Флуктуация интенсивности лазерного пучка при распространении в атмосферных осадках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ТОШИЙ (Рдаюи ШПБРЫИСЙ РДОЛЩШ Л ТРУДоШГО КРАСНОГО ЗИАНцйИ ГССУДАРСГЫМЛ У^ШаРиГГЛ1 им. Ь.1].ШЕиш1Л

На правах рукописи

уда 621.¿75.;£51.Ь7И.4

1ХУК03 АМАТОЛ!"! 4СМ11Ч

'УШАЦ1Ш ШШЛСИЫк Ш • Л/ик?НиГ0 пула. Ш ¿^Ай 1 РОСТР АН ¿И а! 1 а кШЛЪвРШ С САДЖАХ (специальность 0I.G4.GiT- оптика1

А В Т О Р Ф Ь' Р А Т

диссертации ¡'.а сскок&иие учено л степени кандидата <|.изико-матенй'г-;.ческ!1х чьук

Тонек - 1292

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Ньучнкр, руководитель: член-корреспондент РАН,

профессор М.В.Кабг-нов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор И.3.Самохвалов

Кандидат фи:?ико-махематичнских наук Ю.А.Ихалагов

Ведущая организация: Сибирский физико-технический институт

Защита диссертации состоится "¿-Я1 _1992г.

с__^^ час. ^О мня, на заседании специализированного Совет.

К.(63.53.03 по защите диссертаций ив соискание ученой степени кандидата физике.-математических наук в ^омском орденов Октябрьской революции а Трудового'Красного знамени государственном Университета им. В.В.Куйбышева (631010, Томск, пр.Ленина, 36, главный корпус, ауд.Гоб).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке университета.

Автореферат

разослан " 1992г.

Учений секретарь специализированного

совета, к.ф.-и.н. 'Н я ' Г.М.Дейкова

СЬ'Ю^Н!

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность теш. Настоящая диссертация посвящена экспери-[ентальноиу исследованию статистических характеристик флуктуаций нтенсивности лазерных пучков, распространяющихся в приземном слое тмосферы во время выпадения осадков.

Актуальность темы определяется тем, что несмотря на потребно-ти практики в использовании лазерных систем в условиях реальной тиосферы, в тем числе при выпадении осадксЕ, в научной литерату-е отсутствовали достаточно надежные и сколько-нибудь полные эк- ■ перименталькые данные по влиянию осадков на флуктуационные харак-еристики лазерного сигнала. С целью оценки максимального действия тмосферы на принимаемый сигнал в работе изучаются характеристики луктуаций интенсивности лазерные пучков т.е. прием излучения про-одится приемником малого размера.

Состояние вопроса. Характерно, что экспериментальные и теоре-ические работы по обсуждаемому вопросу проводились одновременно, эаимно обогащая друг друга. 3 начале в работах Йокота Кэньэти и га Коити; Кабанова и ахалагова было установлено, что флуктуации ттическо1 о излучения, распространяющегося в•атмосферных осадках, э своим характеристикам и своей природе во многом отличаются от аковых в.турбулентной аэрозольной атмосфере. Затем в работе Гур-лча и Покасова было показано, что спектр флуктуаций интенсивно-ги лазерного излучения в слабом моросящем дожде имеет низкоча-готный (турбулентный) и высокочастотный (гидрометеорный) максиму-

Все это вместе с требованиями практики послужило стимулом к 1зработке принципиальных основ теории флуктуаций лазерного излу-;ния в осадках, которая учитывала бы совокупное действие частиц :едков и турбулентности атмосферы. Теоретический базой здесь побили подходы хорошо развитые как для чисто турбулентной атмо-[еры, так и чисто рассеивающей среды. Исследования Борового, шга, Исимару, Крутикова, Лукина, Рогачевского, ТузоноЯ позволили таественно продышуться в этом вопросе и получить некоторые кон-)етные данные о флуктуациях интенсивности для чисто рассеивающей )еды, которые частично подтверждены в измерениях в дождях (Ванг др.; Горячев и др.; Патрушев и Петров). Насколько эти реэульта-применимы для твердых осадков {снег, град, крупа и др.), форма стиц которых сильно отличается от сферы, теоретически не г.ссле-вано, а эксперименты в этих осадках до сих пор весьма калечие-

ленны.

