолей в лабораторных условиях, и установлению причины этих изменений посвящен § 2.2.

В экспериментах моделировались такие условия, которые обеспечивают однозначную интерпретацию полученных результатов, л .е. позволяют трактовать измеренные характеристики всего аэрозольного объема на основе модельных представлений о взрыве одной жидкокапельной частицы.

Воздействующее излучение импульсного ТВА С02-лазера через фокусирующую линзу (/•" = 0,6 м) направлялось в область взаимодействия с аэрозолем, где площадь поперечного сечения пучка составляла 4—16 мм2 при энергии в импульсе Ет = 3 ч- 5 Дж и тл = 3 • 10~б с. Форма импульса излучения является типичной для С02-лазеров атмосферного давления.

Эволюция прозрачности аэрозольного слоя в условиях взрыва частиц находилась из сравнения формы опорного и прошедшего зондирующих лазерных

импульсов с I = 0,63 мкм, которое соосно с воздействующим направлялось через объем взаимодействия.

Облучаемыми объектами служили следующие модельные среды.

1. Аэрозоль полидисперсный или мелкокапельный монодисперсный. Среда моделировалась так, чтобы все жидкокапельные частицы удовлетворяли условию малости- 2аора0< 1, где а„ - начальный радиус аэрозольных частиц. Аэрозоль монодисперсный вырабатывался ультразвуковым генератором, позволяющим добиваться минимального разброса в распределении частиц по размерам а0 = 2,7 мкм. Аэрозоль полидисперсный: размер капель до 30 мкм, наивероятнейший радиус частиц ~ 4 мкм. Область взаимодействия излучения С02-лазера с аэрозолем представляла собой кубический объем со стороной ~ 4 мм. Концентрация аэрозоля изменялась в пределах 3 • 104 -г 2 • 106 см"3, а начальная водность - 8 800 г/м3.

2. Тонкий водяной диск размером менее 10"3 м в сечении, перпендикулярном направлению приема АВ, и 10"5 м в продольном.

3. Струя воды диаметром 250 мкм Источником акустического возмущения в среде, исходя из геометрии эксперимента, являлся цилиндр диаметром 250 мкм и высотой 2 мм.

Для регистрации акустического сигнала при работе с объектами типа 1, 3 использовался микрофон с линейным частотным диапазоном 2+ 10s Гц, максимальной амплитудой регистрируемых давлений ~ 8000 Па и абсолютной погрешностью измерений ± 6%, а для работы с объектом 2 - пьезодатчик с частотным диапазоном 2 МГц.

Регистрировались следующие характеристики акустического отклика: амплитуды и длительности положительной и отрицательной фаз Р+, Р_, т+, т_ соответственно; длительность переднего фронта положительной фазы Тф; т+, т = т+ + т_; временная задержка начала регистрации акустического сигнала т3, определяемая расстоянием d от объема формирования импульса давления до микрофона и скоростью звука в среде с0.

В качестве контролируемого параметра была выбрана степень взрывного испарения аэрозольных частиц Хт = MJM„ где М„ - масса пара, образовавшегося к моменту взрыва тю в результате поверхностного и объемного парообразования; Мк - начальная масса капли. В свою очередь, время взрыва тю складывается из времени нагрева капли до температуры взрывного вскипания, времени генерации паровых зародышей в результате гомогенной нуклеации перегретой жидкости и времени их роста как макроскопических паровых пузырей В эксперименте время взрыва фиксировалось по началу резкого изменения прозрачности аэрозольного слоя на длине волны зондирующего излучения. В диапазоне плотностей энергии, при которых реализуется взрывное вскипание частиц (2 Дж/см2 < Ел< 20 Дж/см2), уменьшение тю связано с уменьшением времени разогрева частиц при увеличении скорости их нагрева излучением. Степень испарения Хю определялась из измерений прозрачности на длине волны воздействующего излучения X = 10,6 мкм, так как для исследуемого монодисперсного аэрозоля применимо приближение водности: аор ~ qa, где qa - водность аэрозоля. Резкое изменение величины аор свидетельствует о наличии значительного испарения аэрозольных частиц в момент взрыва, после чего происходит медленное испарение конденсированной фракции продуктов взрыва за счет поглощения энергии низкоэнергетического «хвоста» импульса МЛИ.

В экспериментах зафиксировано изменение зависимости Р(Е„), соответствующее области порога взрывного вскипания частиц аэрозоля Е„ = 1,5 * 2 Дж/см2, что хорошо согласуются с независимыми оптическими исследованиями [2].

Полученные в экспериментах зависимости Р(Е„) допускают простую физическую интерпретацию. При регулярном испарении и взрывном вскипании частиц жидкого аэрозоля в МЛП часть жидкости переходит в пар, что приводит к росту давления в облучаемом модельном объеме Поскольку для данного эксперимента длительность импульса воздействующего излучения значительно меньше времени пробега звука через поперечник облучаемого объекта тл < 2ял/с,ь где ал - радиус МЛП, то т+ определяется пространственными размерами облучаемого объема V, а наблюдаемый процесс сводится к задаче излучения АВ источником с начально заданным профилем давления. Определение излучаемой источником акустической энергии можно оценить по формуле WÍK = РаА V, где Ра - атмосферное давление; & V - объем вытесненного воздуха. Полагая, что Д V равен объему, вытесненному паром, получим

W^=^na¡N,^c2lLP0V (2)

d Рп

где Хис - степень испарения; р„, рп - плотность воды и пара на линии насыщения; Nn - исходная концентрация частиц аэрозоля.

Подстановка исходных данных эксперимента в (2) дает значения WaK, близкие к наблюдаемым в эксперименте.

Р, Па 1ооо

100

10

1

Е„, Дж/см

Рис 2 Зависимость акустического давления при 5 см от плотности лазерной энергии 1 -полидисперсный аэрозоль с модальным радиусом частиц 4 мкм, водностью 800 г/м', 2 - монодисперсный аэрозоль с радиусом частиц 2,7 мкм, водностью 48,6 г/м3, 3 - полидисперсный аэрозоль с модальным радиусом частиц 10 мкм; 4 - водный цилиндр с радиусом 250 мкм

Исследования с аэрозолями типа 1 показали (рис. 2), что амплитуда генерируемых ОА-сигналов для однородно поглощающих частиц пропорциональна водности аэрозоля, а зависимость Р{Еп) для аэрозолей типа 1-3 нелинейна при переходе от поверхностного испарения частиц аэрозоля к взрывному вскипанию и разрушению: Р ~Е2 при поверхностном испарении (0,3 <Е„< 2 Дж/см2) и Р ~£°'5*°-8 при взрывном испарении и разрушении (Е„ > 2 Дж/см2). При Е„ > 1 Дж/см2 ход зависимости Р(ЕЛ), измеренной на водном цилиндре (среда типа 3), хорошо согласуется с зависимостью, полученной для монодисперсного аэрозоля. После взрывного разрушения частиц эффективность генерации АВ снижается. При термооптической генерации акустического отклика (Е„ < 0,3 Дж/см2) Р ~Е.

В экспериментах с модельной средой типа 2 отмечно, что при реализации поверхностного и взрывного испарения форма генерируемого акустического импульса изменяется. Для данного эксперимента длительность импульса воздействующего излучения значительно больше времени пробега звука через поперечник облучаемого объекта тл > 2ал/с0, поэтому т+ должна полностью определяться тл. Однако были обнаружены отклонения от этого правила. В частности, было установлено уменьшение величины т3 при увеличении Е„, начиная с энергетического порога (Е„ ~ 2 Дж/см2).

При термооптическом и испарительном механизмах формирования акустического сигнала величина т3 не изменяется и соответствует времени распространения импульса давления со звуковой скоростью. При переходе к взрывному вскипанию частиц облучаемого объема величина т3 резко сокращается, что говорит об изменении механизма формирования акустического сигнала. При смене режимов взаимодействия наблюдаются существенные изменения формы сигнала. Изменяются соотношения между т+ и Тф. Поскольку при возбуждении объема взаимодействия коротким лазерным импульсом форма переднего фронта акустического импульса должна повторять распределение термооптических источников, то значительное уменьшение величины т3 и увеличение Тф свидетельствуют о том, что размеры области генерации АВ, которая заполнена фрагментами взрыва капель, существенно увеличиваются при Ец> 2 Дж/см2 в ~ 3 -ь 4 раза.

Рассмотрена модель импульсного ОА-эффекта в аэродисперсной среде, представляющей собой пространственно-ограниченный объем в виде сферы или длинного цилиндра. Исходя из предположения об изменении размера области формирования акустического импульса, проводилось численное моделирование процесса формирования регистрируемого акустического отклика. Для импульса воздействующего лазерного излучения конечной длительности регистрируемый акустический сигнал представляет собой свертку возникающего акустического сигнала с расчетной переходной характеристикой пространственных условий регистрации сигналов. При этом переходная характеристика регистрирующего оборудования не учитывалась, так как ее влияние ничтожно мало в исследуемом диапазоне частот.

В соответствии с геометрией эксперимента и при допущении, что область возникновения акустического сигнала представляет собой сферу, дифракционные искажения регистрируемого акустического отклика учитывались на основе решения задачи об импульсном излучении сферы (область возникновения акустического

сигнала) на поршневую диафрагму (мембрану микрофона) При этом колебания поверхности сферы аппроксимировались функцией

Поскольку область генерации акустического импульса имеет существенное отличие по теплофизическим характеристикам от окружающего пространства, эта область отождествлялась излучателем нулевого порядка (пульсирующая сфера). Эффективность передачи энергии сферой радиуса а при ка < 1 стремится к чисю мнимой величине и значительно снижается. Для импульса вида (3) эффективно излучаемая длина волны будет связана с радиусом сферы соотношением X < па.

Результаты численного моделирования, выполненого в рамках изложенных допущений, хорошо согласуются с результатами экспериментов. Таким образом, переход от регулярного испарения к взрывному вскипанию отмечен резким увеличением размера области генерации акустического отклика, что объясняется сверхзвуковым разлетом продуктов взрыва и заполнением ими эффективного объема. На основании проведенных модельных экспериментов можно сделать вывод о том, что форма акустического сигнала, формируемого при взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества, определяется режимом взаимодействия и существенно от него зависит. Полученные количественные данные амплитудных и временных зависимостей акустического давления позволяют, по их совокупности, проводить идентификацию режима взаимодействия лазерного излучения с поглощающим веществом.

Третья глава посвящена акустике оптического пробоя в атмосфере.

Оптический пробой характеризуется наиболее высоким коэффициентом преобразования падающей лазерной энергии в акустическую, что в отличие от традиционных методов ОА лазерной спектроскопии позволяет реализовать регистрацию акустического отклика непосредственно в свободной атмосфере. Поскольку ДЛИ характеризуется несколькими существенно различными пространственными масштабами, в том числе размером ОП и средним расстоянием между соседними ОП, это позволяет выделить связанные с ними низкочастотные компоненты. А это, в свою очередь, позволяет интерпретировать нелинейные потери энергии МЛП на трассе распространения по измерениям амплитуды АВ, определять размеры отдельных ОП и их распределение по размерам.

При постановке экспериментов исследования акустических свойств оптического пробоя в атмосфере использовался источник МЛИ, описанный в § 2 1, который на атмосферной трассе распространения МЛП создавал ДЛИ с наивероятней-шими размерами ОП с/оп = 1,2 -н 1,5 см.

Путем многократного синхронного фотографирования видимого размера ОП и регистрации генерируемого им акустического импульса найдены эмпирические соотношения:

где d0n в м; т+ [с], Р+ [Па] - длительностью и амплитуда генерируемого ОП импульса сжатия. Энергетические характеристики лазерного источника, используемого в

/(() = B(ntfr)"exp(-nth)sm(nt/~c), п = Ъ + 3,8.

(3)

d0n~ 0,71т+с; ¿on«/V/2100,

(4а) (46)

натурных экспериментах, позволили реализовать неточную структуру ДЛИ, обусловленную возникновением ОП на частицах твердого аэрозоля При этом для акустического метода индикации возникновения ДЛИ не имеет принципиального значения механизм инициации ОП Из данных ОА-измерений удалось восстановить критические размеры частиц аэрозоля, инициирующих ОП, и их обратностепенную зависимость от Еп, что представляет интерес в прогнозе распространения МЛП на атмосферных трассах.

Исследования, выполненные позднее (Шаманаева Л Г, 1988; Шаманаев С В , 1998), подтвердили основные выводы автора о количественной линейной связи между размерами ОП и амплитудно-частотными характеристиками генерируемого им акустического импульса.

В отличие от акустических характеристик излучателя нулевого порядка ОА отклик ОП имеет слабозаметный и достаточно протяженный «хвост» в виде слабозатухающих колебаний, т е ОП не «схлопывается» сразу после возникновения, а продолжает существовать достаточно долгое время и как излучатель звука является резонатором с собственной конечной добротностью Этот эффект объясняется следующим. В разогревающемся ОП зона генерации АВ удалена от поверхности частицы и возникающие здесь АВ разогрева бегут из зоны разогрева не только наружу, но и внутрь Их «схлопыванию» к частице препятствует встречный сверхзвуковой поток газа во внутренней конвективной области ОП. Результатом взаимодействия АВ разогрева с потоком являются сжатие конвективной области, быстрый рост давления на ее границе с теплопроводностной областью и своеобразное отражение (реверберация) АВ разогрева, увеличивающее время ее существования при внешнем приеме, проявляющееся в виде слабозатухающих колебаний, регистрируемых после начальной ударной волны. Как правило, при удаленном приеме ОА-сигнала «хвост» акустического отклика от ОП не регистрируется вследствие влияния внешних акустических шумов, существенно снижающих отношение сигнал-шум на входе акустического приемника.

В § 3.2 проанализированы принципиальные отличия в акустических сигналах, генерируемых ДЛИ и отдельными ОП, и рассмотрены особенности регистрации ОА-сигналов, генерируемых ДЛИ в канале МЛИ.

Специфика разрядов типа ДЛИ проявляется на поздних стадиях, когда ОП расширяются в окружающий газ, как правило, по механизму светодетонационной волны. Возникающие при этом в условиях дисперсии и диссипации спектральные характеристики сравнительно низкочастотных слабозатухающих компонент АВ разогрева являются основным источником акустической информации о ДЛИ при дистанционном приеме. Область пробоя характеризуется несколькими существенно различными пространственными масштабами' размером ОП, средним расстоянием между соседними ОП и общим размером области пробоя. Эти пространственные масштабы в частотной области проявляют себя в виде спектральных особенностей, по которым можно оперативно оценить указанные выше масштабы При этом НЧ-максимум спектра несет информацию о продольном размере области разряда, а ВЧ-максимум - о характере распределения аэрозольных частиц в пространстве Чем точнее данные акустических измерений для определения частотных спектров, тем выше точность измерения пространственных масштабов.

Четвертая глава посвящена вопросам распространения звука в АПС.

В рамках линейной акустики особенности распространения звука вблизи подстилающей поверхности рассмотрены в §4.1 Выделена группа факторов, влияющих на изменение среднего уровня звуковой волны, распространяющейся вблизи подстилающей поверхности, а также сформулирована постановка задачи в исследовании этих факторов. 1

Прогнозируемая величина изменения среднего значения уровня звука L для изотропных источника и приемника представима в виде

L ~ ^-сф ± ¿з + LK„ ± Z,p„± ¿рт + Lp+ ¿г. (5)

где Lqф - фактор сферической расходимости; L3 - изменение уровня звука, обуслов-лешюе влиянием подстилающей поверхности; £т - турбулентное ослабление; ¿км -классическое (вязкие и термические потери) и молекулярное (вращательная и коле-ба1ельная релаксация) поглощения; LpB и 1рт - рефракционные изменения уровня звука за счет стратификации в атмосфере ветра и температуры соответственно; 1,р -ослабление растительным покровом; Lr - ослабление на гидрометеорах (дождь, снег и др.).

Факторы ¿з, ¿рв, Lp,, согласно (5) знакопеременны, т.е. в результате их влияния на приемнике могут возникать как ослабление, так и усиление уровня звука. Большинство ситуаций распространения звука в АПС связано с ослабляющим действием указанных факторов на общий уровень звука.

Рефракционные факторы ¿рв, ¿рт на трассах протяженностью до 1 км обычно невелики, а режим распространения AB вдоль поверхности земли принято в этом случае характеризовать как «нейтральный» Когда факторы Z,pB, LpT имеют знак плюс, режим распространения характеризуют как «антиволноводный», а для отрицательных значений - «волноводный».

В § 4 2 приведены описание акустического стенда для атмосферно-акустических исследований и методология проведения натурных экспериментальных исследований на приземных трассах протяженностью до 1 км.

В состав акустического стенда входили: акустическая решетка электрической мощностью 3 кВт, низкочастотный излучатель звука, рупорные громкоговорители, радиомикрофоны, шумомсры фирмы «Robotron», ультразвуковая метеостанция, стандартные измерители метеопараметров на метеомачте, измеритель структурной

характеристики флуктуаций показателя преломления для звуковых волн С д,

В § 4 3 классифицированы по степени значимости для задач атмосферной оп- *

тоакустики различные факторы изменения уравня звука и искажающее влияние условий распространения звуковой волны в АПС на амплитудно-частотные характеристики широкополосных звуковых сигналов. Последовательным изложением • материала на основе исследований автора и литературных данных рассмотрены факторы ¿з, ¿т, ¿р,, ¿рт.

Влияние импедансной подстилающей поверхности на формирование звуковых полей в приземном слое атмосферы сводится главным образом к ослаблению среднего звукового поля вблизи поверхности

Комплексные экспериментальные исследования наиболее значимых факторов изменения уровня звука проведены с помощью разработанной автором методики селекции, которая позволила выделить каждый из факторов £3, £т, £рв. £рт и

исследовать их в отдельности. Измерения турбулентного ослабления на приземных трассах, впервые выполненые автором (1984 г.), позволили определить эмпирические зависимости 1т от длины трассы, частоты звука, скорости среднего ветра. Результаты исследований легли в основу методики и программно-экспертной системы прогнозирования Ь.

Одним из основных факторов ослабления звуковых волн на трассах распространения до 1 км является фактор 13, особенности которого в условиях турбулентной атмосферы рассмотрены с учетом дисперсии флуктуаций фазы звуковой волны в точке приема [5]. В результате прогноз приземного фактора можно провести при следующих исходных данных: длина трассы, высоты источника и приемника звука над подстилающей поверхностью, специфическое удельное сопротивление

текучести а (параметр подстилающей поверхности), частота звука и параметр СI/.

В то время как на ослабление звуковой волны, распространяющейся в свободном пространстве, влияют в основном факторы Ьки и 1т, при распространении звука в непосредственной близости от поверхности грунта влияние этих факторов отходит на задний план, уступая место факторам 13, Ьр„ ¿рт. Причем фактор £3 обладает значительной частотной избирательностью, что проявляется на средних звуковых частотах. Максимум такого ослабления лежит в окрестности 350 Гц для типичных для АПС ситуаций.

В слаботурбулентной атмосфере при распространении звука на расстояния порядка 1 км в АПС наиболее слабому ослаблению подвержены частоты ниже 200 Гц. Средние частоты будут ослабляться влиянием поверхности земли, а высокие -влиянием фактора ¿кн.