Влияние турбулентной аэрозольной атмосферы (без осадков) на лазерный пучок хорошо изучено и его можно определить при известных характеристиках пучка и турбулентности атмосферы. Однако последние в осадках обычно не известны и оа^ не удается сделать. Более того, до сих пор отсутствуют методики измерения характеристик турбулентности в осадках. Кроме того, теория предсказывает существование влияния параметров лазерного пучка и микрофизических характеристик частиц на-статистику флуктуаций, но эта важнейшая часть задачи для лазерных пучков фактически совсем экспериментально не исследована.

Целью диссертационной' работы является экспериментальное исследование статистических характеристик флуктуаций интенсивности лазерного пучка на приземных трассах в снегопаде и дожде в зависимости от параметров пучка и атмосферных условий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые экспериментально получены статистические характеристики флуктуаций интенсивности на приземных трассах длиной до двух километров во время выпадения снега.

2. предложены новые способы и технические решения для измерения характеристик атмосферы во время выпадения осадков.

■Достоверность результатов работы обеспечивается:

- использованием при формулировании основных выводов большого набора экспериментальных данных; ••

- качественным соответствием результатов эксперимента с теоретическими расчетами-и экспериментами других авторов.

Научное и практическое значение результатов работы. Полученные в диссертации результаты позволяют провести-проверку соответствующих теоретических работ. Они могут быть использованы для оценки атмосферных помех во всепогодных лазерных системах, а также при разработке устройств для оперативного контроля состояния атмосферы. „

Основные защищаемые положения;

1. В узком расходящемся пучке при выпадении снега уровень, флуктуаций интенсивности ( б^ ) с увеличением оптической толщи (?) вначале растет, а затем стремится к величине (б^ ), зависящей е>т максимального размера частиц ( • ИриТ= 0.6 + 4.0 уровень флуктуация описывается зависимостью ^ = @н[1 - ехр (-2 , где СГН = 0,9 при = 3-5 км и <ГН = 0,75 при = 1-3 мм.

2. ири слабых флуктуациях в снегопаде гидрометеорный вклад

( 6с ) в дисперсию флуктуаций интенсивности уменьшается, а турбулентный" вклад увеличивается с усилением фокусировки пучка р плоскость приема. Гидрометеорный-вклад также уменьшается при уменьшении дифракционногр параметра пучка ( Л )• При оптической толще

Т = 0,4 *0,5, максимальном размере частиц0,5 см и Л = = 2,4 + 30 гидрометеорный вклад описывается зависимостью >= --0.07 +0.37 .

3. Частота гидрометеорного максимума во врбменном спектре флуктуаций интенсивности варьирует от 0.1 до 1.6 кГц и определяется отношением скорости движения частиц к их характерному размеру. Высокочастотный участок нормированного спектра в дожде, крупе и влажном снеге спадает по степенной ) а в сухом снегопаде - по экспоненциальной ( Ц(^) «= В ехр (-¿^ )) зависимостям.

4. .Существенные различия свойств .флуктуаций интенсивности прямого и рассеянного излучения в осадках и без- них дают возможность определения оптических параметров атмосферы путем измерения характеристик этих флуктуаций, что использовано а зарегистрированных изобретениях.

Использование результатов работы. Приведенные в диссертации • результаты могут быть полезными при разработке оптических систем, работающих в атмосфере, и'лазерной техники, предназначенной для контроля технологических процессов в двухфазных средах. Они могут быть использованы, например, в Институте оптики атмосферы РАИ, в Институте физики атмосферы РАН, Главной геофизической обсерватории и других..

Аппробация работы. Результаты-работы докладывались и обсуждались на П - 1У, У1 Всесоюзных симпозиумах по распространению- лазерного излучения в атмосфере "(Томск, 1973, 1975, 1979, 1977,1981),. на ХП Всесоюзной ь.сн*сре!_ции по распространению радиоволн' (Томск, 1978), на У Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическом/ " зондированию атмосферы (Томск, 1978), на I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (Томск, 1975),на П Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения ^-дисперсной среде (Обнинск,1981 У, на XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1991), а текже на научных семинарах Института оптики атмосферы РАН (Томск).

б

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литерату ры. Работа содержит 129 страниц машинописного текста. Она иллюстр: роваиа 76 рисунками, представленными на71 странице. В работе шее' ся 17 таблиц. Они занимают 26 страниц. Список используемой литературы содержит 152 наименования.

. П. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБ0Ш

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель, указаны основные результаты, определен личный вкла^ автора при выполнении-!совместных работ и кратко изложено содержание диссертации..

В первой главе описана основная используемая аппаратура, методики обработки и измерений характеристик атмосферы и флуктуаций интенсивности лазерного пучка. В §1.1 проведено описание трасс и блок-схема установки. Исследования распространения лазерного излучения в осадках проводиллсь на трассах длиной 37, 130, 260, 390, 500, 650, ^64, 1310 и 1928 м. Лазерные пучки заданной геометрии (коллишрованные, фокусированные, расходяоиеся) получались с помощью оптических систем, в которых в качестве основного элемента использовались высококачественные объективы.

Источниками-излучения служили гелий-неоновые лазеры (ЛГ-36, ЛГ-38, ЛГН-2Щ, работающие в квазиодяомодовсм режиме на длине волны Л =0.6328 мкм. Прием излучения проводился на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-38). Дня измерения флуктуаций интенсивности перед <КЭУ устанавливалась диафрагма диаметром3 пр = 0.1 или 0.3 мм. Для исследования когерентности излучения,прошедшего трассу 964 м, проводились измерения распределения средней интенсивности в'фокусе приемной линзы, диаметр которой был равен 16 см. Для этого узкая, вертикально установленная перед ЮУ шель перемещалась вместе с 5ЭУ в горизонтальном направлении. Оценка пространственного радиуса когерентности излучения проводилась по значениям полуширины, распределения на его полувысоте. Были также проведены измерения флуктуаций потока излучения, принимаемого этой линзой.

В §1.2 описана аппаратура для измерения характеристик атмосферы. Интенсивность дождя измерялась стандартным плювиографом 11-2, а также специально разработанным лотковым плювиографом с постоянной времени не более Б с. Работа последнего основана па измерении электрического сопротивления воды, протекающей в наклонном лотке. Скорость ветра измерялась стандартной аппаратурой. Градиент тем-

пературы измерялся с помощью медно-константоЕой термопары, спаи которой были рь.несены на расстояния 1.5 м, или специальным электронным устройством. ■■ ■•

Оптическая толща («Г) рассчитывалась по прозрачности атмосферы на длине вслны 0.55 мкм, измеренной регистратором дальности видимости РДВ-3, который работал на трилсе (2"х IC01 к. ¡.¡аксималь-ный размер -частиц снега оценивался визуально после их улавливания на меховую подложку.

В §1.3 приведены основные технические характеристики аппаратуры для измерения статистических характеристик флуктуаций лазерного излучения. Нормированная дисперсия сигнала

<J> рассчитывалась по значениям <¿7- < 1>)г> н ~ <J> ,

которые измерялись специальным ДЕухканальным аналоговым дисперсн-еметром. Символ < > сзначает-усреднение сигнала со ьрэмс-ни. Частотный спектр измерялся в диапазоне 2 Гц - 20 кГц Зв-канальным частотным анализатором параллельного действия типа FSP -80. На ЭВМ вычислялся нормированный спектр флуктуаций Lt(j)~-Ji OJ(-ji j/ Jtet-fi) , где aJi-it 1 - спектральная плотность на ча-

стоте j-i . Корреляционная функция сигнала -измерялась коррелятором Хо-4. Анализатор импульсов АИ-1024 использовался для измерения плотности вероятности флуктуаций сигнала. В §1.4 кратко описана методика измерений, в которой тщательно отслеживались линейный -режим раб-оты аппаратуры и компенсация фоновых засветок. В конце параграфа приведет сведения об объеме выполненных исследований. Измерения провелони'в Ьо случаях выпадения твердых осадков и 17 дождях на 10 трассах при 20 значениях параметра Френеля источника (дифракционный параметр) SI. , где к -■&7Г/Х , ~ эффективный -радиус источника, А - длина трассы.

ii главе li приведены результаты измерения частотного спектра \Lt ( -f )) и временной корреляционной"фикции (S ( / ii флуктуаций интенсивности .[злучения лазерных пучков. В §2.1 проведены кратким обзор теоретических расчетов Lt(J-) и & 1-6) .Б литературе отсутствую, аналитические соотношения для этих характеристик, которые одновременно учитывали бы влияние турбулентности и частиц осадков. Однако имеются простне аналитические соотношения для-дождя в области низких и fhcokh:. «остст. Спектр LLC-}) D области ■н*.зких частот растет пропорционально (йпнг, '1^'зова,--Лукин, ?огачеискг.й\ а в, области вы-.'оких частот спадает по степенной зависимости -/.'Z3 (Лукин, Тузова). Лричем частота

гидрометеорного максимума ( ^п ) в дожде пропорциональна отношению . где О. - средний размер частиц, скорость ее двиненил (Ванг, Исимару, Лукин, Тузова).