При увеличении интенсивности турбулентности в атмосфере средние частоты будут ослабляться меньше, поскольку уменьшается фактор Ц. Высокие частоты будут существенно подвержены влиянию фактора 1т, если источник звука обладает узкой диаграммой направленности. Рефракция звука оказывает малое влияние на ослабление звука при углах к горизонту, больших чем ~ 5°, до расстояний распространения звуковых волн порядка 1 км.

Результаты исследований показывают, что вклады факторов, входящих в прогнозируемую величину £ полного ослабления звука, для различных частот сильно варьируют в зависимости от метеоусловий и геометрии эксперимента. Прогнозируемая величина /, на частотах 125 + 500 Гц почти полностью определяется взаимным расположением источника, приемника и подстилающей поверхности, а при небольших высотах источника и приемника - сравнима с фактором геометрической расходимости волны. На высоких частотах начинается увеличение факторов 1Т,

При направленном излучении или приеме звука на высоких частотах дополнительное ослабление почти полностью определяется фактором Ьт. Полученная в малоугловом приближении прогнозируемая добавка фактора Ьт достаточно хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований, зависимость которого от скорости среднего поперечного ветра близка к линейной. В условиях продольного ветра фактор ¿рв становится больше вклада фактора Ьт на высоких частотах уже при скоростях ветра более 5 м/с. Экспериментально оцененные значения этого фактора 1рв для различных значений продольного ветра оказались меньше,

чем рассчитанные согласно теоретическим представлениям. Использование эффекта рефракции звука предложено в способе измерения температуры атмосферы

Классифицированы различные модели акустического импеданса подстилающей поверхности, из которых для целей прогноза ослабления звука наиболее приемлемым считается однопараметрическая модель Делани-Безли. Параметр модели - величина а является параметром, задаваемым исходя из классификации типа подстилающей поверхности согласно табличных данных, если нет возможности его измерить прямым способом Для большинства прикладных задач подстилающая поверхность считается поверхностью упругого типа и мнимая часть ее импеданса меньше нуля, чем исключаются из рассмотрения поверхностные волны.

Произведение полученного в результате прогноза частотного спектра полного ослабления звука на частотный спектр зарегистрированного ОА-сигнала позволяет восстановить частотный спектр ОА-источника

В § 4.4 рассмотрены вопросы флуктуаций звуковых волн на приземных атмо- <

сферных трассах, что необходимо для оценок погрешностей восстановления параметров АВ, генерируемых МЛИ в атмосфере. Проведен анализ представленых экс-периметальных результатов натурных экспериментов.

В теоретическом плане вопрос о флуктуациях амплитуды и фазы звуковой волны детально разработан для случая распространения звука в свободном пространстве. Для описания флуктуации звуковой волны при ее распространении над импедансной поверхностью соответствующей теории пока нет Поэтому в работе обсуждаются рамки применимости для этой цели уже существующей теории распространения звука, исходя из сопоставления теоретических результатов и результатов экспериментов, выполненных автором.

Экспериментально обнаружено, что флуктуации уровня звука на атмосферных трассах протяженностью до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения (средний квадрат флуктуаций логарифма амплитуды ~ 0,3) быстрее, чем в свободном пространстве Для относительной спектральной плотности флуктуаций уровня звука получено, что максимум ее смещается в область высоких частот при уменьшении высоты источника и приемника над подстилающей поверхностью. Одновременно происходит уширение спектра в области низких частот, что объясняется влиянием отраженной от подстилающей поверхности волны, которая распространяется ближе к подстилающей поверхности.

Выполненные экспериментальные исследования позволили заключить, что вполне обоснованно применение для статистических характеристик флуктуации амплитуды приземной звуковой волны масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной к трассе распространения звука

Отмечается, что в диапазоне параметра рц = 0,01 - 1,6, характеризующего турбулентные условия распространения звука, флуктуации разности фаз линейно зависят от параметра рд и достигают значений, близких к двум. Временной спектр флуктуаций разности фаз не зависит от длины трассы и уровня атмосферной турбулентности при прочих условиях. Плотность вероятностей флуктуаций разностей фаз существенно отличается от нормальной.

В § 4.5 рассмотрено уширение частотного спектра OA-сигналов при распространении от источника к приемнику, обусловленное турбулентностью атмосферы. При распространении звукового сигнала в атмосфере возникают искажения его частотного спектра, проявляющиеся в виде уширения первоначального частотного спектра. Эффект вызван целым рядом факторов, таких как поперечный средний ветер (vx), ветровые и температурные вихри.

Неоднородности атмосферы, дрейфующие через звуковой пучок, вызывают фазовую модуляцию проходящего сигнала (модулирующая частота ~ (vi)/L0)- Это, в свою очередь, производит эффективную частотную модуляцию, растягивающую спектр. Размером наиболее эффективного турбулентного вихря является внешний масштаб турбулентности Z0, поскольку он производит максимальную девиацию фазы.

Эффект уширения спектра акустических сигналов можно успешно использовать для целей зондирования параметров атмосферы. Предложен способы определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере и способ оптимального выбора ширины диаграммы направленности приемной антенны в системах акустического зондирования атмосферы.

В §4.6 на основе §4.1^Ф.5 проанализированы основные амплитудно-частотные искажения OA-сигналов, распространяющихся в АПС.

Пятая глава посвящена нелинейному поглощению мощных звуковых волн в атмосфере. Включение данных исследований в материалы работы необходимо для понимания степени нелинейных искажений OA-сигналов, генерируемых ДЛИ при распространении МЛИ в атмосфере.

В § 5.1 приводятся данные о методологии натурных экспериментов по выявлению уровней нелинейного поглощения мощного звукового пучка в диапазоне /= 1 -н 3,5 кГц на трассах до 200 м, полученные с использованием акустической решетки электрической мощностью 4,5 кВт, позволяющей создавать звуковые давления на расстоянии 14 м до 135 дБ. В качестве регистрирующего оборудования использовались стандартные щумомеры.

В § 5.2 обсуждаются результаты натурных измерений, позволивших выявить уровни нелинейных искажений и измерить амплитуды гармоник сигнала (до 5) в контролируемых метеоситуациях.

В § 5.3 проведен численный анализ наблюдаемого эффекта с использованием параболического уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова [8]. Общепринятым методом исследования подобных задач является численное решение этого уравнения с заданными начальными и граничными условиями. Одним из эффективных подходов является применение преобразования Фурье, в результате которого исходное уравнение трансформируется в систему уравнений для гармоник:

^ + -Л1Рт + Мт2рт=шМ[р2] , (6)

dz т т

оо 00

где р(0,У?,г)= ^ pmexp (imQ), \_Р2~\ т=± 1... - номер гармоники;

«=-00 -00

Дх = —- + —г ; коэффициенты Ы, В, М - параметр нелинейности, дифракции и

дх ду

диссипации соответственно.

Для решения каждого из уравнений (6) использовался модифицированный метод расщепления, основанный на разделении переменных и быстром преобразовании Фурье. Использованная схема расщепления, в отличие от известной одноцик-лической схемы, имеет второй порядок точности по г (продольная координата), не приводит к существенному усложнению алгоритма вычислений, но повышает скорость сходимости метода на порядок.

К каждому из уравнений системы (6) применялась процедура расщепления, заключавшаяся в разбиении переменной г на отрезки Аг = гЛ^"1 и замене на каждом

шаге Аг уравнения (6) эквивалентной системой уравнений, для решения которой использовался модифицированный метод БПФ Модификация состоит в разделении 1

переменных в операторе Лапласа и последующем применении одномерных алгоритмов БПФ для решения расщепленных однородных уравнений. При этом фильтрующая функция становится одномерной: Н(^) = ехр(-/'ДС2Лг//и), что снижает требования к памяти ЭВМ, а также позволяет контролировать краевые эффекты в случае сильной дифракции звукового пучка.

Для расчета дифракции при больших значениях параметра х использовался метод преобразования координат: до значений 2 = 1 пучок считался коллимирован-ным, а для г > 1 расходящимся с геометрической расходимостью

Сравнение результатов расчета и эксперимента свидетельствует об их хорошем соответствии. Для достижения точности расчетов не хуже 4% было достаточно учета десяти гармоник и Аг = г/6 В § 5.4 численно моделируются с использованием разработанной автором программы «Атмосферная нелинейная акустика» различные ситуации трансформации частотного спектра и формы сигналов при их нелинейном поглощении в атмосфере. Предложенная схема численного моделирования распространения мощного звукового пучка в атмосфере уверенно согласуется с результатами экспериментальных исследований и может быть рекомендована для проведения наиболее тщательных расчетов нелинейных искажений звуковых волн в атмосфере.

В главе шесть обсуждаются оптимальные с точки зрения увеличения отношения сигнал-шум методы приема ОА-сигналов в атмосфере. Включение данных ис- « следований в материалы работы необходимо для целей определения достоверности ОА-данных в задачах атмосферной оптоакустики.

В решении практических задач атмосферной оптоакустики отношение сигнал-шум при регистрации акустических откликов согласно (1) существенно зависит от картины внешних акустических шумов, заполняющих пространство АПС и являющихся помехой, ограничивающей дальность приема ОА-сигналов и, как следствие, качество и достоверность диагностируемых ОА-методом параметров канала МЛИ. Такое влияние можно уменьшить, используя информацию о физических закономерностях распространения и распределения внешних акустических шумов в АПС.

В § 6.1 приведено описание методологии проведения экспериментальных исследований по выявлению особенностей внешних акустических шумов для двух

районов. В качестве регистрирующего оборудования использовалась стандартная шумомерная техника.

В § 6 2 описываются результаты экспериментально обнаруженного явления высотно-частотного распределения внешнего шума в АПС

Высотно-частотное распределение внешнего акустического шума в приземном слое атмосферы зависит от граничного акустического импеданса подстилающей поверхности. Предложен способ определения нейтральной частоты /„, для которой отсутствует высотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема несколько метров над подстилающей поверхностью. Величина /„ зависит в однопараметрической модели импеданса подстилающей поверхности от удельного сопротивления текучести по закону /„« 1Пст3'5 При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.

В § 6.3 построена теоретическая модель обнаруженного в экспериментах эффекта на основе фактора ¿3 и проведены численные расчеты, которые показывают на то, что высотно-частотное распределение шумов в атмосфере удовлетворяет разработанной однопараметрической модели (параметр а). Для большинства метеорологических состояний АПС высотно-частотное распределение внешних шумов зависит только от среднего значения пористости грунта подстилающей поверхности.

Седьмая глава посвящена обсуждению методологических основ ОА-диагностики канала распространения импульсного МЛП в атмосфере.

Ранее, в исследованиях других авторов, не решалась задача автоматизированной обработки акустических свойств ДЛИ в реальном времени с использованием алгоритмов, базирующихся на физических исследованиях указанных выше задач в области атмосферной акустики и атмосферной оптики. В § 7.1 приводятся примеры такой обработки с помощью разработанной автором программно-экспертной системы (ПЭС) «Атмосферная оптоакустика», а также описание алгоритма и физическое обоснование заложенных в программный комплекс моделей. ПЭС позволяет учесть влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных искажений на форму ОА-сигналов в исследованиях, проводимых в реальном времени

Обсуждаются проблемы восстановления распределения плотности лазерной энергии по сечению МЛП и геометрических характеристик ДЛИ с учетом методических, аппаратурных погрешностей, зашумленности АПС. Выявляются преимущества и недостатки бистатической и моностатической схем ОА-зондирования. В алгоритмах ПЭС использованы результаты исследований, приведенных во 2-6-й главах работы.

Местоположение отдельных ОП в области пробоя для моностатической схемы ОА-диагностики программно определяется как с/ = 20,067А" ^¡Тт , где К - поправочный коэффициент для влажного воздуха, Т - температура, К Локализация ОП при использовании системы разнесенных в пространстве акустических датчиков определяется путем вычисления перекрестных корреляционных функций по всем каналам.

Диаметр отдельного ОП определяется в ПЭС по амплитуде генерируемого им акустического импульса, поскольку программная реализация (46) значительно

проще. По измерению амплитуд генерируемых отдельными ОП акустических откликов определяются размеры всех ОП и их распределение по размерам, после чего строятся гистограммы, иллюстрирующие области нелинейных потерь МЛИ на трассе распространения.

Для эффективной работы этого алгоритма следует с возможно более высокой достоверностью восстанавливать исходные амплитуды ОА-откликов, что доступно лишь при цифровой обработке сигналов.

Акустические приемники, размещаемые вблизи поверхности земли на некоторой высоте, удалены от наклонного канала МЛИ на сотни и более метров, а регистрируемые ими ОА-сигналы искажаются из-за ослабления в атмосфере. Поэтому дистанционные ОА-измерения в атмосфере требуют восстановления исходных амплитудно-частотных характеристик ОА-сигналов для получения достоверной информации о процессе распространения МЛИ в атмосфере. ПЭС позволяет учесть влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных искажений на форму ОА-сигналов в исследованиях, проводимых в реальном времени. В основе алгоритмов программы заложены методы узкополосного спектрального анализа. Все преобразования с сигналами проводятся в спектральном диапазоне. Программа ориентирована на работу с различными типами акустических приемников, имеет встроенную амплитудную калибровку, перестраиваемые цифровые фильтры, позволяющие проводить оптимальную частотную фильтрацию ОА-сигналов на фоне атмосферных шумов и аппаратурных помех, и развитый многооконный интерфейс, включающий диалоговые пользовательские меню.

При регистрации ОА-сигналов приемником, расположенным вблизи подстилающей поверхности, возникают отраженные АВ. Путем введения исходных данных о геометрии проведения измерений имеется возможность свести до минимума влияние акустических помех в виде отраженных импульсов одновременно для четырех разнесенных в пространстве акустических датчиков.

Р, Па 120 80

40

0 -40

0.0 0.5 1.0 1 5 2.0 2.5 3.0 <,мс

Рис 3 Результат восстановления ОА-отклика отдельного ОП й= 141 м, 1 - после компенсации, 2, 3 - истинный и отраженный сигналы до компенсации

С целью последующей амплитудно-частотной компенсации и восстановления характеристик ОА-сигналов, генерируемых МЛИ, в программе рассчитываются: сферическая или цилиндрическая расходимость АВ; факторы Ьт, (только для гармонически модулированного МЛИ); 1т, ¿рв, и 1рт (только для схем зондирования аэрозольных облаков).

Рис 3 показывает, что после программной компенсации амплитуда истинного сигнала (кривая 1) стала почти в 2 раза больше (положительная фаза звукового давления), чем до компенсации (кривая 2), а сигнал помехи отражения в районе 1,5 мс (кривая 3 - до компенсации) по амплитуде уменьшился до величины менее 10% от истинного сигнала (кривая 1) и стал практически сравним с уровнем шумов

Пространственные характеристики ДЛИ определяются в ПЭС по следующему алгоритму локализация отдельных ОП в ДЛИ; распознавание импульсов, отраженных подстилающей поверхностью согласно геометрии проведения измерений; расчет коэффициента отражения для всех импульсов ОП, с учетом исходных данных о параметре а; очистка «звуковых дорожек» от импульсных помех отражения

Технические параметры регистрирующего акустического оборудования заложены в алгоритм работы ПЭС в виде амплитудно- и фазочастотных характеристик. Для измерения этих характеристик в широком (до 1 МГц) диапазоне звуковых давлений необходимы прецизионные калибраторы, которые промышленно не производятся. С этой целью был разработан и изготовлен плазменный излучатель АВ, который позволил выполнить амплитудную калибровку по звуковому давлению нестандартного широкополосного оборудования в диапазоне частот до 1 МГц и получить результаты, представленные в § 2.2 и § 7.3. Плазменный излучатель АВ имеет недостижимую для известных способов генерации ширину полосы воспроизводимых частот при незначительных нелинейных и амплитудно-частотных искажениях.

Показанное на рис. 4 распределение плотности энергии МЛИ по сечению пучка восстановлено по результатам обработки термоакустических сигналов, генерируемых каналом МЛИ и регистрируемых удаленным на расстояние 30 м приемником, с учетом цилиндрической расходимости АВ и поглощения звука' 1 ~ 4 - пуски МЛИ; 5 - гауссов пучок с энергией 800 Дж и шириной, соответствующей параметрам фокусировки МЛИ. В частности, при уменьшении энергии МЛИ (кривые 1 -г 4) диаметр пучка не изменяется, а неоднородность распределения энергии по сечению пучка уменьшается Основной максимум соответствует размерам тонкой структуры пучка, а зависимость его амплитуды от полной энергии МЛИ имеет явно нелиней* ный характер Наличие именно таких максимумов в пучке МЛИ приводит к оптическому пробою и образованию высокоионизованных каналов.

Пример результата экспериментального исследования процесса формирования 4 ДЛИ в канале МЛИ на горизонтальной трассе при высоком содержании крупной

фракции твердофазного аэрозоля в воздухе представлен на рис. 5.

Значения акустических давлений получены усреднением по 12 пускам МЛИ: Роа шю Роп тш - амплитуды звуковых давлений, генерируемых наиболее крупными и наиболее мелкими ОП соответственно (</ - расстояние от фокусирующей системы) Излучение С02-лазера фокусировалось на расстоянии 530 + 540 м, а распределение лазерной энергии по сечению пучка качественно соответствовало представ' ленному на рис. 4.

а/ал

Рис 4 Восстановленное по данным ОА-измерений распределение энергии по сечению МЛП

Область звуковых давлений, генерируемых отдельными ОП в ДЛИ, находится между кривыми, соответствующими Роп тах и Роп тш, а примеры распределения ОП по размерам Д^рс) представлены на этом же графике для двух дальностей с! с продольным разрешением 10 м (с1к: - диаметры ОП, восстановленные по измерениям величин Р, согласно (46)). Порог оптического пробоя при с1 = 440 м -20 -н 25 Дж/см2.

Рис 5 Амплитудно-пространственное распределение ОП в ДЛИ

Устойчивые продольные флуктуации величин Роп тах и Роп тт с пространственным масштабом ~ 30 м свидетельствуют о продольных флуктуациях максимальной Ел в пучке МЛИ и характеризуют продольную изменчивость распределения Е„ по сечению пучка МЛИ для конкретного оптико-метеорологического состояния атмосферы с учетом характеристик источника МЛИ. Получение данных о продольной изменчивости плотности энергии в МЛП при формировании ДЛИ на таких пространственных масштабах возможно только с помощью ОА-диагностики.

Для компенсации нелинейного поглощения ОА-сигналов в атмосфере по исходным метеоданным в ПЭС предусмотрен отдельный модуль обработки Однако из-за сложности алгоритма, приводящей к медленному расчету (не в реальном времени), модуль используется для обработки ОА-сигналов от одиночных ОП. Алгоритм компенсации нелинейного поглощения ОА-сигналов целесообразно использовать при величине параметра Л'> 1. Расчеты показывают, что для ОП с с10п « 3 см уменьшение амплитуды акустического отклика за счет нелинейного поглощения меньше нескольких процентов.

В § 7.2 на основе комплексных исследований, включая разработанный акустический метод пассивной дистанционной идентификации физических процессов, инициируемых МЛИ при взаимодействии с частицами поглощающего аэрозоля, выявлены закономерности изменения коэффициента ослабления излучения С02-лазера, зависящие от микрофизических параметров атмосферного аэрозоля и энергетических параметров МЛП. Анализ этих закономерностей позволил предложить модель инженерной оценки пропускания МЛИ для конкретной оптико-метеорологической ситуации в атмосфере Основой методологии разработки модели являлась уверенность в адекватности физических процессов взаимодействия МЛИ с аэрозолем в лабораторных и натурных условиях, установленная с помощью дистанционных акустических измерений. Апробация модели на приземной трассе в реальной атмосфере проведена для оптико-метеорологических ситуаций, обеспечивающих исходную оптическую толщу вплоть до равной 5.