В начале параграфа 2.2 с помощью рисунков проиллюстрированы характерные особенности в форме спектра. Изменения во времени формы нормированного спектра 11 (/ ) определяются совместным влиянием частиц осадков и турбулентности атмосферы, которые в свою очередь подвержены сильным вариациям. Это"обуславливает исключи-тельнсе-разн' ;бразие в изменениях формы спектра. Было проанализировано почти 1700 спектров.

В слабых осадках в спектре имеется два хорошо различимых максимума: гидрометгорный (высокочастотный) и турбулентный (низкочастотный). Однако спектр" СС (■£) -между этими максимумами-не спадает до нуля, т.е. не происходит полного разделения по частоте в действии/турбулентности и осадков на флуктуации интенсивнсст;: лазерного пучка:

С ростом оптической толщи (Т ) осадков гидрометеорный максимум растет, в турбулентный уменьшается. Эта особенность сохраняется до тех пор пока в спектре остается один гидрометеорный максимум. При уменьшении Ц изменения в-форме спектра происходят е обратном порядке.

Низкочастотный участок спектра (при ) в слабых осад-

ках сильно изменяется по форме, где - частота'гидрометеорного максимума. Поэтому не удается найти простое аналитическое соотношение, пригодное для точного списания всех деталей в спектрах, измеренных в различных осадках. Во время сильны?: осадков (при наличии одного, гидрометеорного максимума) низкочастотный участок нормированного спектра возрастает по степенной зависимости С1( . ' ■ Высокочастотный участок спектра при в

дожде, крупе и влажном снеге спадает гго степенной зависимости

¿((/) ~ , а в сухом снеге по экспоненциальной зависи-

мости (.1 (4)= А ■ Аё'^^^э . Частота гидрометеорного

максимума в осадках варьирует от 0.125 до 1.6 кГц и определяется конкретными метеоусловиями.

В §2.3 изучена автокорреляционная функция флуктуацкй сигнала. Время корреляции принимаемого сигнала увеличивается с ростом размеров частиц (при близких значениях перпендикулярной скорости ветра) и диаметра приемника. Время корреляции на урогне 0.37 при диаметре приеиниксг-.2> пр = 16,0 см в десять-раз превьлпает греия корреляции при пр = 0.3 ми. При диаметре приемника 0.3 нм оно со-

ставляет миллисекунд. Корреляционная функция не имеет универсальной формы:

В главе Ш приведены исследования дисперсии (уровня) и вероятности флуктуаций интенсивности. . •■

В §3.1 приведен краткий обзор теоретических работ, близких по ^воей сути к исследуемой задаче. Проблема состоит в разработке" приближенных методов решения скалярного волнового уравнения с потенциалом рассеяния, описывающим как случайное-непрерывное поле диэлектрической проницаемости воздуха, так и оптические свойства дискретной среды. При этом неизбежно возникает необходимость учесть влияние взаимного облучения частиц осадков и турбулентных неоднородностей показателя преломления в условиях многократного рассеяния. Это до спх пор не осуществлено. Поэтому пока единственным путем остается построение приближенной теории флуктуаций ъ осадках( з которой были учтены хотя, бы главные особенности в процессе распространения излучения.

Согласно модели Борового' флуктуации в осадках на протяженных трассах, когда турбулентный вклад ( б^? N во флуктуации ,

•и многократном-рассеянии ( ) определяются турбулентностью и

прилегающим к приемнику слоем частиц. По этой модели простом уровень флуктуаций насыщается к некоторой константе, определяемой размером частиц и их концентрацией, а затем уменьшается, когда становится существенным многократное рассеяние. Большинство же расчетов дисперсий флуктуаций в осадках проведено без учета 'аур-. булентности -атмосферы.

В §3.2 приведеньгрезультаты измерения дисперсии (уровня) • флуктуация с ростом оптической толщи и размеров частиц осадков. Вначале проанализированы одновременные измерения дисперсиии в двух пучках разной геометрии в снегопадах на трассе длиной 130 м. Установлено, что дисперсия при оптической толще меньше 0.6 линейно возрастает по зависимости А + лАс

Существенно, что коэффициент л/ в*'узком расходящемся пучке ( $7= 7,5 10"^) варьирует от 0.3 до 0.8 при увеличении максимального размера частиц от 0.1 до 3 см, соответственно. Причем дисперсия флуктуаций в пирокйм коллимириванном пучке (52 = 54) всегда больше, чем в узком расходящемся пучке, а коэффициент, л/ слабее зависит от максимального размера частиц.

. По многочисленным данным на трассах длиной в несколько сот 1'етроп установлено, что уровень флуктуац'.гЯ интенсивности ( 1

в узиом расходящемся пучке в снегопаде вначале растет с увеличением оптической толпш, а затем насылается на некотором значении (б^) зависящем от максимальногсгразмера частиц ( Д, ). При Т" = 0.6 * * 4.0 уровень флуктуации описывается зависимостью <5= 6н СЗ — — е*р (-26*НТ)2 , где б~н -.0.9, когда = 3-5 мм, и <ГН = 0.75, когда 1>т = 1-3 мм. ПриТ?.* флуктуации в основном обусловлены частицами осадков (в спектре И один максимум) Флуктуации существенно увеличиваются в снегопаде пот-время выпадения сплошных хлопьев ( 7)м~ 7 ya.il."В отом случае при <t~<Z " <5 — ■ В единичном случае были проведены измерения в снегопаде при 4 < 7 И Л)т - (I - 3) мм. Флуктуации уменьшались по зависимости $5 = 1.13 - 0.112Т. Насыщение флуктуацкй подтверждается также одновременными измерениями <-?э в одном и том же узком расходящемся пучке на расстоянии 130 и 390 м от-источника. Анализ показывает, что флуктуации в узком расходящемся пучке в снегопадах в отсутствии сплошных хлопьев не превышают максимально возможных флуктуаций в чисто.Ч атмосфере. В этом же пучке на трассе 390м в дожде получена зависимость ^ 0.54 ^ _ Q J + I0J ^ где 3 - интенсивность"-дождя в [\-.и/тс] .

- В коллимированных пучках на .протяженных трассах зависимость дисперстгфлуктуаций при небольших значениях -оптической толщи меняется по форме в зависимости от характера поведения турбулентного вклада { <5ф ). Дисперсия может расти как с уменьшением -

' 2

оптической толщи ( б^ растет), так и с увеличением оптической то лак ( (Гг уменьшается), а также иметь почти нейтральный ход от оптической толщи.

Если же из исключить турбулентный вклад и сузить об- • ласть изменения 7 и Л, , то в снегопаде гидрометеорный вклад ( бр ) в коллимированных пучках уменьшается с 'уменьшением параметра 52 , 'что качественно согласуется с рь зетами Крутикова, Лукина и Тузовсй. .

В§3.3 покатано, что ■ бГв2 = -0.07 + 0.37 '^уЛ , когда Л = = 2.4 * 30^ <Г = 0.5 * 0.6 и 5 мм (без хлопьевЧ Для

оценки <5и <£г считали, что турбулентность и частицы осадков вносят аддитивные вклады в измеренную дисперсию (т.е. +

+ ). Более того использсеалн одновременные измерения спектра СШ) к ^з с учетом того факта, что наличие двух хорошо различимых максимума в спектре в такой-то мере позт.оляст разделить вклад турбулентности и осадков пропорционально площади под соот-

ветствутаей частьп спектральной кривой. Линия раздела вкладов была выбрана при мит...;альнои значении LL Ы) между максимумами.

В §3.4 приведены результаты исследования влияния кривизны ф&зо--вого фронта лазерного пучка на дисперсии флуктуация на трассе 130м при 51 = 54 в области 'слабых флуктуаций. Установлено, что гидро-метеорний склад в снегопаде минимален, когда фокус пучка находится в плоскости приема и растет при смещении его в ту или другу» сторону по трассе от этой плоскости. Турбулентный вклад имеет противоположный ход. Это согласуется с соответствующими теоретическим!: расчетами. *•

В §З.Ь показано, что флуктуации принимаемого потока ( •) сильно уменьшаются г ростом диаметра приемника ( ф ) • В снегопаде на трансе 130 и при 52 = 54 и 2 мм 'Ур- хорсао описывается зависимостью <Гр = 0.08 - 0.04 €п Dnp при С„ 2)пр = = -2.3 + 1.86, 1>пр в [мм].

Осреднявдео действие приемника s этом случае гораздо сильнее, чем с чистой- атмосфере.