Ошибка в определении коэффициента передачи МЛИ приземной горизонтальной трассой не превышает 25% и уменьшается с увеличением времени существования метеообразований Показано, что существуют критические плотности энергии, превышение которых ведет к существенному нелинейному ослаблению МЛИ. Величина критической плотности энергии возрастает с увеличением оптической толщи трассы распространения. Максимальные значения критической плотности энергии наблюдаются для туманов, минимальные - для слабых дождей и дымок.

Включение материалов § 7.3 в диссертационную работу демонстрирует эффективность ОА-метода в комплексных исследованиях распространения фемтосе-кундного лазерного излучения в атмосфере.

Целью исследований являлись изучение нелинейно-оптических эффектов, возникающих при распространении в модельном аэрозоле и воздухе лазерных импульсов с интенсивностью, достижимой при сверхкоротких длительностях импульса, а также исследование распространения фемтосекундных лазерных импульсов при реализации филаментации.

Интерес к данной проблеме вызван, в частности, новой технологией мониторинга, применяющей метод абсорбционной спектроскопии с источниками излучения - супсрконтинуумом, генерируемым в заданной области атмосферы с помощью

фемтосекундных лазерных импульсов высокой мощности, что обеспечивает многокомпонентный анализ газового состава атмосферы с высоким пространственным разрешением.

Источник лазерных импульсов - :8а-лазер генерировал импульсы с X = 0,8 мкм и тл, равным 80 фс или 9 не, при энергии в импульсе до 17 мДж. Распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссову, ширина пучка на уровне 0,135/шах - 8 мм. Модельная аэрозольная среда протяженностью 1 см состояла из частиц чистой воды (а0 = 2,5 мкм, Ы„ < 107 см-5) с добавлением наноча-стиц серебра. Акустическая часть установки включала два канала регистрации, калиброванных по звуковому давлению, с линейным частотным диапазоном 2 -г 100 кГц, расширенным до 1 МГц по методике, описанной в § 7.1. Для получения филамента использовалось фокусирующее зеркало с F = 120 или 85,6 см. Пропускание аэрозольного слоя измерялось на двух длинах волн: воздействующего и зондирующего маломощного непрерывного излучения Не-Ые-лазера с X = 0,63 мкм Контроль изменения энергии фемтосекундного импульса (~ 30%) осуществлялся по опорному сигналу, по измерениям дополнительного фотодиода и косвенным контролем по одному из микрофонов.

Измерения акустического отклика распространения филамента, сформированного при фокусировке лазерного излучения, указывают на то, что филамент существует, как саморегулирующаяся структура, лишь вблизи фокуса Расходящийся пучок не подпитывает филамент энергией, достаточной для баланса двух эффектов - нелинейности Керра для его фокусировки и образования плазмы для фокусировки В эксперименте наблюдался распад филамента, на что указывает и сравнение потерь энергии излучения при различных фокусировках.

Переход от фемтосекундого импульса к наносекундному, при сохранении энергетики импульса, сопровождается уменьшением амплитуды акустического отклика на два порядка, что указывает на дополнительные энергетические потери лазерной энергии фемтосекундной длительности при ее распространении через аэрозольную среду.

Полученная в экспериментах зависимость Р(Г) ~ /2'756 генерации акустического давления при распространении фемтосекундного лазерного излучения в воздухе кардинально отличается от аналогичной зависимости Р(Г) ~ / при распространении лазерного излучения микро- и наносекундной длительности и иллюстрирует нетривиальные изменения поглощательной способности воздуха.

Результаты проведенных экспериментальных исследований пока не нашли своего строгого теоретического обоснования, а обнаруженные новые физические эффекты нуждаются в дальнейшем экспериментальном исследовании.

В заключении сформулированы наиболее важные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

Приложение содержит акты использования и внедрения результатов работы на предприяниях и в организациях Российской Федерации.

Основные результаты, полученные в работе

1. ОА-исследованиями обнаружено уменьшение акустического энерговклада при светоиндуцированной взрывной фрагментации водных аэрозолей и установлены пороги взрывного вскипания и разрушения водных капель аэрозоля, хорошо

согласующиеся с соответствующими оптическими исследованиями. Определена зависимость амплитуды генерируемого ОА-импульса от плотности энергии воздействующего излучения С02-лазера при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей, что позволило предложить ОА-способ измерения концентрации частиц водных аэрозолей в атмосфере.

2. Акустические параметры ДЛИ, возникающей в атмосфере при распространении мощного излучения С02-лазера микросекундной длительности и состоящей из отдельных ОП, определяются концентрацией аэрозольных твердофазных частиц с размерами выше критического и акустическими характеристиками ОП, зависящими от их размеров.

3. Выявлены и исследованы особенности наиболее значимых факторов искажения амплитудно-частотных характеристик тональных и импульсных звуковых сигналов в атмосфере на приземных трассах протяженностью до 1 км, что позволило предложить методику прогноза полного ослабления ОА-сигналов для исследования процессов, сопровождающих распространение МЛП в атмосфере, а также ряд способов акустического зондирования атмосферы, имеющих прикладное значение.

4. Обнаружен и исследован эффект высотно-частотного распределения акустического шума в атмосфере, который обусловлен влиянием граничных импе-дансных свойств подстилающей поверхности и существенно влияет на эффективность систем акустического и ОА-зондирования.

5. Статистические характеристики флуктуации уровня звука на атмосферных трассах до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности существенно отличаются от соответствующих характеристик при распространении звука в свободном пространстве, однако применение для статистических характеристик масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной к трассе распространения звука, вполне обоснованно.

6. Исследованы нелинейные искажения мощных звуковых волн на коротких атмосферных трассах, что позволило обосновать использование методики прогноза нелинейного поглощения звука на основе численного решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова.

7. ПЭС «Атмосферная оптоакустика», методики и сопутствующее им математическое обеспечение, разработанные в процессе выполнения исследований, образуют в совокупности метод исследования распространения МЛП в атмосфере и аэрозольных компонент атмосферы, который можно использовать для исследований трансформации характеристик аэрозольных ансамблей различного происхождения под воздействием МЛИ, в том числе фемтосекундной длительности.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Муравский В.П. Экспериментальное исследование ослабления приземной звуковой волны // Акустический журнал. 1984. Т. 30. Вып. 2. С. 171-176.

2. А. с № 1083143 МКИ- G 01 W 1/00 Способ определения температуры атмосферы / Богушевич А.Я , Бочкарев Н Н, Красненко Н П Опубл. в БИ 1984. № 12

3. А с. № 1101017 МКИ: G 01 W 1/00 Способ измерения скорости ветра / Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Опубл. в БИ. 1984 № 24.

4. А. с. № 1105847. МКИ' G 01 W 1/00. Способ акустического зондирования атмосферы / Бочкарев H.H., Красненко 1

Ш

вмммтасА , „

Минин 1

w Ж и»

5. Л с. № 1135318. МКИ: G Ol W 1/00. Способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере / Бочкарев H H., Красненко Н.П Опубл. в БИ. 1985. № 2.

6. А. с. № 1289236. МКИ: G 01 W 1/00. Способ определения параметров атмосферы / Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Опубл. в БИ. 1987. № 5.

7. Бочкарев H.H., Земляное А А., Красненко Н.П., Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Акустический отклик аэрозольной среды при импульсном оптическом воздействии // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. Вып. 1. С. 25-29.

8. Бочкарев H.H., Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Кабанов A.M., Красненко Н.П. Режимы генерации звука жидкокапельным аэрозолем различного типа под действием лазерного излучения // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 10. С. 111-112.

9. Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Нетреба П.И., Тоболкин A.C. Плазменный излучатель звука в задачах атмосферной акустики // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере: Сб. статей. Томск: Изд-во Том. филиала СО АН СССР, 1988. С. 93-96

10. Бочкарев Н.Н, Клочков В.А., Красненко II П., Фомичев А А. Мощная акустическая решетка для атмосферных исследований // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере: Сб статей Томск: Изд-во Том филиала СО АН СССР, 1988. С. 101-104.

11. Bochkarev N.N., Zuev V.V., Krasnenko N.P. Optical sound generation in the atmosphere // Proc of the 5th Inter Sch on Quant. Electr. «Lasers-Physics and Applications». Bulgaria. Sunny Beach: World Scientific (editor: A.V. Spasov). 1988. P. 818-821.

12. Бочкарев H H Исследование кинетики очагов оптического пробоя атмосферы по акустическому отклику // Актуальные вопросы теплофизики и физической газодинамики. Новосибирск: Изд-во ИТФ СО АН СССР, 1988. С. 118-123.

13. А. с. № 1494744. МКИ: G 01 W 1/00. Способ приема акустических сигналов в атмосфере / Бочкарев H.H., Красненко Н.П. Опубл. в БИ. 1989.

14 Бочкарев H.H., Красненко Н.П., Сорокин Ю.М. Оптоакустические эффекты в аэрозолях // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6 С. 563-578.

15. Бочкарев H.H., Коняев П.А. Численное решение нелинейного уравнения звукового пучка в атмосфере // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6. С. 668-670.

16. А. с. № 1672811. МКИ: G 01 N 15/02. Способ измерения объемной концентрации аэрозольных частиц / Зсмлянов A.A., ГейнцЮЭ, Кабанов A.M., Бочкарев H.H., Красненко H П., Погодаев В А , Рождсственкий А Е. Опубл в БИ. 1991 № 31.

17. Бочкарев I1.H, Кабанов A.M., Погодаев В А. Временные характеристики акустического сигнала, генерируемого малым объемом жидкости в мощном свстовом поле //Оптика атмосферы и океана 1994 Т 7. № 9 С. 1233-1235

18 Бочкарев H.H. Оптимизация мощных рупорных излучателей звука // Оптика атмосферы и океана. 1996 Т. 9. № 8. С. 1137-1140.

19 Бочкарев H H. Распространение мощного звукового пучка на короткой трассе в атмосфере- численное решение, эксперимент//Акустический журнал. 1996. Т. 42 №5. С. 706-707.

20. Бочкарев H.H., Гейнц Ю.Э , Земляное А.А , Кабанов A.M., Погодаев В.А. Оперативная оценка ослабления мощного излучения импульсного СОг-лазера на приземных атмосферных трассах // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 7. С. 700-707.

21. Бочкарев H.H., Кабанов А.М , Погодаев В.А. Исследование динамики объема аэрозольных частиц, облучаемых лазерным импульсом, по временным характеристикам акустического отклика // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 5. С. 487-491.

22. Zemlianov A.A., Bochkarev N.N., KabanovA.M., PogodaevV.A. Generation of acoustic pulses on the natural centers of absoQliflp with propagation C02-laser radiation on

I OHfOKfUm I 34 ; ] î i*, m м» W——--—-

atmospheric paths // Proc. SPIE (edited by G.G. Matvienko and G.M. Krekov). 2000. V. 4341. P. 202-209.

23. Бочкарев H.H., Земляное A.A., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Акустическая диагностика очагов пробоя в атмосфере //Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 12. С. 1141-1144.

24. Zemlianov A.A., Bochkarev N.N., KabanovA.M., PogodaevV.A. Acoustic Re-sponce of Nonlinear-Optical Effect of Interaction of High Power Laser Radiation with Aerosol Paticles // Proc. Inter. Conf. on «Lasers-2000» (edited by V.J. Corcoran and T.A. Corcoran). STS Press, 2001. P. 68-74.

25. Zemlianov A.A., Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Laser spark in the problem of outflow of lightning discharges // Proc. SPIE (edited by G.G. Matvienko and V.P. Lukin). 2002. V. 4678. P. 190-194.

26. Бочкарев H.H., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Оптоакустика канала распространения мощного лазерного излучения в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. №9. С. 816-821.

27. Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Acoustic method in the forecast of efficiency of transportation of powerful laser radiation in an atmosphere // Proc. SPIE (edited by G.G. Matvienko and G.M. Krekov). 2003. V. 5396. P. 183-190.

28. Бочкарев H.H., Землянов A.A., Земляное Ал.А., Кабанов А.М, Карташов Д.В., Кирсанов A.B., Матвиенко Г.Г., Степанов А.Н. Экспериментальное исследование взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолем // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. № 12. С. 971-975.

29. Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Atmospheric optoacoustics of power parameters of a high-power laser beam // Proc. SPIE (edited by G.G. Matvienko and G.M. Krekov). 2004. V. 5743. P. 187-193.

30. Bochkarev N.N., Zemlyanov A.A., Zemlyanov Al.A., Kabanov A.M., Kar-tashov D.V., Kirsanov A.V., Matvienko G.G., Stepanov A.N. Experimental investigation into interaction of femtosecond laser pulses with aerosol // Proc. SPIE (edited by G.G. Matvienko and G.M. Krekov). 2004. V. 5743. P. 199-204.

Список цитируемой литературы

1. Гейнц Ю Э., Землянов А.А , Зуев В.Е., Кабанов В.А., Погодаев В.А. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 256 с.

2. Зуев В.Е., Землянов A.A., Копытин Ю.Д., Кузиковский A.B. Мощное лазерное излучение в атмосферном аэрозоле. Новосибирск: Наука, 1984. 223 с.

3. Гусев В.Э., Карабутов A.A. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.

4. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1986. 166 с.

5 Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.

6. Осташев В.Е. Распространение звука в движущихся средах. М : Наука, 1992. 206 с.

7. Наугольных К.А , Островский Л.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. М.: Наука, 1990. 235 с.

8. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболотская Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. М.: Наука, 1982. 174 с.

9. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. М.: Наука, 1984. 320 с.

р- 8 4 5 0

РНБ Русский фонд

2006-4 5231

П.

)

/

Печ. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ № 37.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В АТМОСФЕРЕ

§ 1.1. Генерация акустических волн при нелинейно-оптических взаимодействиях в аэрозолях атмосферы

§ 1.2. Термоогггаческая генерация акустических волн в атмосфере

§ 1.3. Особенности оптической генерации акустических волн аэрозолями

§ 1.4. Лазерная атмосферная оптико-акустическая диагностика

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПРОБОЙНЫХ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИХ

ЭФФЕКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С АЭРОЗОЛЬНЫМИ СРЕДАМИ

§ 2.1. Лазерная допробойная оптоакустика атмосферы

2.1.1. Методология натурных экспериментов

2.1.2. Результаты натурных экспериментов

§ 2.2. Лазерная допробойная оптоакустика модельных аэрозольных сред

2.2.1. Особенности методологии лабораторных экспериментов

2.2.2. Результаты лабораторных экспериментов

2.2.3. Полуэмпирическая модель генерации оптико-акустических сигналов аэрозольным объемом

ГЛАВА 3. АКУСТИКА ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ В АТМОСФЕРЕ

§3.1. Акустика очага оптического пробоя в атмосфере

§ 3.2. Акустика длинной лазерной искры в атмосфере

ГЛАВА 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

§ 4.1. Особенности приземного распространения звука

§ 4.2. Методология натурных экспериментов исследования приземного распространения звука

§ 4.3. Основные факторы ослабления звука на приземных трассах

4.3.1. Приземный фактор изменения уровня звука

4.3.2. Турбулентное ослабление звука

4.3.3. Рефракционные факторы изменения уровня звука

§ 4.4. Флуктуации приземных звуковых волн

§ 4.5. Уширение частотного спектра звуковых импульсов в атмосфере

§ 4.6. Амплитудно-частотные искажения оптико-акустических сигналов в приземном слое атмосферы

ГЛАВА 5. НЕЛИНЕЙНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ

§ 5.1. Методология натурных экспериментов с мощными звуковыми пучками

§ 5.2. Амплитудно-частотные искажения мощных звуковых волн в атмосфере

§ 5.3. Модификация уравнения Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова

§ 5.4. Алгоритм численного моделирования распространения мощных звуковых волн на коротких трассах в атмосфере

ГЛАВА 6. ВЫСОТНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВНЕШНИХ АКУСТИЧЕСКИХ

ШУМОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

§ 6.1. Методология натурных экспериментов исследования внешних акустических шумов в атмосфере

§ 6.2. Результаты измерений внешнего акустического шума в атмосфере

§ 6.3. Модель высотно-частотного распределения внешнего акустического шума в приземном слое атмосферы

§ 6.4. Выбор оптимальных высот приема акустических сигналов в прикладных задачах атмосферной акустики и оптоакустики

ГЛАВА 7. МЕТОДОЛОГИЯ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

§7.1. Программно-экспертная система «Атмосферная оптоакустика»

§ 7.2. Модель оперативной оценки ослабления мощного лазерного излучения в жидкокапельных атмосферных образованиях

§ 7.3. Оптокустика фемтосекундного лазерного излучения

Состояние научной проблемы и актуальность темы

Исследование распространения мощного лазерного излучения (МЛИ) в светорассеи-вающих средах и, в частности, аэрозолях атмосферы является фундаментальной научной проблемой [1,2].

Для решения связанных с этой проблемой задач перспективным считается использование оптико-акустического (OA) эффекта - возбуждение акустических волн (АВ) в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности лазерного излучения [3]. При этом формирование и распространение OA-сигналов в атмосферном пограничном слое (АПС) определяются как характеристиками поглощенного излучения, так и оптическими, теплофизическими и акустическими свойствами атмосферы.

При поглощении в среде лазерного импульса с длительностью, много меньшей времени пробега АВ по области тепловыделения, профиль давления OA-сигнала повторяет пространственное распределение тепловых источников в среде [3, 4]. В случае однородно поглощающей и рассеивающей среды в приближении плоской световой волны это распределение совпадает с пространственным распределением интенсивности света в среде. Таким образом, применение OA-эффекта в задачах измерения оптических свойств сред представляется весьма целесообразным.

Начало оптоакустики связано с открытием OA-эффекта [Bell A.G., 1881 г.] - генерации АВ в замкнутом объеме газа при прохождении через него модулированного света. Исследования OA-эффекта послужили основой развития оптоакустики и ОА-спектроскопии газов и конденсированных сред, о чем свидетельствуют обширные исследования [2-7, 11, 13,20-22].

Оптоакустика до 80-х годов прошлого столетия в нашей стране развивалась в основном в теоретических и экспериментальных исследованиях конденсированных сред. Было показано, если пучок проникающего излучения, интенсивность которого модулирована по амплитуде, падает на свободную поверхность жидкости, то у поверхности возникает термоакустический источник АВ вследствие нагревания и теплового расширения области жидкости, где поглощается проникающее излучение. Теоретически и экспериментально установлено, что амплитуда АВ, излучаемых этим источником, растет прямо пропорционально мощности проникающего излучения в пучке.

Форма акустического сигнала (огибающая акустического импульса) оказывается универсальной и определяется отношением времени пробега АВ по области тепловыделения к длительности лазерного импульса [5], а передаточная функция термоакустического преобразователя зависит от коэффициента поглощения света, теплофизических параметров поглощающей среды и является Фурье-образом пространственного распределения источников тепла. Таким образом, возможно применение OA-эффекта для измерения пространственного распределения интенсивности света и оптических характеристик поглощающих сред по временной форме ОА-импульса.