Б §3.6 приведены результаты исследования закона распределения вероятностей флуктуаций"интекс.н нести на трассе'длнмой СбЛ и г. узкой рлсходядамся пучке при пладенпи снега. Распределения «лект ассимметричнус форхгу з стерся;' больших значений сигнала. Ас-симметрия усиливается с ростом оптической толщи.-Предсказываемое теорией (Крутиков1) логарифмически-нормальнее распределение в сне-'опаде -не-Быполняется, а отклонения от этого закона типичны для 'амма-распределелкя, кг торсе хсреао списывает большинство экспериментальных распределений при Т > I.

В главе'1У дается объяснение результатов измерений и описаны сэможнне практические применения основных результатов и некоторых спутстяуганх исследований, проведенных автором.

- В §4.1 приведены фрагменты записей сигнала на стетолучевом сциллсгрсфе во время падения одиночной капли через пучок в естест-енкых условиях атмосферы, которые характеризовали форму дифрак-ионноП картины от Капли. В отличие от классической симметричной артины в турбулентной атмосфере она имеет случайный и несимметрична гид. причем степень асимметрии усиливается с ростом турбулент-IX флуктуаций сигнала. В конце параграфа приведены записи сигна-зв в снегопаде при различных диаметрах приемника, которые нагляд-) демонстрируют экранировку частицами снегопада узкого расходящееся пучка у источника.

В §4.2 на ссноье литературных данных о гравитационной скорости ( \х/ 1 для различных размеров частиц снегопада показано, что большие вариации частоты гидрометеорного максимума можно объяснить изменениями, отношения скорости Еетра (или If при безветрии) к размеру частиц. Проведена оценка уелекаемости частиц осадков турбулентными флуктуацкями ветра. Сделан вклад о том, что частицы снега могут совершать случайные отклонения от траектории квази-упорядочекного движения к Земле за время прохождения через пучок диаметром в н колько сантиметров. Более того частицы сухого снега имеют весьма сложную форму. Все это пргодит к другим закономерностям роста и спадания спектра в сухих снегопадах по сравнению с дождем.

Затеи обсуждается пригодность модели флуктуаций Борового для осадков. Основные положения этой модели формально подтверждаются: флуктуации растут, насыщаются, а затем, по-видимему, уменьшаются с ростом оптической толщи. Более того они растут, как предсказывает эта модель, с ростом максимального размера частиц. В конце параграфа дается объяснение различиям в уровне флуктуаций на трассе 130 м при одновременных измерениях в двух лазерных пучках с разной геометрией. Их удается объяснить разными объемами рассеяния, вариациями глубины тени при изменении кривизны фазового фронта и перекрытием пучка как целого у передатчика.

В §4.3 показано, что упирение спектра флуктуаций в осадках можно использовать для определения наличия осадков на трассе. Для этого можно измерять весь спектр или ег.о высокочастотную часть в определенных узких полосах. Если же центральную частоту фильтров варьировать с- учетом средней скорости ветра, то можно уменьшить влияние скорости ветра на работу такого индикатора погоды. Эти возможности составляют основу двух авторских свидетельств на способ измерения, полученных автором.

Были также исследованы статистические характеристики флуктуаций интенсивности прямого рассеянного излучения фокусированного пучка на трассе 130 м в снегопаде. Установлено насыщение флуктуаций с ростом и существенное уширение спектра ( а также уменьшение времени корреляции) флуктуаций по сравнению с флуктуацшши б пределах фокуса пучка. Предложено отмеченные особенности во временных флуктуациях использовать для обнаружения осадков.

Далее кратко описаны два устройства для измерения наклона

траектории движения_частиц осадков, -гкустическое устройство для измерения'размеров капель дождя и силы их удара, а также пя^ь способов для измерения характеристик атмосферы во время выпадения осадков, в основе которых лежат одновременные измерения флуктуация сигнала в дву:: лазерных- пучках с определенными значениями параметров или с разными длинами волн.

В конце параграфа приведены результаты измерения дифракцион-. ной картины в фокусе приемной линзы на трассе 954 м в узком расходящемся пучке в снегопадах, по которой рассчитывался радиус когерентности ( ) лазерного излучения прошедшего через снегопад. Установлено, что при Т = 0.5 * 4.0. величина радиуса когерентности описывается линейной зависимостью С см! = 1-5"- 0.12?". Подтвержден предсказываемый расчетом Тузовой и Мироновым двухмас-штабный характер дифракционной картины. Ухудшение когерентности лазерного излучения в условиях выполненных измерений не больше,чем при самых больших уровнях турбулентности без осадков.

В заключении формируются основные результаты работы. • "

Основные результаты работы.