Реальная атмосфера, так же как и жидкости [6], всегда содержит различные микронеоднородности: частицы пыли, загрязнений и т. д. Эти микронеоднородности приводят к появлению «дополнительного» OA-сигнала, который оказывается помехой, когда предметом исследования является непосредственно атмосферный газ. Этот дополнительный сигнал может иметь информативность на предмет диагностики атмосферы в части ее загрязнения. Амплитуда дополнительного сигнала зависит от плотности выделившейся в атмосфере энергии лазерного излучения. При достаточно высоких плотностях энергии возможны в окрестностях частиц типично нелинейные механизмы возбуждения АВ, связанные с фазовыми переходами в среде.

Дополнительная генерация АВ может происходить вследствие теплового расширения среды, прилегающей к разогретой частице («тепловой поршень»). Возможны и такие условия, когда дополнительная генерация АВ связана с расширением самой частицы («механический поршень»). Амплитуда дополнительного сигнала, согласно данным [6], растет прямо пропорционально мощности воздействующего излучения для длинных лазерных импульсов и пропорционально энергии - для коротких лазерных импульсов.

В более общей постановке задачи в исследованиях по оптоакустике используются достижения нового научного направления - радиационная акустика [5], развивающегося на стыке акустики, ядерной физики и физики высоких энергий и элементарных частиц. Её основу составляют исследования и применения радиационно-акустических эффектов, возникающих при действии проникающего излучения на вещество.

Спецификой распространения МЛИ в реальной атмосфере является многокомпо-нентность и многообразие протекающих физических процессов, их взаимное влияние и зависимость от оптико-метеорологической ситуации. Наиболее существенное влияние на характеристики МЛИ оказывают явления нелинейного взаимодействия, обусловленные процессами диссипации, испарения, фрагментации и ионизации газовой и аэрозольной компонент атмосферы, приводящие к наведенным изменениям показателя преломления среды в мощном лазерном пучке (МЛП) [19]. В связи с этим, механизмы ОА-генерации АВ в атмосфере многочисленны и по своей эффективности неравнозначны [20-22].

Выделение теплоты — одно из наиболее универсальных физических явлений, протекающих при поглощении оптического излучения. Тепловая энергия может различными путями частично преобразовываться в энергию АВ. При умеренных плотностях выделившейся энергии, когда не происходит фазовых превращений в веществе, генерация АВ происходит вследствие нагревания и теплового расширения среды в области поглощения воздействующего излучения. Это термоупругий механизм генерации АВ. Акустические поля тогда удается описать в рамках линейной теории.

Значительно сложнее выглядит картина генерации АВ при больших плотностях вводимой в среду энергии проникающего излучения. Возникающие в этом случае закономерности носят нелинейный характер. Существенными оказываются эффекты, обусловленные возрастанием скорости расширения нагреваемого объема среды (гидродинамическая нелинейность), а также изменением термодинамических характеристик вещества в процессе действия проникающего излучения (тепловая нелинейность). При дальнейшем росте плотности выделившейся тепловой энергии развиваются более сложные процессы генерации АВ, связанные с фазовыми переходами, например в условиях так называемого пузырькового механизма генерации АВ и образования ударных волн в жидкости.

Одним из проявлений нелинейных эффектов в атмосфере, так же как и в жидкостях [7], является оптический пробой, важная черта которого - пороговый характер. Частица, поглощающая лазерное излучение, разогревается до температуры, соответствующей области температур первой ионизации атомов и образованию плотной плазмы. В плазме происходит сильное поглощение лазерного излучения. Это приводит к дальнейшему сильному разогреву плазмы и образованию плазменной полости, которая расширяясь создает в воздухе ударную волну.

Развитие атмосферной оптоакустики, как научного направления, стало возможным благодаря научным работам специалистов нашей страны в области оптоакустики: Лямшев Л.М., Егерев С.В., Лямшев М.Л., Наугольных К.А., Карабутов А.А., Пеливанов И.М., Гусев В.Э., Жаров В.П., Летохов B.C., Аливердиев А.А., Джиджоев М.С. и др.

В начале 80-х годов прошлого столетия в связи с созданием и практическим использованием лазерных источников с рекордными параметрами излучения была поставлена задача изучения возможности использования OA-эффекта совместно с атмосфернооптическими экспериментальными исследованиями для целей решения научных и технических программ, связанных с распространением МЛП на протяженных атмосферных трассах, построением моделей распространения МЛИ в АПС с подтверждением их лабораторными измерениями. Использование OA-эффекта в решении указанной задачи имеет две стороны: оптическую и акустическую.

Актуальность исследований первой из них связана с появлением автономных источников МЛП разнообразного применения [14] и определяется практической потребностью в прогнозе эффективности их работы в атмосфере во всепогодных условиях, в том числе для решения задач проводки молниевого разряда по заданной траектории [15, 16], и в связи с этим, необходимостью разработки дистанционных методов определения параметров МЛП и методов дистанционного определения параметров атмосферного аэрозоля в канале МЛП.

С другой стороны, дистанционные исследований с использованием ОА-эффекта предполагают вовлечение в круг решаемых задач явлений, связанных с трансформацией возникающих в МЛП OA-сигналов, распространяющихся в АПС до приемников АВ.

Вторая сторона - исследование распространения АВ в АПС, имеет более давнюю историю. Двухтомник «Теория звука» - первая значительная работа по акустике была опубликована Лордом Релеем еще в 1877 г. Интерес к распространению АВ в АПС резко стимулировался в начале 70-х годов прошлого столетия развитием методов акустического [8] и радиоакустического [264] зондирования атмосферы, а также необходимостью решения нарастающих проблем техногенного общества, связанных с шумовым загрязнением АПС и его пагубным влиянием на здоровье человека. Современные радиофизические методы, основанные на взаимодействии АВ со средой распространения, играют важную роль в дистанционных исследованиях АПС, чем и обусловлена актуальность решения второй части поставленной задачи.

Таким образом, настоящая работа затрагивает актуальные проблемы оптики атмосферы, относится к области экспериментальной радиофизики, а именно, это атмосферная оптоакустика - одно из развивающихся в последние годы направлений оптоакустики. Среди различных методов исследования процессов, связанных с взаимодействием МЛИ с веществом атмосферы, атмосферная оптоакустика занимает достаточно крепкие позиции. Прежде всего, это связано с дополнительным независимым источником исследовательской информации, получаемой в изучении акустических последствий взаимодействия лазерного излучения с веществом атмосферы.

Приоритет в экспериментальных исследованиях атмосферных OA-явлений во многом принадлежит работам сотрудников ИОА СО РАН, что стало возможным благодаря интенсивному развитию государственных научно-технических программ, выполняемых ИОА СО РАН под руководством академика Зуева В.Е.

Генерация акустических импульсов при взаимодействии МЛИ с твердофазным аэрозолем атмосферы впервые зарегистрирована специалистами ИОА СО РАН: Копытин Ю.Д., Шаманаева Л.Г., Муравский В.П., Красненко Н.П. (1980 г.) [97].

Весомый вклад в теоретических и экспериментальных исследованиях по атмосферной оптоакустике в нашей стране сделан следующими коллективами ученых: Сорокин Ю.М. с сотрудниками - Горьковский государственный университет им Н.И. Лобачевского; Воробьев В.В. с сотрудниками - Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН; Белов Н.Н. с сотрудниками - Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова; Красненко Н.П. и Землянов А.А с сотрудниками - Институт оптики атмосферы СО РАН.

Однако аспекты, связанные с процессом распространения OA-сигналов от места их генерации в МЛП до приемника АВ, рассмотрены не были. О степени воздействия АПС на распространение АВ свидетельствует следующее. Взаимодействие электромагнитных и

АВ с АПС можно оценить величиной показателя преломления среды, т. е. отношением фазовой скорости волн в среде к фазовой скорости при стандартных условиях [8]. Результаты сравнения для АВ с длиной волны ~ 1,3 см и оптических волн с длиной волны ~0,2 -ь 20 мкм показывают, что показатель преломления АВ чувствительнее показателя преломления оптических волн: в 1700 раз при изменении температуры на 1 °К, в 3500 раз при изменении влажности на 1 мб и в 1,5 млрд. раз при изменении скорости ветра на 1 м/с.

Всесторонние теоретические и экспериментальные исследования распространения звуковых волн в турбулентной [10] движущейся [9] атмосфере в рамках линейной акустики и теоретическое описание нелинейных волновых процессов [12, 13] в сплошных средах обозначили класс нерешенных и представляющих интерес для атмосферной оптоакустики задач. Прежде всего это влияние подстилающей поверхности на распространение АВ в АПС: факторы дополнительного приземного и особенности турбулентного ослабления АВ, искажение звуковых полей, флуктуации АВ и формирование распределения внешних акустических шумов вблизи подстилающей поверхности, а также особенности нелинейных эффектов при распространении АВ в АПС.

Научное направление - изучение распространения звука в АПС, после Второй мировой войны было закрыто в нашей стране, как неперспективное. Не проводились систематические научные исследования, не защищались диссертации. Из известных экспериментальных и теоретических работ по распространению звука умененной мощности можно выделить исследования, проведенные сотрудниками Института физики атмосферы РАН (Голицын Г. С., Гурвич А. С., Татарский В. И., Красильников В. А., Калистратова М. А.), в которых определялись флуктуационные характеристики АВ, распространяющихся в атмосфере без учета влияния подстилающей поверхности, в основном, с целью сопоставления с теоретическими выводами о турбулентных характеристиках АПС.

Развитие исследований по атмосферной акустике в нашей стране возобновилось в конце 70-х годов прошлого столетия, когда были востребованы и проводились в нескольких организациях по заданию государственных органов научно-технические программы по этому направлению.

Значительный вклад в развитие атмосферной акустики в этот период принадлежит научным работам ученых: Осташев В.Е., Куличков С.Н., Чунчузов И.П. с сотрудниками -Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН; Красненко Н.П., Богушевич А.Я., Одинцов C.JI. с сотрудниками - Институт оптики атмосферы СО РАН; Руденко О.В. с сотрудниками - Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Гурбатов С.Н. с сотрудниками - Горьковский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Чернов Л.А. с сотрудниками - Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН.

Возвращаясь к изложению вопросов, связанных с постановкой задачи, необходимо обозначить круг дополнительных вопросов, без рассмотрения которых изложение настоящего исследования будет неполным.

При решении задач атмосферной оптоакустики обычно справедливо следующее допущение. Вследствие действия силы тяжести в атмосфере средние значения ее параметров изменяются в вертикальном направлении на несколько порядков быстрее, чем в горизонтальном. Поэтому на не очень больших горизонтальных расстояниях АПС рассматривают как стратифицированную движущуюся среду, средние значения параметров которой зависят только от высоты. В АПС к параметрам среды, стратификация которых реально значима при распространении АВ, относятся только температура воздуха, скорость и направление ветра [8-10].

Преодолевая расстояние от излучателя до приемника, широкополосный акустический сигнал искажается, причем низкие частоты больше подвержены дифракции, а высокие - затуханию. Поэтому влияние диссипативных и дифракционных искажений на форму OA-сигнала рассматривается в случае сильно различающихся масштабов их проявления. Например, в задачах неразрушающей диагностики конденсированных сред обычно наблюдаются акустические импульсы небольших амплитуд, поэтому влиянием нелинейных искажений на форму OA-сигнала пренебрегается [11].

Рассматривая задачу дистанционной OA-диагностики МЛП в атмосфере, явлениями линейной и нелинейной трансформации OA-сигналов пренебрегать не следует [12, 13].

Практические направления исследований атмосферной оптоакустики имеют свою специфику. Например, для решения задачи проводки молниевого разряда по заданной траектории необходимы работающий в реальном масштабе времени способ диагностики оптического состояния АПС и методика прогнозирования эффективности использования тех или иных геометрических и энергетических параметров МЛП в конкретных оптико-метеорологических состояниях АПС. В качестве диагностического инструмента канала ионизации типа длинной лазерной искры (ДЛИ) можно использовать акустический метод [16], суть которого заключается в том, что об эффективности образования канала судят по принимаемому акустическому сигналу, генерируемому очагами пробоя (ОП), возникающими при взаимодействии импульса излучения СОг-лазера с твердыми частицами аэрозоля. Эффективность образования высокоионизованного канала состоит в создании высокой концентрации ОП, равномерного распределения их по длине канала МЛИ.

Существует еще один аспект использования результатов решения обсуждаемой проблемы - медицинский. В [17] показана возможность использования интенсивного лазерного излучения для удаления нежелательных образований из кровеносных сосудов за счет их фотохимического разложения. Вместе с тем, было обнаружено, что при энергетике излучения, необходимой для разрыва химических связей в удаляемом объекте, не удается избежать разрушения прилегающих здоровых тканей, непосредственно облучению не подвергающихся. Какой из механизмов разрушения тканей реализуется на практике и вносит нежелательные побочные действия лазерного излучения следует определить на основе отработанной системы диагностики идентификации тепловых процессов, происходящих в поглощающих тканях. Для этой цели возможно использование акустического метода, позволяющего по измерениям характеристик акустического импульса идентифицировать тепловое расширение вещества тканей и реализацию фазовых переходов в регулярном и взрывном режиме [18].

Цель исследования. Изучение физических основ генерации, распространения и оптимального приема акустических волн при воздействии мощного лазерного излучения на вещество атмосферы.

Задачи исследования

1. Определение границ применимости известных и разработка физических основ новых OA-методов исследования распространения МЛП в АПС.

2. Постановка натурных и лабораторных экспериментов для исследования процесса импульсного лазерного возбуждения АВ в атмосфере и модельных аэродисперсных средах и на этой основе - разработка и апробация методов дистанционного измерения параметров МЛП и микрофизических характеристик аэрозольных компонент атмосферы.

В части исследования влияния АПС на параметры OA-откликов, регистрируемых удаленным OA-приемником, предусматривается следующее.

3. Определение частотного диапазона OA-сигналов и его зависимости от параметров МЛП и параметров атмосферы как аэрозольной среды.

Для определенного по п. 3 частотного диапазона:

4. Создание методики экспериментальной селекции и исследования наиболее значимых факторов изменения среднего уровня звука, распространяющегося на приземных трассах до 1 км, а также исследование особенностей статистических свойств флуктуаций приземных звуковых волн.

5. Разработка алгоритма прогноза нелинейных искажений звуковых волн в АПС на основе результатов соответствующих экспериментов.

6. Исследование влияния внешнего акустического шума на отношение сигнал-шум при регистрации OA-сигналов наземным приемником.

Методы исследования

В работе использованы положения теории термооптической генерации ОА-сигналов в газах, оптической генерации АВ водными аэрозолями, линейного и нелинейного ослабления звука в атмосфере, включая численное моделирование конкретных задач ОА-генерации и распространения АВ. Экспериментальные методы включали измерение амплитудных и пространственно-временных характеристик импульсных OA-сигналов и тональных звуковых сигналов, а также опирались на методы математической статистики при обработке результатов измерений.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей под воздействием излучения СОг-лазера микросекундной длительности, пропорциональна водности аэрозоля для однородно поглощающих частиц и зависит от плотности лазерной энергии по степенному закону с показателем степени: 2 - при поверхностном испарении; 0,5 + 0,8 -при взрывном вскипании и разрушении.

2. Акустические параметры длинной лазерной искры, возникающей в атмосфере при распространении мощного излучения СОг-лазера микросекундной длительности и состоящей из отдельных очагов пробоя, определяются концентрацией аэрозольных твердофазных частиц размерами выше критического, зависящего по обратностепенному закону от плотности лазерной энергии. Длительность и амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого очагом пробоя размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, линейно пропорциональны размеру видимого ореола очага пробоя.

3. Флуктуации амплитуды звуковых волн на атмосферных трассах протяженностью до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения с увеличением длины трассы, частоты звука и интенсивности турбулентности атмосферы быстрее, чем в свободном пространстве. Статистические характеристики флуктуаций амплитуды звуковых волн на приземных трассах до 1 км при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности имеют масштаб подобия, зависящий от эффективной скорости ветра, поперечной трассе распространения звука, для любых метеорологических состояний пограничного слоя атмосферы.

4. Использование параболического уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецо-ва позволяет прогнозировать нелинейные искажения звуковых волн, распространяющихся в свободной атмосфере на дальности порядка 100 м, с точностью не хуже ± 1 дБ.

5. Высотно-частотное распределение внешнего акустического шума в приземном слое атмосферы зависит от граничного акустического импеданса подстилающей поверхности. Нейтральная частота, для которой отсутствует высотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью, зависит в однопараметрической модели импеданса подстилающей поверхности от удельного сопротивления текучести по степенному закону с показателем степени 3/5. При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.

6. Прогноз амплитудно-частотных искажений звуковых сигналов при оптико-акустической диагностике распространения мощных лазерных пучков в приземном слое атмосферы позволяет более чем в 2 раза увеличить точность восстановления пространственных характеристик длинной лазерной искры на трассах протяженностью до 1 км.

Достоверность научных результатов

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

1) обоснованностью физических предпосылок, использованных для определения параметров OA-сигналов, которые характеризуют процесс взаимодействия МЛП с веществом атмосферы;

2) тщательной методической проработкой вопроса регистрации, обработки OA- и акустических сигналов с учетом амплитудно- и фазочастотных характеристик приемных датчиков и регистрирующего оборудования, а также учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

3) использованием в качестве акустических приемников сертифицированных датчиков, а в качестве регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов.

4) статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и хорошим соответствием с результатами, выполненными позднее другими авторами;

5) сравнением выводов, следующих из экспериментальных данных с результатами математического моделирования процессов генерации и распространения OA- и акустических сигналов в АПС;

6) в численном моделировании и расчетах - тестированием созданных алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение или выполненных другими авторами и получивших всеобщее признание.

Научная новизна результатов

1. OA-исследованиями обнаружено уменьшение акустического энерговклада при светоиндуцированной взрывной фрагментации водных аэрозолей и установлены пороги взрывного вскипания и разрушения водных капель аэрозоля, хорошо согласующиеся с соответствующими оптическими исследованиями. Установлена квадратичная зависимость амплитуды OA-импульса от плотности энергии воздействующего излучения СОг-лазера при поверхностном испарении частиц водных аэрозолей. Зафиксирован сверхзвуковой разлет продуктов взрыва аэрозольных капель в эффективную область, превышающую эффективную область при поверхностном испарении в ~ 3 -ь 4 раза. На основе эффектов нелинейно-оптических взаимодействий предложен OA-способ измерения концентрации частиц водных аэрозолей в атмосфере.

2. В свободной атмосфере дистанционно зарегистрированы OA-импульсы термооптического механизма генерации АВ. OA-измерениями подтверждена теоретически определенная линейность зависимости амплитуды акустического импульса при термооптической генерации от плотности энергии лазерного излучения.

3. Микрофизическими и OA-измерениями определены критические размеры частиц твердофазного аэрозоля, инициирующих оптический пробой в атмосфере. Установлено, что амплитуда и длительность акустического импульса, генерируемого квазисферическим ОП в атмосфере, определяются видимыми размерами его ореола.

4. Разработан методический подход селекции турбулентного ослабления звука в ат-мосферно-акустических исследованиях на приземных трассах, позволивший экспериментально доказать справедливость положений теории турбулентного ослабления звука, полученных в малоугловом приближении. Получены эмпирические зависимости турбулентного ослабления звука от длины трассы, частоты звука и скорости среднего поперечного ветра, которые хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

5. Обнаружено, что флуктуации уровня звука на атмосферных трассах до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения быстрее, чем в свободном пространстве. Обосновано применение для статистических характеристик флуктуации амплитуды приземной звуковой волны масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной трассе распространения звука.

6. На основе эффекта уширения частотного спектра звуковых сигналов, распространяющихся в атмосфере, предложены способы измерения внешнего масштаба турбулентности атмосферы и оптимизации ширины приемной диаграммы направленности для акустического зондирования скорости ветра в атмосфере, а на основе эффекта рефракции звука — способ измерения температуры атмосферы.

7. Определены уровни нелинейного поглощения мощных звуковых пучков на коротких атмосферных трассах в контролируемых метеоусловиях, что позволило обосновать использование методики прогноза нелинейного поглощения звука на основе численного решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова.

8. Показано, что высотно-частотные характеристики внешних акустических шумов в атмосфере зависят от граничного импеданса подстилающей поверхности. Предложен способ определения нейтральной частоты, для которой отсутствует высотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью. При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.

9. При переходе от фемто- к наносекундной длительности импульса лазерного излучения для неизменной энергии излучения амплитуда генерируемого аэрозольным объемом OA-отклика уменьшается на два порядка. Нелинейный OA-эффект при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с воздухом свидетельствует о нетривиальном поглощении лазерного излучения.

Новизна подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения.

Научная значимость результатов работы

Методы, развитые при экспериментальном исследовании процессов вскипания жидкости и акустики взрывающихся капель, а также полученные физические результаты акустических последствий взаимодействия МЛП с веществом атмосферы важны для исследования физики конденсированного состояния вещества, физики теплового взаимодействия лазерного излучения с веществом, кинетики двухфазных сред.

Программы, методики и сопутствующее им математическое обеспечение, разработанные в процессе выполнения исследований, образуют в совокупности метод исследования распространения МЛП в атмосфере и аэрозольных компонент атмосферы. Метод можно использовать для исследований трансформации характеристик аэрозольных ансамблей различного происхождения под воздействием мощного оптического излучения, в том числе фемтосекундной длительности.

Практическая значимость результатов работы

1. Создана методика автоматизированной дистанционной (до 1 км) ОА-экспресс-диашостики канала распространения МЛП в АПС и программно-экспертная система (ПЭС) «Атмосферная оптоакустика», базирующиеся на прогнозе приземного распространения звука и ОА-индикации процессов взаимодействия МЛП с веществом атмосферы.

2. Установленная с г^омощью OA-измерений адекватность физических процессов взаимодействия МЛП с аэрозолем в лабораторных и натурных условиях явилась основой методологии разработки инженерной модели оценки пропускания МЛП в условиях тумана, летней дымки, дождя.

3. Результаты исследования высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере позволяют: для систем дистанционной OA-диагностики и акустического зондирования атмосферы - значительно повысить их потенциал за счет увеличения отношения сигнал-шум на апертуре акустического приемника; для целей экологической безопасности и борьбы с шумовым загрязнением АПС - уменьшить факторы вредного воздействия на человека внешних акустических шумов техногенного характера.

4. Создан программный комплекс «Атмосферная нелинейная акустика», позволяющий контролировать степень нелинейных искажений звуковых волн на коротких трассах в атмосфере, генерируемых при распространении МЛП в атмосфере, а также проектировать новые мощные средства звуковещания и акустического зондирования атмосферы.

5. Акустические свойства созданного плазменного излучателя АВ позволяют рекомендовать его в качестве эталонного источника в диапазоне частот, недоступном при других способах генерации. Плазменный излучатель АВ имеет недостижимую для известных способов генерации ширину полосы воспроизводимых частот при незначительных нелинейных и амплитудно-частотных искажениях.

Внедрение результатов работы и рекомендации по их использованию Результаты работы использованы в следующих организациях.

1. Институт оптики атмосферы СО РАН: при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в период с 1982 г. по настоящее время.

2. Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН: для выполнения опытно-конструкторской работы по проблеме распространения звука в АПС, которая завершилась в 2004 г. созданием устройства прогнозирования дальности звукового вещания, изготовлением опытного образца и его государственными испытаниями.

3. Предприятие п/я Р-6271: для экспериментального изучения акустических свойств плазмы оптического пробоя атмосферы.

4. ОАО «Научно-производственное предприятие «Звукотехника»: в течение более 20 лет для прогноза распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы и для учета нелинейного поглощения звука в атмосфере в целях совершенствования существующих и разработки новых средств дальнего звуковещания.

5. Предприятия ФГУП «Научно-производственный центр «Полюс» Российского авиационно-космического агентства и ООО «Научно-производственная фирма «Диамос»: многоцелевая ПЭС регистрации и обработки акустической информации, в основе алгоритмов которой служат, в частности, методы многоканальной спектральной обработки сигналов с коррекцией переходных характеристик приемных датчиков и аналоговых электронных схем оборудования, методы оптимальной фильтрации сигналов на фоне шумов и помех, а также способ, защищенный патентом Российской Федерации (патент № 2140626 от 27.10.1999 г. / Бочкарев Н.Н., Картопольцев А.В.). ПЭС служит составляющей частью прибора «Диамос», разработанного и изготовленного автором (Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.28.060.AN 7903, выдан Госстандартом России 30.06.2000 г.).

6. Томский государственный университет: действующий макет плазменного акустического излучателя, разработанный и изготовленный автором, в целях учебного процесса для демонстрации нетрадиционного использования низкотемпературной плазмы.

Внедрение результатов работы подтверждается актами использования.

Для дальнейшего практического использования представляют интерес следующие законченные научно-технические результаты работы.

1. Учет влияния высотного распределения внешнего акустического шума в атмосфере на отношение сигнал-шум в приемном тракте систем акустического и ОА-зондирования атмосферы и оценка эффективности действия систем дальнего звуковещания.

2. Учет влияния флуктуаций приземных звуковых волн на эффективность работы систем OA-зондирования атмосферы и дальнего звуковещания.

3. Учет влияния нелинейного поглощения звука в атмосфере на эффективность действия систем акустического зондирования атмосферы и систем дальнего звуковещания.

4. Программно-экспертный алгоритм прогноза и восстановления параметров ОА-сигналов, генерируемых МЛП в атмосфере, с учетом механизмов их трансформации при распространении в АПС, характеристик внешних акустических шумов и технических параметров регистрирующего оборудования.

5. Комплекс экспериментальных исследований, выполненных в области атмосферной акустики, а именно: по факторам ослабления, флуктуаций и нелинейного поглощения звуковых волн, высотному распределению акустических шумов в атмосфере, перспективен в практическом использовании для модернизации существующих и создания новых технических систем передачи и приема АВ в атмосфере, а также позволяет существенно улучшить технические характеристики таких систем, повысить их эффективность и конкурентоспособность.

6. Полученные в работе научно-технические решения и результаты можно использовать при планировании новых экспериментов по изучению взаимодействия МЛП с веществом атмосферы.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблеме взаимодействия МЛП с веществом атмосферы OA-методом, выполненных в период с 1982 г. по настоящее время в рамках лаборатории атмосферной акустики (зав. лаб., д.ф.-м.н. Красненко Н.П.) и лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий (зав. лаб., д.ф.-м.н. Землянов А.А.) Института оптики атмосферы СО РАН и кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования Томского государственного университета (зав. каф., д.ф.-м.н., член-корр. РАН ВШ Самохвалов И.В.). В исследованиях автору принадлежат: постановка научных задач; выбор методов решения; создание экспериментальной и приборной базы; планирование и проведение экспериментальных исследований; разработка алгоритмов, программ; анализ и интерпретация полученных результатов. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены по инициативе и при непосредственном участии автора.

По существу содержания работы на различных этапах ее выполнения помощь автору была оказана следующими учеными: Погодаев В.А., Рождественский А.Е., Кабанов A.M.

- проведение экспериментов, интерпретация результатов исследования ОА-эффектов взаимодействия МЛИ с модельными аэрозолями (§ 2.2); проведение экспериментов по приземному распространению звука - Муравский В.П. (§ 4.2); проведение экспериментов с мощными звуковыми пучками в атмосфере - Клочков В.А., Фомичев А.А. (§ 5.1); численное моделирование распространения мощных звуковых пучков - Коняев П.А. (§ 5.4).

Апробация работы

1. Результаты диссертационной работы докладывались на: 7-ом и 8-ом Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск - 1982 и 1984; 8-ом и 11-ом Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск - 1986 и 1992; 1-ом, 2-ом, 4-ом, 6-ом, 7-ом, 8-ом, 10-ом И-ом Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск - 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2004, Иркутск - 2000; 3-ем Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск — 1985; 19-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград -1984; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, Черноголовка - 1986; 2-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск - 1987; 2-ом Межотраслевом акустическом семинаре «Модели, алгоритмы, принятие решений», Москва - 1988; 5-ой Международной школе по квантовой электронике «Laser-physics and applications», Болгария, Солнечный берег — 1988; Российской аэрозольной конференции, Москва - 1993; 14-ом Международном конгрессе по акустике, Китай, Пекин - 1993; 4-ом рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск - 1996; Международном конгрессе «Advanced high power laser and application. AHPLA'99», Япония, Осака - 1999; заседании 9-й рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск — 2002; Международном симпозиуме «Lasers Material Interaction», С.

Петербург - 2003; 6-м Международном симпозиуме «Atomic and molecular pulsed lasers», Томск —2003; Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии», Томск - 2003; 15 сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород - 2004.

2. Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках государственных и региональных программ. Среди них: госбюджетная тема №16 «Дистанционное зондирование атмосферы с использованием акустических волн» (гос. регистр. № 810026207), Федеральная целевая комплексная научно-техническая программа «Экологическая безопасность России», программы СО РАН «Исследование нелинейно-оптических взаимодействий в атмосфере» и «Волновые процессы при взаимодействии лазерного излучения с компонентами атмосферы». Работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РФФИ № 03-05-64431.

3. На конкурсе прикладных работ СО АН СССР в 1989 г. в составе авторского коллектива за цикл работ по приземному распространению звука (частичное содержание 4-й и 6-й глав) работа получила диплом второй степени, а в 1987 г. за исследование энергетических и статистических характеристик интенсивного оптического излучения в регулярных и случайно-неоднородных средах (частичное содержание 2-4-й и 7-й глав) в составе авторского коллектива была удостоена премии Ленинского комсомола.

По теме диссертационной работы опубликовано: статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках — 35; тезисов докладов на отечественных и международных конференциях и семинарах - 38; авторских свидетельств на изобретения - 8.

Структура и объем диссертации: введение, семь глав, заключение, список литературы и приложение. Объем диссертации - 339 страниц основного текста, включая 92 рисунка, 3 таблицы. Список литературы - 271 наименование.

Краткое содержание диссертации

Во введении содержится краткий анализ состояния научной проблемы. Сформулированы цели и задачи работы, обосновывается ее актуальность, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе приводится исторический обзор важнейших работ по научной проблеме, дана оценка результатов данных исследований с точки зрения обоснования акустического метода диагностики распространения МЛП в атмосфере и методологических возможностей применения OA-эффекта в задачах дистанционной диагностики оптических свойств атмосферы, как аэрозольной среды.

Основные сведения об аэрозольной атмосфере, указанные в § 1.1, раскрывают вопросы, связанные с ослаблением излучения МЛП в АПС и основные механизмы оптической генерация звука, связанные с этим поглощением. В зависимости от степени воздействия лазерного излучения на вещество атмосферы, согласно принятой терминологии, внимание акцентировано на следующих наиболее значимых механизмах ОА-генерации АВ в атмосфере: тепловой (термооптический, фотоакустический), поверхностное испарение, взрывное вскипание, оптический пробой.

В отличие от традиционных OA-исследований в замкнутых объемах (ОА-ячейках) [9] атмосферная оптоакустика имеет дело с переменной составляющей генерируемого лазерным пучком акустического давления, возникающего в момент действия импульса лазерного излучения или в результате амплитудной модуляции последнего. Поэтому термооптический механизм генерации звука рассматривается в § 1.2 для импульсного и гармонически модулированного лазерного излучения, распространяющегося при относительно слабом поглощении оптического излучения в АПС.

Особенности наиболее существенных механизмов оптической генерации звука, таких как взрывное испарение и фрагментация аэрозольных частиц, оптический пробой атмосферы рассмотрены в § 1.3.

Процессы поверхностного испарения, взрывного вскипания, происходящие в жидких аэрозолях при воздействии импульсного лазерного излучения, приводят к возмущению плотности воздуха вокруг частиц и формированию АВ. В атмосфере, концентрации аэрозоля невелики, поэтому влияние аэрозоля сводится к возмущению газодинамических параметров среды.

OA-эффекты в аэрозолях, связанные с быстрым и неоднородным прогревом двухфазных систем как в допороговых, так и в сверхпороговых для развития оптического разряда режимах взаимодействия с оптическим излучением, представляют собой целый класс физических процессов. Рассмотрен ряд эффектов, возникающих на твердом и жидком аэрозоле в сверхпороговых для развития оптического разряда режимах взаимодействия с излучением, дана классификация возникающих АВ, проанализированы возможности дистанционной OA-диагностики параметров МЛП и аэрозоля.

В § 1.4 сформулирована задача разработки метода атмосферной ОА-диагностики МЛП и аэрозолей. Показано, что для решения поставленной задачи, необходимо рассмотреть комплекс вопросов, связанных не только с физическими механизмами генерации АВ при взаимодействии МЛП с веществом атмосферы, но и сопутствующие вопросы распространения АВ в АПС с учетом искажающего влияния подстилающей поверхности и внешних акустических помех на ОА-прием.

Отмечается, что изучение плазмообразования в атмосфере под действием МЛИ важно не только для решения проблемы передачи лазерной энергии на большие дистанции, но и для лазерной проводки молниевого разряда по заданной траектории, когда требуется повышение эффективности формирования высокоионизованного канала - пространственной неточной ДЛИ.

Контролируя энергетические параметры лазерного излучения в АПС с помощью многоканальной OA-диагностики, имеется возможность восстанавливать коэффициент поглощения МЛИ. Например, прозрачность атмосферы для излучения СОг-лазеров в конкретный момент времени обусловлена количественным содержанием водяного пара и аэрозоля. В связи с этим OA-диагностика позволяет получать информацию о коэффициенте пропускания атмосферы при различных метеосостояниях АПС.

Построение физической OA-модели взаимодействия МЛП с веществом атмосферы требует знания зависимости коэффициента аэрозольного ослабления МЛИ от энергетических параметров МЛИ. Исследование такой зависимости следует проводить в контролируемых лабораторных условиях. Необходимым условием разработки такой модели является уверенность в идентичности физических процессов, протекающих при взаимодействии МЛП с веществом атмосферы в лабораторных и натурных условиях.

Вторая глава посвящена вопросам экспериментальных исследований распространения МЛИ импульсных СС>2-лазеров микросекундной длительности на атмосферных приземных трассах в условиях тумана, мороси, дождя (§ 2.1) и в лабораторных условиях в модельных аэрозолях (§ 2.2).

Дистанционная индикация взаимодействия МЛИ с частицами аэрозоля различного химического и фазового состава в атмосфере возможна благодаря фазовому переходу жидкокапельного аэрозоля и оптическому пробою, развивающемуся на отдельных частицах. Индикационными характеристиками таких процессов являются генерация АВ и изменение рассеивающих свойств аэрозоля при фазовом взрыве частиц.

В § 2.1 рассмотрены вопросы постановки экспериментальных исследований механизма генерации звука аэрозольными частицами в атмосфере в допробойном режиме распространения МЛИ, приводятся и обсуждаются полученные результаты.

Отмечается, что уровень акустического сигнала, генерируемого импульсным МЛИ, достаточен для его уверенной регистрации на расстояниях в несколько километров при использовании направленного акустического приема: узконаправленный микрофон, параболическая антенна со звукозащитной блендой. Такой результат имеет практическую значимость для задач дистанционной диагностики распространения МЛП в атмосфере и для целей зондирования некоторых метеорологических параметров АПС ОА-способом.

При регистрации OA-сигналов приемником, расположенным вблизи подстилающей поверхности, возникают отраженные АВ, которые при решении задач атмосферной оптоакустики представляют серьезную помеху. Компенсация таких помех требует исследования физических эффектов при распространении АВ вблизи подстилающей поверхности.

Обсуждению количественных данных об изменении основных характеристик регистрируемого акустического отклика, генерируемого при испарительном и взрывном взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества в лабораторных условиях, и установлению причины этих изменений посвящен § 2.2. Эти исследования проводились с целью определения набора характерных параметров процесса, наиболее полно характеризующих исследуемый эффект взрывного вскипания, причем таких, по которым, учитывая специфику задачи, можно проводить сравнение и корректировку теоретических моделей с экспериментальными данными.

Экспериментальные исследования показали, что амплитуда генерируемых ОА-сигналов пропорциональна водности аэрозоля. Получена нелинейная зависимость амплитуды OA-сигнала от плотности лазерной энергии при переходе от поверхностного испарения жидкокапельного водного аэрозоля к его взрывному вскипанию и разрушению.

В § 2.3 рассмотрена модель импульсного OA-эффекта в аэродисперсной среде, представляющей собой пространственно-ограниченный объем в виде сферы или длинного цилиндра. Исходя из предположения об изменении размера области формирования акустического импульса, проводилось численное моделирование процесса формирования регистрируемого акустического отклика. Для импульса воздействующего лазерного излучения конечной длительности регистрируемый акустический сигнал представляет собой свертку возникающего акустического сигнала с расчетной переходной характеристикой пространственных условий регистрации сигналов.

На основании проведенных модельных экспериментов сделан вывод о том, что форма акустического сигнала, формируемого при тепловом взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества, определяется режимом взаимодействия и существенно от него зависит. Полученные количественные данные амплитудных и временных зависимостей акустического давления позволяют проводить идентификацию режима взаимодействия МЛИ с поглощающим веществом.

Третья глава посвящена акустике оптического пробоя в атмосфере.

Оптический пробой обладает наиболее высоким коэффициентом преобразования падающей лазерной энергии в акустическую. Поскольку ДЛИ характеризуется несколькими существенно различными пространственными масштабами, в том числе размером ОП и средним расстоянием между соседними ОП, это позволяет выделить связанные с ними низкочастотные компоненты АВ, генерируемых ДЛИ, и интерпретировать нелинейные потери энергии МЛП на трассе распространения.

В § 3.1 приведено описание методики проведения измерений и представлены результаты экспериментов по регистрации акустических откликов, генерируемых квазисферическими ОП в канале импульсного МЛИ.

Путем многократной одновременной регистрации видимого размера ОП и генерируемого им акустического импульса найдены эмпирические соотношения, связывающие диаметр ОП с длительностью и амплитудой генерируемого им акустического импульса. Показано, что квазисферический ОП, как источник акустического импульса, является излучателем нулевого порядка. Поэтому, амплитуда и длительность генерируемого им акустического импульса зависят только от его геометрических размеров. Это позволяет по измерению параметров генерируемых ОП акустических откликов на трассе распространения МЛП определить размеры отдельных ОП в ДЛИ и их распределение по размерам, после чего построить гистограммы, иллюстрирующие области нелинейных потерь в МЛП.

В § 3.2 проанализированы принципиальные отличия акустических сигналов, генерируемых ДЛИ и отдельными ОП, и рассмотрены особенности регистрации ОА-сигналов, генерируемых ДЛИ в канале распространения МЛИ.