1. Проведенные исследования показывают, что при распространении лазерного излучения в атмосфере при выпадении осадков суиест- • ве!шы флуктуации интенсивности, вызванные турбулентностью и осадками. Соотношение этих явлений и определяет в конечном счете главные особенности флуктуация. Причем, наиболее существенно турбулентность проявляется при малых значениях оптической толщи осадков, . а с ростом ее турбулентность хотя и играе- некоторую роль, но не является доминирующим фактором и основные особенности флуктуация определяются оптическими свойствами частиц осадков. .

2. Особо ярко эти особенности проявляются в форме спектра-' флуктуация интенсивности. Для. спектра в слабых однородных осадках характерно наличие двух максимумов, но вместе с тем не происходит полного частотного разделения вкладов турбулентности и частиц осадков во флуктусциях интенсивности. С ростом интенсивности осад-сов спектр модифицируется так, что турбулентна (низкочастотный) «аксимуы уменьшается, а гидрометеорный. (высокочастотный) увеличи-?ается. Эта тенденция сохраняется до тех пор пока в спектре остался од!м гксокочастотньй макешум.

Особенности структуры осадков проявляются в положении гидро-:етеорного максп.гума и крутизне спада спектра з области рысгких астот. Что Еместе с'фактом усиренгл спектра в осадках псзвсля'=т етко установить наличие осадков, Имеются нсплох::е перспективы г.

. идентификации также веда осадков.

В целом спектр наглядно демонстрирует уменьшение уровня оптической турбулентности (Сп2 ) с ростом интенсивности осадков, а прямые измерения показывают, что это связано вначале с уменьшением, а затем фактическим исчезновением.вертикального градиента температуры. Особенности в Корреляционной функции, как и следует ожидать, отражают факт уширения спектра и его сложные изменения в процессе выпадения осадков. Время корреляции существенно уменьшается в осадках по сравнению с чистой атмосферой. Более того корреляционная функция не имеет одной универсальной формы.

3. Что касается'дисперсии фдуктуаций, то основным здесь является факт установления областей слабых"и сильных флуктуаций. Этого следовало бы формально ожидать даже при действии одной турбулентности. В случаях ойсуждаемьсс'здесь насыщение в основном обусловлено частицами снегопада, что подтверждается одновершинным спектром и зависимостью уровня флуктуаций от максимального разме-. ра частиц. Так, что предсказываемый'теоретический факт насыщения дисперсии флуктуаций с ростом оптической толщи грубодисперсной среды можно считать установленным (но пока в одном из пучков).

Для оценки турбулентного и гидрометеорного вкладов в области слабых флуктуаций в измеренную дисперсию мы использовали разделения характерных частот (максимумов) в -спектре флуктуаций. Оказалось, что гидрометеорный вклад в снегопаде в сильной мере зависит от исходных параметро-в пучка. Он минимален в'узком коллимирован-ном и фокусированном пучках.

Одновременные измерения в двух пучках с разной геометрией на короткой Трассе при однократном рассеянии дают основания полагать, что физическими причинами флуктуаций ь этих условиях является не только экранировка частицами-друг друга, а также приемника, но и перекрытие частицами узкого пучка у перед :чика и случайная интерференция рассеянных волн в плоскости приема.

4. Закон распределения вероятностей флуктуаций ъ узком расходящемся пучке в снегопаде асимметричен и не имеет универсальной формы. Асимметричность возрастает с. ростом оптической толщи и размеров частиц снегопада. При *Г> I наиболее часто он описывается гамма-распределением.Предсказываемое лог-нормальное распределение не вшолняеюя в случае выпадения снега.-

5. Как итог всему исследоганию. Максимальный у^осень атмосферных шумов в узком лазерном пучке в енегепаде (в отсутствии хлопьев) не превышает максимальные турбулентные шумы без осадков.

Особенности флуктуаций интенсивности лазерных пучков в осадках таковы, что их могчо при необходимости использовать для обнаружения осадков и оценок характеристик атмосферы во время выпадения осадков. Результаты теоретических расчетов флуктуаций интенсивности в грубо,дисперсных средах можно использовать для качественных оценок гидрометеорных флуктуация в атмосферных осадках.

. ОСНОВНЫЙ ПУБЛИКАЦИИ iIO Td.liä ДИСС|£РТАЦ!21

1. Галахов D.H., Ефремов A.B., Нуков A.i., РейнО Ь.В., Цвык Р.Ь. Экспериментальное исследование флуктуаций интенсивности опти- . ческого излучения, распространявдегося в приземном слое атмосферы при осадках. - Изв. АН СССР £Л0, 1976, т. 12, 'Г 12, с.1251 -I2G0.