Отмечается, что в ранее опубликованных работах не проводилась обработка акустических свойств ДЛИ в реальном времени и приводятся примеры обработки ОА-сигналов, генерируемых ДЛИ, с помощью ПЭС «Атмосферная оптоакустика».

Специфика разрядов типа ДЛИ проявляется на поздних стадиях, когда ОП расширяются в окружающий газ по механизму светодетонационной волны. Область пробоя характеризуется несколькими пространственными масштабами: средний размер ОП, среднее расстояние между соседними ОП и общий размер области пробоя. Эти пространственные масштабы в частотной области проявляют себя в виде спектральных особенностей, по которым можно оперативно оценить указанные выше масштабы. Чем точнее первичные измерения для определения частотных спектров, тем выше точность измерения пространственных масштабов области пробоя.

Четвертая глава посвящена особенностям и прогнозу приземного распространения звука в рамках линейного приближения для задач диагностики распространения МЛП в атмосфере. Изложение материала в форме обзора включает исследования автора и анализ известных публикаций в отечественной и зарубежной литературе.

В § 4.1 указаны особенности научных задач при исследовании распространения звука вблизи подстилающей поверхности, а § 4.2 приведена методология проведения натурных экспериментальных исследований по ослаблению и флуктуациям амплитуды приземных звуковых волн на трассах до 1 км.

В § 4.3 классифицированы по степени значимости известные факторы искажения (ослабления или усиления) звуковых волн при распространении в АПС вблизи поверхности земли на дальностях до 1 км. Особое внимание акцентировано на следующих факторах: влияние подстилающей поверхности, как границы, обладающей конечным модельным импедансом; турбулентное ослабление звука, зависящее от частоты звуковой волны, интенсивности турбулентности атмосферы и взаимного размещения источника, приемника звука и подстилающей поверхности; влияние рефракции при волноводном и антивол-новодном режимах распространения звука.

Теоретическое описание флуктуаций амплитуды и фазы звуковой волны детально выполнено для случая распространения звука в свободном пространстве [10]. Соответствующей теории для распространения звука над импедансной поверхностью нет. В § 4.4 обсуждаться рамки применимости уже существующей теории, исходя из сопоставления теоретических и экспериментальных результатов.

Получено, что при распространении звуковых волн вблизи поверхности земли относительная дисперсия флуктуации уровня звука способна к более быстрому насыщению (достижению максимума), нежели при распространении в свободном пространстве, то есть измеряемые значения дисперсии флуктуаций оказываются значительно больше прогнозируемых. Для статистических характеристик флуктуаций амплитуды волн звукового диапазона частот обосновано применение масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной к трассе распространения звука.

Уширение частотного спектра OA-сигналов при распространении от источника к приемнику АВ, обусловленное турбулентностью атмосферы рассмотрено в § 4.5. Эффект уширения, обусловленный беспорядочной модуляцией частоты звукового импульса, создается взаимным влиянием турбулентности и поперечного ветра.

Основные искажения OA-сигналов, распространяющихся в атмосфере, проанализированы в § 4.6. Отмечается, что в слаботурбулентной атмосфере при распространении звука на расстояния порядка 1 км наиболее слабому ослаблению подвержены частоты ниже 200 Гц. Средние частоты будут ослабляться влиянием поверхности земли, а высокие -влиянием классического и молекулярного поглощения. При увеличении интенсивности турбулентности в атмосфере средние частоты будут ослабляться меньше, поскольку уменьшается фактор ослабления за счет подстилающей поверхности. Высокие частоты будут существенно подвержены влиянию турбулентного ослабления, если источник или приемник АВ обладает узкой диаграммой направленности. Рефракция оказывает малое влияние на ослабление звука при углах наблюдения к горизонту больших, чем ~5° до расстояний распространения звуковых волн порядка 1 км.

Нелинейное поглощение звуковых пучков в атмосфере рассмотрено в пятой главе. Методология натурных экспериментов по выявлению уровней нелинейного поглощения мощного звукового пучка в диапазоне частот 1 ч- 3,5 кГц на атмосферных приземных трассах до 200 м приведена в § 5.1, а в § 5.2 обсуждаются полученные результаты.

Показано: эффект нелинейного поглощения экспериментально зафиксирован в исследованном диапазоне звуковых частот и трасс распространения звука, что стало возможным благодаря уникальным техническим характеристикам использованного в экспериментах мощного излучателя звука.

Теория нелинейной акустики [13] позволяет получить простые соотношения для оценки нелинейного поглощения звука при значительной разнице в масштабах проявления нелинейных, дифракционных и диссипативных эффектов. Строгий учет нелинейных эффектов требует использования совместного учета влияния нелинейности, дифракции и диссипации на распространение звуковых пучков.

В § 5.3 на основе уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова обсуждаются вопросы разработки численного алгоритма решения этого уравнения, а также сравнения результатов численного моделирования с результатами эксперимента. Предложенная схема численного моделирования распространения мощного звукового пучка в атмосфере уверенно согласуется с результатами экспериментальных исследований и может быть рекомендована для проведения наиболее тщательных расчетов нелинейных искажений звуковых волн в атмосфере.

В § 5.4 численно моделируются с использованием разработанной программы "Атмосферная нелинейная акустика" различные ситуации трансформации частотного спектра и формы OA-сигналов при их нелинейном распространении в АПС.

Глава шесть посвящена обсуждению оптимального приема OA-сигналов в атмосфере.

В решении практических задач атмосферной оптоакустики отношение сигнал-шум при регистрации акустических откликов существенно зависит от картины внешних акустических шумов, заполняющих пространство АПС и являющихся помехой, ограничивающей дальность приема OA-сигналов и, как следствие, качество и достоверность диагностируемых ОА-методом параметров канала МЛИ.

Влияние внешних шумов на качество и достоверность OA-измерений можно уменьшить, используя информацию о физических закономерностях распространения и распределения внешних акустических шумов в АПС.

В § 6.1 приведено описание методологии проведения экспериментов по выявлению особенностей внешних акустических шумов в атмосфере, а в § 6.2 - результаты экспериментального исследования эффекта высотно-частотного распределения внешнего шума.

В § 6.3 построена модель обнаруженного в экспериментах эффекта и проведены численные расчеты, которые показывают, что высотное распределение шумов в атмосфере удовлетворяет разработанной эмпирической однопараметрической модели. Для большинства метеорологических состояний АПС высотное распределение внешних шумов зависит от среднего значения пористости грунта подстилающей поверхности.

В седьмой главе обсуждаются методологические основы дистанционной ОА-диагностики канала распространения импульсного МЛИ в атмосфере.

В § 7.1 приводятся примеры обработки OA-сигналов с помощью ПЭС «Атмосферная оптоакустика», а также описание алгоритма и физическое обоснование заложенных в программный комплекс моделей. ПЭС позволяет учесть влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на форму OA-сигналов в исследованиях, проводимых в реальном времени. Обсуждаются проблемы восстановления распределения плотности лазерной энергии по сечению МЛП и геометрических характеристик ДЛИ с учетом методических и аппаратурных погрешностей, зашумленности АПС. Выявляются преимущества и недостатки бистатической и моностатической схем OA-зондирования. В алгоритмах ПЭС использованы результаты исследований, приведенных во 2-6-й главах работы.

В § 7.2 на основе комплексных исследований, включая разработанный акустический метод пассивной дистанционной идентификации физических процессов, инициируемых МЛИ при взаимодействии с частицами поглощающего аэрозоля, выявлены закономерности изменения коэффициента ослабления излучения СОг-лазера, зависящие от микрофизических параметров атмосферного аэрозоля и энергетических параметров МЛП. Анализ этих закономерностей позволил предложить модель инженерной оценки пропускания МЛИ для конкретной оптико-метеорологической ситуации в атмосфере.

Материалы § 7.3 демонстрируют эффективность OA-метода в комплексных исследованиях распространения фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере. Цель исследований: изучение нелинейно-оптических эффектов, возникающих при распространении в модельном аэрозоле и воздухе лазерных импульсов с интенсивностью, достижимой при сверхкоротких длительностях импульса, а также исследование распространения фемтосе-кундных лазерных импульсов при реализации филаментации. Результаты выполненных экспериментов пока не нашли своего строгого теоретического обоснования, а обнаруженные новые физические эффекты нуждаются в дальнейшем исследовании.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении - акты использования и внедрения результатов работы.

Повторяющиеся по тексту работы обозначения и сокращения приведены в списке: Перечень основных сокращений и обозначений.

По тексту изложения материала в диссертационной работе принята следующая терминология, устоявшаяся среди специалистов в области атмосферной акустики и оптоакустики: «оптико-акустический.», но - «оптоакустика»; «термооптическая.», но - подразумевается генерация не оптических, а АВ при тепловом нагреве среды модулированным МЛИ; «приземное распространение звука» — означает распространение звука вблизи подстилающей поверхности, искажающей звуковое поле; «МЛИ» - лазерное излучение с мощностью, достаточной для проявления нелинейно-оптических эффектов; «АВ» - волны звукового, ультразвукового и гиперзвукового диапазона частот; «звук» - АВ звукового диапазона частот (20 -г 20000 Гц).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Оптико-акустическими исследованиями обнаружено уменьшение акустического энерговклада при светоиндуцированной взрывной фрагментации водных аэрозолей и установлены пороги взрывного вскипания и разрушения капель аэрозоля, хорошо согласующиеся с соответствующими оптическими исследованиями. Определена зависимость амплитуды генерируемого акустического импульса от плотности энергии воздействующего излучения СОг-лазера при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей, что позволило предложить оптико-акустический способ измерения концентрации частиц водных аэрозолей в атмосфере.

2. Акустические параметры длинной лазерной искры, возникающей в атмосфере при распространении мощного лазерного излучения СОг-лазера микросекундной длительности и состоящей из отдельных очагов пробоя, определяются концентрацией аэрозольных твердофазных частиц с размерами выше критического и акустическими характеристиками очагов пробоя, зависящими от размеров их видимых ореолов.

3. Для атмосферно-акустических исследований на приземных трассах разработан методический подход селекции турбулентного ослабления звука, позволивший экспериментально доказать справедливость выводов теории турбулентного ослабления звука, полученных в малоугловом приближении. Экспериментально обнаружены случаи аномальные поведения приземного ослабления звука над слоистыми поверхностями типа мерзлый грунт, снежная поверхность.

4. На приземных трассах до 1 км выявлены и исследованы особенности наиболее значимых факторов искажения тональных и импульсных звуковых сигналов, что позволило предложить методику прогноза полного ослабления звука для исследования процессов, сопровождающих распространение мощных лазерных пучков, а также ряд способов акустического зондирования атмосферы, имеющих прикладное значение.

5. Обнаружен и исследован эффект высотно-частотного распределения акустического шума в атмосфере, который обусловлен влиянием граничных импедансных свойств подстилающей поверхности и существенно влияет на эффективность систем акустического и оптико-акустического зондирования. Предложен способ определения нейтральной частоты, для которой отсутствует высотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью, позволяющий повысить потенциал систем оптико-акустической диагностики и акустического зондирования за счет увеличения отношения сигнал-шум на апертуре приемника, а для целей борьбы с шумовым загрязнением атмосферы - уменьшить факторы вредного воздействия внешних акустических шумов техногенного характера.

6. Статистические характеристики флуктуации уровня звука на атмосферных трассах до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности существенно отличаются от соответствующих характеристик при распространении звука в свободном пространстве, однако применение для статистических характеристик флуктуаций уровня звука масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной к трассе распространения звука, вполне обоснованно.

7. Результаты экспериментальных исследований нелинейных искажений мощных звуковых волн на коротких атмосферных трассах позволили обосновать использование методики прогноза нелинейного поглощения звука на основе численного решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова и создать программный комплекс «Атмосферная нелинейная акустика», позволяющий контролировать степень нелинейных искажений звуковых волн, что имеет прикладное значение для проектирования новых мощных средств звуковещания и акустического зондирования атмосферы.

8. Программно-экспертная система «Атмосферная оптоакустика», методики и сопутствующее им математическое обеспечение, разработанные в процессе выполнения работы, образуют в совокупности метод исследования распространения мощных лазерных пучков в атмосфере, который можно использовать для исследований трансформации характеристик аэрозольных ансамблей различного происхождения под воздействием мощного лазерного излучения, в том числе фемтосекундной длительности.

9. Методы, развитые при экспериментальном исследовании процессов вскипания жидкости и акустики взрывающихся капель, а также полученные физические результаты акустических последствий взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом атмосферы важны для изучения физики конденсированного состояния вещества, физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, кинетики двухфазных сред.

10. Установленная с помощью оптико-акустических измерений адекватность физических процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с аэрозолем в лабораторных и натурных условиях явилась основой методологии разработки инженерной модели оценки пропускания лазерного излучения в тумане, летней дымке и дожде.

11. Акустические свойства плазменного акустического излучателя позволяют рекомендовать его в качестве эталонного источника в диапазоне частот, недоступном при других способах генерации. Плазменный акустический излучатель имеет недостижимую для известных способов генерации ширину полосы воспроизводимых частот при незначительных нелинейных и амплитудно-частотных искажениях.

12. При переходе от фемто к наносекундной длительности импульса лазерного излучения для неизменной энергии излучения амплитуда генерируемого аэрозольным объемом акустического отклика уменьшается примерно на два порядка. Нелинейный оптико-акустический эффект при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с воздухом свидетельствует о нетривиальном поглощении лазерного излучения.

1. Зуев В.Е., Землянов А.А., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Мощное лазерное излучение в атмосферном аэрозоле. Новосибирск: Наука, 1984. 223 с.

2. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Зуев В.Е., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 256 с.

3. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.

4. Карабутов А.А., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б., Скипетров С.Е. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред оптико-акустическим методом // Квантовая электроника. 1999. Т. 29. № 3. С. 215-220.

5. Лямшев Л.М. Радиационная акустика. М.: Наука-Физматлит, 1996. 304 с.

6. Лямшев М.Л. Лазерное термооптическое возбуждение звука в жидкости с фрактальными микронеоднородностями // Акустический журнал. 1998. Т. 44. № 5. С. 700-702.

7. Лямшев Л.М. Возбуждение звука лазерными импульсами при оптическом пробое жидкости с фрактальными микронеоднородностями // Акустический журнал. 1998. Т. 44. №6. С. 851-854.

8. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1986. 166 с.

9. Осташев В.Е. Распространение звука в движущихся средах. М: Наука, 1992. 206 с.

10. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М: Наука, 1967. 548 с.

11. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. М: Наука, 1984. 320 с.

12. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболотская Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. М: Наука, 1982. 174 с.

13. Наугольных К.А., Островский JI.A. Нелинейные волновые процессы в акустике. М: Наука, 1990. 235 с.

14. Баранов И.Я. Многоцелевой электрогазодинамический СОг-лазер высокой мощности // Квантовая электроника. 1994. Т.21. № 6. С. 581-584.

15. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией // УФН. 2000. Т. 170. № 7. С. 753-769.

16. Бочкарев Н.Н., Землянов А.А., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Акустическая диагностика эффективности образования очагов пробоя для задачи лазерного инициирования молниевых разрядов // Известия ВУЗов. Физика, 2001. 16 с. Деп. в ВИНИТИ, № 2342-В2001.

17. Дмитриев А.К., Фурзиков Н.П. Взрывное вскипание и генерация ударных волн при абляции биоткани импульсами СО2-лазера // Акустический журнал. 1990. Т. 36. Вып. 6. С. 1016-1020.

18. Бочкарев Н.Н., Кабанов A.M., Погодаев В. А. Возможности акустической идентификации режимов взаимодействия лазерного излучения с поглощающим веществом // Известия ВУЗов. Физика, 1997. 13 с. Деп. в ВИНИТИ, № 1490-В97.

19. Кандидов В.П. Обзор нелинейных эффектов при распространении лазерного излучения в атмосфере // Нелинейная оптика и оптика атмосферы. Томск: ТФ СО РАН, 1988. С. 3-12.

20. Лямшев Л.М. Лазеры в акустике // УФН. 1987. Т. 151. Вып. 3. С. 479-527.

21. Sigrist M.W. Laser generation of acoustic waves in liquids and gases // J. Appl. Phus. 1986. V. 60. № 7. p. R83-R121.

22. Лямшев Л.М. Оптико-акустические источники звука // УФН. 1981. Т. 135. Вып. 4. С. 637-669.

23. Егерев С.В., Лямшев Л.М., Пученков О.В. Лазерная динамическая оптоакустическаядиагностика конденсированных сред // УФН. 1990. Т. 160. Вып. 9. С. 111-154.

24. Зуев В.Е., Землянов А.А., Копытин Ю.Д. Нелинейная оптика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 256 с.

25. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Нелинейные оптический эффекты в аэрозолях. Новосибирск: Наука, 1980. 184 с.

26. Аливердиев А.А. О возможности использования скорости регистрации сигнала для томографического исследования возбужденных сред // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1997. Т. 15. № 6. С. 761-768.

27. Довгалюк Ю.А., Ивлев JI.C. Физика водных и других атмосферных аэрозолей. JL: Изд-во ЛГУ, 1977. 252 с.

28. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 254 с.

29. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.256 с.

30. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. М.: Сов. радио, 1966. 318 с.

31. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 639 с.

32. Погодаев В.А. Частица твердофазного аэрозоля в интенсивном световом поле: допробойный режим взаимодействия // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. № 4. С. 391-396.

33. Пришивалко А.П., Бабенко В.А., Кузьмин В.Н. Рассеяние и поглощение света неоднородными анизотропными сферическими частицами. Минск: Наука и техника, 1984. 263 с.

34. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука, 1974. 308 с.

35. Копытин Ю.Д., Сорокин Ю.М., Скрипкин A.M., Белов Н.Н., Букатый В.И. Оптический разряд в аэрозолях. Новосибирск: Наука, 1990. 159 с.

36. Бузуков А.А., Тесленко B.C. Давление на фронте ударном волны в ближней зоне пробоя лазерной искры в воде // ПМТФ. 1970. № 3. С. 123-126.

37. Пожидаев В.Н., Новиков В.И. О возможности разрушения капель тумана с помощью гигантских импульсов лазеров // Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 40. Вып. 3. С. 574-577.

38. Бункин Ф.В., Савранский В.В. Оптический пробой газа, инициируемый тепловым взрывом // ЖЭТФ. 1973. Т. 65. Вып. 6. С. 2185-2195.

39. Землянов А.А., Погодаев В.А, Пожидаев В.Н., Чистякова JI.K. Оптическая прочность слабо поглощающих капель в интенсивных световых полях // ПМТФ. 1977. № 4. С. 33-37.

40. Роч Ф., Девис М. Электрическая прочность некоторых жидких диэлектриков, подвергшихся воздействию импульса излучения лазера с модулированной добротностью // ТИИЭР. 1970. Т. 58. № 9. С. 108-109.

41. Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Оптический пробой в воздухе, инициируемый слабо поглощающими водными частицами // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. Вып. 5. С. 257-261.

42. Кулешев В.М., Мамонов В.К. Пробой в слабо поглощающих частицах водного аэрозоля при воздействии на них излучения с Я = 1,06 мкм // Труды Институтаэкспериментальной метеорологии. 1981. Вып. 26 (99). С. 60-64.

43. Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Разрушение слабо поглощающих капель в условиях оптического пробоя // 2-е Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде. Тезисы докладов. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1982. Ч. 2. С. 119-122.

44. Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Взрыв и оптический пробой слабо поглощающих водных аэрозолей в мощном световом поле // ЖТФ. 1983. Т. 53. Вып. 8. С. 1541-1546.

45. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 686 с.

46. Островская Г.В., Зайдель А.Н. Лазерная искра в газах // УФН. 1973. Т. 111. Вып. 4. С. 579-610.

47. Зуев В.Е., Кузиковский А.В., Погодаев В.А. и др. Тепловое действие оптического излучения на водные капли малого размера // ДАН СССР. 1972. Т. 205. № 5. С. 1069-1072.

48. Кузиковский А.В. Динамика сферической частицы в мощном световом поле // Известия ВУЗов. Физика. 1970. Т. 13. № 5. С. 89-94.

49. Погодаев В.А., Букатый В.И., Хмелевцов С.С., Чистякова Л.К. Динамика взрывного испарения водных капель в поле оптического излучения // Квантовая электроника. 1971. №4. С. 128-130.

50. Зуев В.Е., Землянов А.А. Взрывы водных капель под действием интенсивного лазерного излучения // Известия ВУЗов. Физика. 1983. Т. 26. № 2. С. 53-65.

51. Коханов В.И., Небольсин М.Ф., Чистякова Л.К. Рассеяние оптического излучения взрывающимися частицами водного тумана // Известия ВУЗов. Физика. 1987. Т. 30. № 2. С. 79-84.

52. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Модель деформации и разрушения крупных водных капель под действием излучения СОг-лазера // Оптика атмосферы. 1991. Т. 4. № 6. С. 618-624.

53. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Взрывное вскипание крупных водных капель под действием интенсивного лазерного излучения // Оптика атмосферы и океана.1993. Т. 6. № 11. С. 1426-1434.

54. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Полуэмпирическая модель разрушения частиц водного аэрозоля лазерными импульсами // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 3. С. 27-34.

55. Землянов А.А., Небольсин М.Ф., Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Просветление мелкокапельного тумана импульсом СОг-лазера // ЖТФ. 1985. Т. 55. Вып. 4. С. 791-793.

56. Райзер Ю.П. Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча // УФН. 1965. Т. 87. Вып. 1.

57. Haught A.F., Meyerand R.G., Smith D.C. Physics of quantum electronics. New York. 1966. P. 509. (Пробой в газах под действием светового излучения. М: Мир, 1968).

58. Busher Н.Т., Tomlinson R.G., Damon Е.К. // Phus. Rev. Lett, 1965. V. 15. P. 847. (Частотная зависимость пробоя, вызванного световым лучом. Перев. в сб. Действие лазерного излучения. М: Мир, 1968).

59. Барчуков А.И., Бункин Ф.В., Конов В.И., Прохоров A.M. // Письма в ЖТФ. 1973. № 17. С. 413-414.

60. Агеев В.П., Барчуков А.И., Бункин Ф.В. и др. Пробой газов вблизи твердых мишеней импульсным излучением СОг-лазеров // Изв. ВУЗов. Физика. 1977. № 11. С. 35-60.

61. Островская Г.В., Зейдин А.Н. Механизмы оптического пробоя атмосферы // УФН. 1973. Т. 3. С. 579.

62. Захарченко С.В., Скрипкин A.M. Распространение лазерного излучения при возникновении длинной лазерной искры // ЖТФ. 1985. Т. 55. № 10. С.935-1942.N

63. Белов Н.Н. Вероятность оптического пробоя в аэрозоле // ДАН СССР. 1986. Т. 289. №6. С.1370-1372.

64. Белов Н.Н., Дацкевич Н.П., Карлова Е.К., Карлов Н.В., Кононов Н.Н., Кузьмин Г.П.,

65. Негин А.Е., Никифоров С.М., Фукс Н.А. Канал просветления и образование плазмы пробоя в аэрозоле под действием излучения СОг-лазера // ЖТФ. 1979. Т. 49. № 2. С. 333-337.

66. Smith D.C. Gas breakdown initiated by laser radiation interaction with aerosols and solid surfaces // J. Appl. Phus. 1977. V. 48. № 6. P. 2217-2225.

67. Белов H.H. Зависимость порога оптического пробоя от радиуса аэрозольных частиц // Оптика атмосферы. 1989. Т. 2. № 1. С. 63-68.

68. Heritier J.M. Electrostrictive limit and focusing effects in pulsed photoacoustic detection // Optics Communications. 1983. V. 44. № 4. P. 267-272.

69. Джиджоев M.C., Попов B.K., Платоненко B.T., Чугунов А.В. Зависимость параметров оптоакустического сигнала от радиуса возбуждаемой области // Квантовая электроника. 1984. Т. 11. № 2. С. 414.

70. Колосов В.В., Кузиковский А.В. Исследование термооптической генерации звука в атмосфере // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 3. С. 57-60.

71. Воробьев В.В., Мякинин В.А., Лоткова Э.Н., Дубровский П.Е. Возбуждение звука в воздухе излучением лазера на окиси углерода // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 5. С. 513-517.

72. Воробьев В.В. О генерации звука в воздухе модулированным лазерным излучением с длиной волны X = 10,6 мкм // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6. С. 593-597.

73. Воробьев В.В., Грачева М.Е., Гурвич А.С. Акустическая томография импульсных лазерных пучков // Акустический журнал. 1986. Т. 32. Вып. 4. С. 457-461.

74. Воробьев В.В., Грачева М.Е., Гурвич А.С., Мякинин В.А. Акустические измерения распределения энергии в поперечном сечении лазерного пучка // Оптика атмосферы. 1989. Т. 2. № 7. С. 723-727.

75. Покасов Вл.В., Воробьев В.В., Гурвич А.С., Дьяков А.С., Пряничников B.C.

76. Определение структуры лазерного пучка акустическим методом в условиях кинетического охлаждения воздуха// Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 8. С. 864-870.

77. Креков Г.М., Шаманаева Л.Г. Оптическая генерация звука в атмосфере // Акустический журнал. 1988. Т. 34. Вып. 1. С. 197-198.

78. Шаманаева Л.Г. Термооптическая генерация звука при распространении мощного лазерного излучения в атмосфере // Известия ВУЗов. Физика. 2001. № 11. С. 51-55.

79. Копытин Ю.Д., Шаманаева Л.Г. Оптическая генерация звука в атмосфере и на границе конденсированных сред // Материалы 8 Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. 1986. Ч. 2. С.319-328.

80. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь. 1981.320 с.

81. Есипов И.Б. Излучение звука движущимся со сверхзвуковой скоростью тепловымисточником //Акустический журнал. 1977. Т. XXIII. Вып. 1. С. 164-165.

82. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Сорокин Ю.М. Оптические эффекты в аэрозолях // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6. С. 563-578.

83. Бункин Ф.В., Михалевич В.Г., Шипуло Г.П. Генерация монохроматического звука в воде при поглощении в ней лазерного излучения // Квантовая электроника. 1976. Т. 3.№2. С. 441-443.

84. Армстронг P.JI., Землянов А.А., Кабанов A.M. Экспериментальное исследование акустического отклика от одиночных аэрозольных частиц в интенсивном световом поле

85. Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 9. С. 1236-1240.

86. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Теоретическая модель генерации звука при фазовых переходах в жидкой аэрозольной частице // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 12. С. 1821-1824.

87. Шаманаева Л.Г., Копытин Ю.Д., Красненко Н.П. Разработка и исследование оптико-акустических методов зондирования параметров атмосферы // 7 Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1982. Ч. 2. С. 126-130.

88. Беляев Е.Б., Годлевский А.П., Копытин Ю.Д., Красненко Н.П., Муравский В.П., Шаманаева Л.Г. О характере генерации акустического излучения при лазерном пробое газ о дисперсных сред // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8. № 6. С. 333-337.

89. Mleczko A., Bukowski R., Kleszewski Z. Optical generation of acoustic waves // Arch, acoust. 1983. V. 8. № 3. P. 249-253.

90. Kuo Chien-Jn, Patel C.K.N. Direct measurement of optoacoustic induced ultrasonic waves // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44. № 8. P. 752-754.

91. A. c. 1101017 СССР, МКИ: G 01 W 1/00. Способ измерения скорости ветра / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Шаманаева Л Г. Опубл. в БИ. 1984. № 24.

92. А. с. 1289236 СССР, МКИ: G 01 W 1/00. Способ определения параметров атмосферы / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Опубл. в БИ. 1987. № 5.

93. Беляев Е.Б., Годлевский А.П., Копытин Ю.Д., Красненко Н.П., Муравский В.П., Шаманаева Л.Г. Оптико-акустические эффекты при лазерном пробое атмосферы // 2-е Совещание по атмосферной оптике. Тезисы докладов. Томск. 1980. Ч. 3. С. 156-159.

94. Копытин Ю.Д., Протасевич Е.Т., Чистякова Л.К., Шишковский В.И. Воздействие лазерного и ВЧ-излучений на воздушную среду. Новосибирск: Наука, 1992. 189 с.

95. Бочкарев Н.Н., Копытин Ю.Д., Красненко Н.П., Миронов B.JL, Погодаев В.А. Исследование плазмы оптического пробоя атмосферы // Материалы 8-го Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. 1986. 4.2. С. 194-198.

96. Бочкарев Н.Н. Исследование кинетики очагов оптического пробоя атмосферы по акустическому отклику // Актуальные вопросы теплофизики и физической газодинамики. Материалы II Всесоюзной конференции. Новосибирск. 1988. С. 118-123.

97. Шаманаева Л.Г. Оптико-акустическое зондирование счетной концентрации грубодисперсной фракции атмосферного аэрозоля // Оптика атмосферы. 1997. Т. 10. № i.e. 105-112.

98. Шаманаева Л.Г. Спектры акустического сигнала при оптическом пробое на твердойаэрозольной частице // 4 Симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Тезисы докладов. Томск. 1997. С. 104-105.

99. Шаманаев С.В. Экспериментальные исследования характеристик звукового сигнала, генерируемого при лазерном пробое на твердой аэрозольной частице // Оптика атмосферы. 1998. Т. 11. № 12. С. 1352-1355.

100. Шаманаев С.В. Генерация звука при лазерном пробое на частицах твердого аэрозоля // Известия ВУЗов. Физика. 2001. № 12. С. 8-13.

101. Джеффрис Г., Свирлс Б. Методы математической физики. М.: Мир, 1970. 334 с.

102. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Мир, 1983. 311 с. 1 т. 256 с. - 2 т.

103. Букатый В.И., Колобов А.А., Тельнихин А.А., Возбуждение разряда в воздухе лазерным излучением // ЖТФ. 1985. Т. 55. Вып. 2. С. 312-318.

104. Королев И.Я., Кособурд Т.П., Вдовин В.А., Сорокин Ю.М. Комплексное исследование динамики акустических возмущений, генерируемых низкопороговым коллективным оптическим разрядом //ЖТФ. 1987. Т. 57. Вып. 12. С. 2314-2323.

105. ИЗ. Королев И.Я., Самохвалов А.В., Сорокин Ю.М. Спектральная акустическая диагностика коллективного оптического разряда // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 1.С. 73-80.

106. Сорокин Ю.М. Оптимизация пороговых условий коллективного оптического разряда // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 8. С. 36-43.

107. Бочкарев Н.Н., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Экспресс-диагностика канала распространения мощного лазерного излучения в атмосфере // Сборник трудов 15 сессии Российского акустического общества. Нижний Новгород. 2004. Т. 2. С. 121-126.

108. Bochkarev N.N., Kabanov А.М., Pogodaev V.A. Atmospheric optoacoustics of power parameters of a high-power laser beam // Proceedings of SPIE. 2004. V. 5743. P. 187-193.

109. Бочкарев H.H., Кабанов A.M., Погодаев B.A. Оптоакустика канала распространения мощного лазерного излучения в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. №9. С. 816-821.

110. Zemlyanov А.А., Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Generation of acoustic pulses on the natural centers of absorption with propagation C02-laser radiation on atmospheric paths // Proceedings of SPIE. 2000. V. 4341. P. 202-209.

111. Бочкарев H.H., Землянов А.А., Кабанов A.M., Погодаев B.A. Акустическая диагностика очагов пробоя в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 12. С. 1141-1144.

112. Zemlyanov A.A., Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Laser spark in the task lightning control // Proceedings of SPIE. 2002. V. 4678. P. 190-194.

113. Bochkarev N.N., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Acoustic method in the forecast of efficiency of transportation of powerful laser radiation in an atmosphere // Proceedings of SPIE. 2003. V. 5396. P. 183-190.

114. Мицель А.А., Пономарев Ю.Н. Оптические модели молекулярной атмосферы. Новосибирск: Наука, 1988. 201 с.

115. Блаховская Т.В., Мицель А.А. Инженерная методика оценки характеристикмолекулярного поглощения в области 10,6 мкм // Распространение лазерного излучения в поглощающей свет среде. Томск: ИОА СО АН СССР, 1982. С. 67-80.

116. Розенберг Г.В., Георгиевский Ю.С., Капустин В.Н. и др. Субмикронная фракция аэрозоля и поглощение света в окне прозрачности 8-12 мкм // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. № 11. С. 1185-1192.

117. Бочкарев Н.Н., Землянов А.А., Красненко Н.П., Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Акустический отклик аэрозольной среды при импульсном оптическом воздействии // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. Вып. 1. С. 25-29.

118. Бочкарев Н.Н., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов A.M., Красненко Н.П. Режимы генерации звука жидкокапельным аэрозолем различного типа под действием лазерного излучения // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 10. С. 111-112.

119. Бочкарев Н.Н., Землянов А.А., Кабанов A.M. Исследование амплитудных и временных характеристик акустического отклика от взрывающихся аэрозольных частиц // Российская аэрозольная конференция. Тезисы докладов. Москва. 1993. С. 67-70.

120. Бочкарев Н.Н., Землянов А.А., Кабанов A.M. Акустический отклик взрывного вскипания аэрозольных частиц при воздействии импульсным лазерным излучением

121. Известия ВУЗов Физика, 1993. 12 с. Деп. в ВИНИТИ, Р28-89-В93.

122. Бочкарев Н.Н., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Временные характеристики акустического сигнала, генерируемого малым объемом жидкости в мощном световом поле // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 9. С. 1233-1235.

123. Бочкарев Н.Н., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Влияние режима тепловой нелинейности на форму генерируемого акустического импульса // 4-й Симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Тезисы докладов. Томск. 1997.

124. Бочкарев Н.Н., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Оперативная оценка ослабления мощного излучения импульсного СОг-лазера на приземных атмосферных трассах // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 7. С. 700-707.

125. Bochkarev N.N., Zemlyanov А.А., Geints Yu.E., Kabanov A.M., Pogodaev V.A. Propagation of high power laser radiation in atmospheric under cloud layer // International Forum on «Advanced high power laser and application. AHPLA'99». Osaka. Japan. 1999.

126. Proceedings of SPIE. Vol. 3885 409)).

127. Бочкарев H.H., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Исследование динамики объема аэрозольных частиц, облучаемых лазерным импульсом, по временным характеристикам акустического отклика // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 487-491.

128. Погодаев В.А., Рождественский А.Е. Ультразвуковой генератор аэрозольных частиц // II Совещание по атмосферной оптике. Тезисы докладов. Томск: ТФ СО РАН, 1983. Ч. IV. С. 7-9.

129. А. с. 1672811. МКИ: G 01 N 15/02. Способ измерения объемной концентрации аэрозольных частиц / Землянов А.А., Гейнц Ю.Э., Кабанов A.M., Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Погодаев В.А., Рождественкий А.Е. Опубл. в БИ. 1991. № 31.

130. Kabanov A.M., Bochkariov N.N., Pogodaev V.A. Acoustic method of the forecast of influence of a condition of an atmosphere on efficiency of formation extended // VI International conference Atomic and Molecular Pulsed Lasers. Tomsk, 2003. P. 75-76.

131. Броуд Г. Расчеты взрывов на ЭВМ (Газодинамика взрывов). М.: Мир, 1976. 172 с.

132. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1967.

133. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М.: Наука, 1976. 253 с.

134. Delany М.Е. Sound propagation in the atmosphere: a historical review // Acustica. 1977. V. 38. P. 201-223.

135. Brown E.H., Hell F.F. Advance in atmospheric acoustics // Rev. of Geoph. and Space Ph. 1978. V. 16.№ LP. 1-78.

136. Piercy J.E., Embleton T.F.W., Sutherland L.C. Review of noise propagation in the atmosphere//J.A.S.A. 1977. V. 61. № 6. P. 1403-1418.

137. Бочкарев H.H., Красненко Н.П. Особенности приземного распространения звуковых волн // Известия ВУЗов. Физика, 1986. 82 с. Деп. в ВИНИТИ, № 501-В86.

138. Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Влияние подстилающей поверхности на приземное распространение звуковой волны // Оптика атмосферы. 1995. Т. 8. № 10. С. 15171526.

139. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Приземное распространение звуковых волн в атмосфере // Материалы 8 Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. 1986. Ч. 2. С. 276-288.

140. Bass Е.Н., Sutherland L.C., Piercy J., Evans L. Absorption of sound by the atmosphere // Phys. Acoustics: Princ. And meth. Orlando e.a. 1984. V. 17. P. 145-232.

141. Красненко Н.П., Одинцов С.Л. Анализ коэффициента поглощения звука в воздухе // Препринт № 16. Томск: ИОА СО АН СССР. 1984. 33 с.

142. Surridge A.D. Frequency of an acoustic wave train due atmospheric absorption // Acustica. 1980. V. 44. №3. P. 207-211.

143. Стретт Д.В. Теория звука. M.- Л.: ОГИЗ, 1944. Т. 1 504 с. Т. 2 - 476 с.

144. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 348 с.

145. Боровой А.Г., Съедин В.Я, Шаманаева Л.Г. Рассеяние звука на жесткой неподвижной сфере произвольного радиуса // Препринт № 7. Томск: ИОА СО АН СССР, 1975.24 с.

146. Ingard U. Review of the influence of meteorological conditions of sound propagation // J.A.S.A. 1953. V. 25. № 3. P. 405-411.

147. Parkin P.H., Scholes W.E. Air-to-ground propagation // J.A.S.A. 1954. V. 26. № 4. P.1021-1023.

148. Parkin P.H., Scholes W.E. The horizontal propagation of sound from a jet engine close to the ground, at radlett // J. Sound Vib. 1964. № 1. P. 1-13.

149. Parkin P.H., Scholes W.E. The horizontal propagation of sound from a jet engine close to the ground, at hatfield // J. Sound Vib. 1965. № 2. P. 353-374.

150. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехтеориздат, 1953. С. 335-338.

151. Pao S.F., Evans L.B. Sound attenuation over simulated ground cover // J.A.S.A. 1971. V. 49. №4. P. 1069-1075.

152. Rudnic I. The propagation of an acoustic wave along a boundary // J.A.S.A. 1947. V.19. № 2. P. 348-356.

153. Пакерис К. Теория распространения звука в мелкой воде // Распространение звука в океане. Сборник статей. М.: Изд. иностранной литературы, 1951. С. 48-156.

154. Каваи Т. Влияние земной поверхности на распространение звукового шума и модель ее импеданса. М.: ВЦП, № Е-06885. Пер. с яп. 1983.

155. Thomasson S.I. Sound propagation above a layer with a large refraction index // J.A.S.A. 1977. V. 61. № 3. P. 659-674.

156. Chessell C.I. Propagation of noise along a finite impedance boundary // J.A.S.A. 1977. V. 62. № 4. P. 825-834.

157. Ingard U. On the reflection of a spherical sound wave from an infinite plane // J.A.S.A. 1951. V. 23. №3. P. 329-335.

158. Habault D. Sound propagation over ground: analytical approximations and experimental results // J. Sound Vib. 1981. V.19. № 4. P. 551-560.

159. Lewhead R. В., Rudnick I. Acoustic wave propagation along a constant normal impedance boundary // J.A.S.A. 1951. V. 23. № 5. P. 546-549.

160. Tomasson S.I. A powerful asymptotic solution for sound propagation above an impedance boundary // Acustica. 1980. V. 45. P. 121-125.

161. Chien C.F., Soroka W.W. A note on the calculation of sound propagation along an impedance boundary // J. Sound Vib. 1980. V. 62. P. 340-343.

162. Daigle G.A. Effects of atmospheric turbulence on the interference of sound waves above afinite impedance boundary // J.A.S.A. 1979. V. 65. № 1. P. 45-49.

163. Wensel A.R. Propagation of waves along an impedance boundary // J.A.S.A. 1974. V. 55. P. 956-963.

164. Donato R.J. Propagation of a spherical waves near the plane boundary with complex impedance // J.A.S.A. 1976. V. 60. № 1. P. 34-39.

165. Embleton T.F.W., Piercy J.E., Olson N. Outdoor propagation over ground of finite impedance // J.A.S.A. 1976. V. 59. № 2. P. 267-277.

166. Piercy J.E. Near-horisontal propagation of sound over grass-land // J.A.S.A. 1976. V. 60. S2 (A).

167. Morse P.M., Ingard V. Theoretical acoustics. New York. 1968. 252 p.

168. Delany M.E., BasleyE.N. Acoustical properties of fibrous absorbent materials // Appl. acoust. 1970. №3. P. 105-116.

169. Справочник по технической акустике / Под редакцией Хекла М., Мюллера X. А. Ленинград: Судостроение, 1980. 439 с.

170. Leonard R. W. Simplified flow resistance measurements // J.A.S.A. 1946. V. 17. № 3. P. 240-241.Ф

171. Bolen L.N., Bass H.E. Effect of ground cover on the propagation of sound through the atmosphere // J.A.S.A. 1981. V. 69. № 4. P. 950-954.

172. Yasushi M. Application of the synchronized correlation method to the measurement of sound propagation over a ground surface // J.A.S.A. 1980. V.l. № 3. P.157-166.

173. Garcin Philippe. La caracterisation acoustique des sols naturels: une action concertee menee par quarte laboratories francais pour le conipte du Ministere de I'Enviroment // Rev. acoust. 1984. V. 17. № 10. P. 163-174.

174. Dickinson P.J., Doak P.E. Measurements of the normal acoustic impedance of ground surface // J. Sound Vib. 1970. № 13. P. 309-322.Щ

175. Jonasson H.G. Sound rediction by barriers on the ground // J. Sound Vib. 1972. № 22. P. 113-126.

176. Embleton T.F.W., Thiessen G.J., Piercy J.E. Propagation in an inversion and reflections at the ground //J.A.S.A. 1976. V. 59. № 2. P. 278-282.

177. Осташев B.E. Теория распространения звука в неоднородной движущейся среде // Изв. АН СССР. ФАО. 1985. Т. 21. № 4. С. 358-373.

178. Winer F. М., Keast D. N. Experimental stady of the propagation of sound over ground // J.A.S.A. 1959. V. 31. № 6. P. 724-734.

179. Осаму Ф., Коити Т., Кодзо X., Такео Я. Влияние вертикального распределения скорости ветра и температуры на распределение звука. М.: ВЦП, № В-64627. Пер. с яп. 1981.

180. Brown Е.Н., Clifford S.F. On the attenuation of sound by turbulence // J.A.S.A. 1976. V. 60. № 4. P. 788-794.

181. Aubry M., Baudin F., Weill A., Raiteau P. Measurement of the total attenuation of acoustic waves in the turbulent atmosphere // J. Geophys. Res. 1974. V.36. P. 5598-5606.

182. Aylor D. Noise reduction by vegetation and ground // J.A.S.A. 1972. V.51. № 1. P. 2-8.

183. Aylor D. Sound transmissions through vegetation in relation to leaf are density, leaf width and breadth of camery. // J.A.S.A. 1972. V.51. № 1. P. 411-414.

184. Красильников В.А. О распространении звука в турбулентной атмосфере // Докл. АН СССР. 1945. Т. 47. № 7. С. 86-89.

185. Обухов A.M. О влиянии слабых неоднородностей атмосферы на распространение звука и света//Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1953. № 2. С. 155-165.

186. Татарский В.И. Теория флуктуационных явлений при распространении волн в турбулентной атмосфере. М.: Изд. АН СССР. 1959.

187. Сучков Б.А. Флуктуации амплитуды звука в турбулентной среде // Акуст. журн. 1958. Т. 4. № 1.С. 85-91.

188. Голицын Г.С., Гурвич А.С., Татарский В.И. Исследование частотных спектров флуктуаций амплитуды и разности фаз звуковых волн в турбулентной атмосфере // Акуст. журн. 1960. Т. 6. № 2. С.187-197.

189. Brownlee L.R. Rytov's method and large fluctuations // J.A.S.A. 1971. V. 50. № 1. P. 156161.

190. Embleton T.F.W., Olson N., Piersy J.E., Rollin D. Fluctuations in the propagation of sound near the ground // J.A.S.A. 1974. V. 55. № 2. P. 485-491.

191. Wensel A.R., Keller J.B. Propagation of acoustic waves in a turbulent medium // J.A.S.A. 1971. V. 50. №4. P. 911-920.

192. Wensel A.R. Propagation speed and attenuation coefficient for plane coherent acoustic waves in a turbulent medium // J.A.S.A. 1972. V. 51. № 4. P. 1683-1687.

193. Daigle G.A., Piersy J.E., Embleton T.F.W. Line-of-sight propagation through atmospheric turbulence near ground // J.A.S.A. 1983. V. 74. № 5. P. 1505-1513.

194. Бочкарев H.H., Красненко Н.П. Уширение частотного спектра акустическох сигналов в атмосфере // Известия ВУЗов. Физика, 1984. 29 с. Деп в ВИНИТИ, № 4000-84.

195. Brown Е.Н., Clifford S.F. Spectral broadehigh of an acoustic pulse propagation through turbulence// J.A.S.A. 1973. V. 54. № 1. P. 36-39.

196. A. c. 1135318. МКИ: G 01 W 1/00. Способ определения внешнего масштаба турбулентности в атмосфере / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Опубл. в БИ. 1985. № 2.

197. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Муравский В.П., Шелепков А.А. Экспериментальное исследование распространения звука над поверхностью земли // 7 Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1982. Ч. 2. С. 145-148.

198. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Муравский В.П., Шелепков А.А. Экспериментальное исследование ослабления приземной звуковой волны // Акустический журнал. 1984. Т. 30. № 2. С. 171-176.

199. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Флуктуации уровня приземной звуковой волны // Материалы 8 Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. 1986. Ч. 2. С. 304-308.

200. Машкова Г.Б. О профилях температуры воздуха и ветра в нижней части пограничного слоя атмосферы // Тр. ИПГ. Пограничный слой атмосферы. JI.: Гидрометеоиздат. 1965. Вып. 2. С. 45-55.

201. Абрамов Н.Г., Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Учет турбулентности атмосферы при расчете ослабления звука за счет поверхности земли // Материалы 8 Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. 1986. Ч. 2. С. 309-312.

202. Миронов B.JI. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. Новосибирск: Наука. 1981. 246 с.

203. Абрамов Н.Г. Флуктуации интенсивности звуковой волны, распространяющейся вдоль земли // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере. Томск: ТФ СО АН СССР. 1988. С.97-100.

204. Бочкарев Н.Н. Флуктуации амплитуды звуковой волны при распространении над земной поверхностью в атмосфере // 7-й Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Тезисы докладов. 2000. С. 62.

205. Бочкарев Н.Н., Краененко Н.П., Муравекий В.П. Дистанционное зондирование свойств подстилающей поверхности звуковыми волнами // 14 Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. Ленинград. 1984. Ч. 2. С. 221-223.

206. Борьба с шумом на производстве. Справочник / Под общей редакцией Юдина Е.Я. М.: Машиностроение, 1985. 399 с.

207. Техника проводного вещания и звукоусиления / Под редакцией Бумака В.Б., Ефимова А.П. М.: Радио и связь, 1985. 288 с.

208. Литтл К.Г. Акустичекие методы зондирования нижней, атмосферы // ТИИЭР. 1969. Т. 57. № 4. С. 222-230.

209. Краененко Н.П., Одинцов С.Л. Внешние шумы при акустическом зондировании атмосферы // 4 Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. Томск. ИОА СО АН СССР. 1976. С. 229-231.

210. Hell F.F., Wescott J.W., Simmons W.R. Acoustic echo sounding of atmosphere thermal and wind structure // Proc. Seventh. Int. Symp. on Remote Sensing of the Environment. Univ. of Michigan. 1971. V. 1. P. 1715-1732.

211. Краененко Н.П., Одинцов С.Л. Модель спектра внешних шумов для целей акустического зондирования атмосферы // Акустический журнал. 1979. Т. 25. № 5. С. 749-753.

212. Бочкарев Н.Н., Краененко Н.П. Влияние высотного распределения уровня внешнего на возможности акустического зондирования // 8 Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. Тезисы докладов. Томск. 1984. Ч. 2. С. 147-150.

213. Метеорологический акустический локатор МАЛ-2. Проспект Внешторгиздат. Изд. № 6027Н. 1984.

214. Люк Ю. Специальные математические функции и их аппроксимации. М.: Мир, 1980. 608 с.

215. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абрамовица и И. Стиган. М.: Наука, 1979. 830 с.

216. Патрушев Г .Я., Ростов А.П. Анизотропия временных спектров флуктуаций амплитуды звуковой волны при распространении над земной поверхностью в турбулентной атмосфере // Акустический журнал. 1996. Т.42. № 1. С. 88-90.

217. Монастырный Е.А., Патрушев Г.Я., Покасов В.В. Экспериментальное исследование влияния флуктуаций ветра на временные характеристики световой волны // Радиотехника и электроника. 1986. Т. 31. № 1. С. 14-19.

218. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343с.

219. Байкалова Р.А., Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Турбулентное ослабление звуковой волны при приземном распространении // Оптика атмосферы. 1992. Т. 5. № 7. С. 782784.

220. Бочкарев H.H., Красненко Н.П. Влияние подстилающей поверхности на работу акустического локатора // 7 Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. 1982. Ч. 2. С. 153-155.

221. Бочкарев Н.Н. Экспериментальное исследование статистических характеристик флуктуаций звукового давления на приземных трассах // Известия ВУЗов. Физика, 1996. 16 с. Деп. в ВИНИТИ, № 93-В96.

222. Абрамов Н.Г., Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Фомичев А.А. Дальнее распространение звуковых волн на атмосферных приземных трассах // Тезисы второго межотраслевого акустического семинара «Модели, алгоритмы, принятиерешений». Москва. 1988. С. 21.

223. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Особенности статистических характеристик флуктуаций уровня звука на коротких атмосферных трассах // Тезисы второго межотраслевого акустического семинара «Модели, алгоритмы, принятие решений». Москва. 1988. С. 22.

224. Бочкарев Н.Н., Клочков В.А., Красненко Н.П., Фомичев А.А. Мощная акустическая решетка для атмосферных исследований // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере: Сборник статей. Томск: Изд-во ТФ СО АН СССР. 1988. С. 101104.

225. Бочкарев Н.Н. Распространение мощного звукового пучка на короткой трассе в атмосфере: численное решение, эксперимент// Акустический журнал. 1996. Т. 42. № 5. С. 706-707.

226. Бочкарев Н.Н., Коняев П.А. Численное решение нелинейного уравнения звукового пучка в атмосфере // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. № 6. С. 668-670.

227. Бочкарев Н.Н. Оптимизация мощных рупорных излучателей звука // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 8. С. 1137-1140.

228. Bochkarev N.N., Zemlyanov A.A., Zuev V.E., Konyaev P.A., Lukin V.P. Investigation ofthe power acoustic beam propagation through the atmosphere // 14 International Congress on Acoustics. Beijing. China. 1993.

229. Способ вибрационных испытаний пролетных строений мостовых конструкций: Пат. 2140626. Россия. МКИ: 6 G 01 М 7/02. Бочкарев Н.Н., Картопольцев А.В. Опубл. 27.10.99. Бюл. № 30.

230. А. с. 1105847 СССР, МКИ: G 01 W 1/00. Способ акустического зондирования атмосферы / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Опубл. в БИ. 1984. № 28.

231. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Нетреба П.И., Тоболкин А.С. Плазменный излучатель звука в задачах атмосферной акустики // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере. Сборник статей. Томск: Изд-во ТФ СО АН СССР. 1988. С. 93-96.

232. Бочкарев Н.Н. Высотное распределение акустического шума в атмосфере // Известия ВУЗов. Физика. 1995. 13 с. Деп. в ВИНИТИ, № 397-В95.

233. Отчет по НИР в рамках Федеральной целевой программы «Экологическая безопасность России». «Разработка алгоритма прогноза распространения авиационного шума в атмосфере». Научн. рук. Бочкарев Н. Н. Томск. 1994. 38 с.

234. Отчет по НИР «Оптимизация параметров мощного акустического излучателя». Научн. рук. Бочкарев Н.Н. ТГЦ НТТМ «Поиск». Томск. 1988. 56 с.

235. А. с. 1083143 СССР, МКИ: G 01 W 1/00. Способ определения температуры атмосферы / Богушевич А.Я., Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Опубл. в БИ. 1984. № 12.

236. А. с. 1494744 СССР, МКИ: G 01 W 1/00. Способ приема акустических сигналов в атмосфере / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Опубл. в БИ. 1989.

237. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра // Матвиенко Г.Г., Задде Т.О., Фердинандов Э.С. и др. Новосибирск: Наука, 1985. 223с.

238. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука,1975. 287 с.

239. Гурбатов С.Н., Малахов А.Н., Саичев А.И. Нелинейные случайные волны в средах без дисперсии. М.: Наука, 1990. 215 с.

240. Parry H.D., Sanders M.J., Jensen Н.Р. Operational applications of a pure acoustic Sounding System // J. Appl. Meteor. 1975. V. 14. № 1. P. 67 77.

241. Каллистратова M.A., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука, 1985. 197с.

242. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978. 447 с.

243. Коняев П.А., Лукин В.П. Тепловые искажения фокусированных лазерных пучков в атмосфере // Изв. ВУЗов СССР. Физика. 1983. № 2. С. 79.

244. Скучик Е. Основы акустики. М: Мир, 1976. Т. 1 520 с. Т. 2 - 542 с.

245. Rairoux P., Schilinger M., Niedermeier S., Rodriges M., Ronneberger F., Sauerbrey R., Stein В., Waite D., Wedeking C., Wille H., Woste L., Ziener C. Remote sensing of atmosphere using ultrashot laser pulses // Appl. Phus. B. 2000. V. 71. P. 573-580.

246. Список основных сокращений и обозначений1. Сокращения1. АВ акустические волны.

247. АКФ автокорреляционная функция.

248. АПС атмосферный пограничный слой.

249. АЦП аналого-цифровой преобразователь.

250. БПФ быстрое преобразование Фурье.1. ВЧ высокочастотный.

251. ДЛИ длинная лазерная искра.

252. КОР коллективный оптический разряд.

253. МЛИ мощное лазерное излучение.

254. МЛП мощный лазерный пучок.1. НЧ низкочастотный.1. OA оптико-акустический.1. ПВО паровоздушный ореол.

255. ПЭС программно-экспертная система.1. ОП очаг пробоя.1. Обозначения

256. Ф потенциал акустического поля. Q - пористость грунта.угол отражения, отсчитываемый от отражающей поверхности. % - угол полного внутреннего отражения. а - коэффициент поглощения акустических волн. а00 - коэффициент поглощения лазерного излучения.

257. Р объемный коэффициент теплового расширения.

258. CFj дисперсия температуры.а2 дисперсия скорости ветра. X - длительность акустического импульса. Твз - время взрыва аэрозольной частицы.

259. Х3 временная задержка между моментом посылки лазерного импульса и приемом OAсигнала.

260. Тл длительность лазерного импульса.

261. Тф длительность переднего фронта фазы сжатия в акустическом импульсе.

262. Tt время термализации (переход поглощенной энергии лазерного излучения в тепло).

263. Т+ длительность фазы сжатия в акустическом импульсе.т длительность фазы разрежения в акустическом импульсе.

264. СО р — численное расстояние.

265. C0j(v) спектральная плотность флуктуации уровня звука. а - радиус частицы аэрозоля. ал -радиус лазерного пучка.

266. Ь (г) коэффициент корреляции флуктуации уровня звука.

267. Сдг структурная характеристика флуктуаций показателя преломления звуковых волн.

268. Сj структурная характеристика флуктуации температуры.

269. С2 структурная характеристика флуктуаций скорости ветра.

270. Cq скорость звука в воздухе.

271. Ср скорость звука в грунте.сор- скорость света.ср удельная теплоемкость.

272. В безразмерный параметр дифракции АВ. D - диаметр излучателя. d - длина трассы распространения звука, м.don диаметр ОП.

273. Еч плотность энергии лазерного импульса. Елп - полная энергия лазерного импульса. F - коэффициент поверхностных потерь. f - частота звуковой волны, Гц. со = 2я/~.

274. Zq внешний масштаб турбулентности.1. ослабление на гидрометеорах, дБ.1.on дополнительное ослабление, дБ.-ослабление за счет подстилающей поверхности, дБ. L- классическое и молекулярное поглощение, дБ. Lp ослабление растительным покровом, дБ.

275. Ьрв рефракционное ослабление за счет влияния скорости ветра, дБ.1.m- рефракционное ослабление за счет влияния температуры, дБ.

276. Ьсф сферическая расходимость, дБ.1. турбулентное ослабление, дБ.0 внутренний масштаб турбулентности атмосферы.

277. М безразмерный параметр диссипации АВ.1. Мп число Маха.

278. П/ массовая концентрация аэрозольных частиц, г/см3. N — безразмерный параметр нелинейности АВ.

279. Nm концентрация аэрозольных частиц, больших некоторого размера.

280. Nn полная концентрация аэрозольных частиц, см"3. п - показатель преломления среды. Р - акустическое давление, Па. Ра -атмосферное давление, атм. Pq = 1 атм.

281. Р+ -амплитуда фазы сжатия в акустическом импульсе.

282. Р -амплитуда фазы разрежения в акустическом импульсе.qa водность аэрозоля.1. Ri число Ричардсона.

283. Rp коэффициент отражения по звуковому давлению. г - расстояние от оси лазерного пучка до О А-приемника. г0 - радиус излучателя звука.rj расстояние от источника до приемника звука.г2 расстояние от мнимого источника до приемника звука.

284. Т температура в °К. Т0 = 273,15 °С.

285. W электрическая мощность. WaK- акустическая энергия.

286. W4 мощность лазерного импульса.

287. Хвз степень испарения аэрозольных частиц.

288. Z| акустический импеданс воздуха.z2 акустический импеданс грунта.