2. Галахов В.Н., кремов A.B., Кукое А.Ф., Рейно В.З., Цвык Р.Ш. Статистические характеристики флуктуаций интенсивности лазерного излучения при распространении в осадках.- Томск, 197о- • 51 с. (Препринт /Инс. оптики атмосферы; ЕТП.

3. Жуков А.О.,'Цвык P.Li. Флуктуации интенсивности лазерного пучка' в снегопаде. -Изв. АН СССР, ÍAO, i960, т.16, Г2, с.164-171.

4. Вострецов Н.Л., Жуков А.5., Кабанов U.B., Цвык Р.Ш. Статистические характеристики флуктуаций интенсивности лазерного пучка г. снегопаде. - Томск, 1962, с.50 - (Препринт /Инс.оптики атмосферы: rav.

5. Вострецов H.A., Еуков А.5., Кабанов М.В., Цвык P.U. Спектры флуктуация интенсивности лазерных пучков в атмосферных осадках.-Изв. АН СССР, .1984, т.20, IÍ7, с.561-587.

6. Нуков А.О., Кабанов М.В., Цвык Р.Шч Дисперсия флуктуаций интенсивности в лазерных пучках при снегопаде.- Изв. АН СССР *А0,

• 1985; т.21, Г2, с.147-153.

7." Жуков А.Ф.', Лазерный осадкомер.- Деп. ВИНИ1М ),'7558-В87. Деп.-54 с.

8. Жуков А.5., Цви.^ Р.Ш. Некоторые характеристики атмосферных осадков для оценки их влияния на лазерный пучок'. - Деп.ВИНИТИ И672-В37 Де;..~4б с.

9. Нуков А.5?., Цвык Р.Й.,- Вострецов H.A., О влиянии радиуса кривизны фазового фронта на флуктуации интенсивности лазерного пучка в снегопаде. - Оптика атмосферы, 1988, т.1, )Г4, с.30-35.

). -¿Алеков A .F., /Caéanov П У. , Tbvy* R. Sh. ТемрсГоС

-f&tciaa-Aan of Ca 6<u».rn fa dia-fi on ¿/i

a~fm оzjjlte/t'c pre.(¡4pi Jo--f-i<rn . - /¡>р(?. fljxf--,

1968, v27, JT3, р.578-583.

11. Куков А.Ф., Цвык Р.Ш., Вострецов H.A., Усредняющее действие приемной апертуры на флуктуации интенсивности лазерного пучка в снегопаде. - Оптика атмосферы, 1988, т.1, J?5, с.114-115.

12. Жуков АКабанов М.В., Цвык Р.Ш., Вострецов H.A., Кривопа-лов Н.П. Флуктуации интенсивности узкого расходящегося лазерного пучка в снегопаде. - Оптика атмосферы, 1991, т.4, №4, с347-352. .

13. Вострецов Г.А., Жуков А.Ф., Кривопалов Н.П., Цвык Р.Ш. Автокорреляционная функция флуктуаций лазерного излучения при распространении в снегопаде.- Оптика атмосферы, 1991, т.4, J?I0, с .IUI

. -III3.

14. Вострецов H.A., Жуков А.5, Кривопалов Н.П. О распределении средней интенсивности света в фокальной плоскости приемной линзы в снегопаде.- Оптика атмосферы, 1991, т.4, "II, С.П28-1Щ.

15. A.c. 705884 (СССР) Способ определения наличия и вида осадков /Галахов В.Н,, Гурвич A.C., Ефремов A.B., Жуков А.Ф., Покасов В.В., Рейно В.В., Цвык Р.Ш.

16. A.c. 7II837 (СССР) Способ определения внутреннего масштаба турбулентности "ОКуков А.Ф., Лукин И.П., Цвык Р.Ш.

17. A.c. 780676 (СССР) Способ определения характеристик атмосферы /Банах В.А., Жуков А.Ф., Крутиков В.А., Цвык Р.Ш.

18. A.c. 841509 (СССР) Способ определения характеристик атмосферы Дуков А.Ф., Носов В.В.

19. A.c. 882332 (СССР) Способ определения яарактеристик атмосферы /Банах В.А., Жуков А.ф., Крутиков В.А., Носов В.В..,: Цвык Р.Ш.

20. A.c. I2I548I (СССР) Способ определения оптических характеристик . атмосферной'турбулентности и аэрозоля/буков А.Ф., Лукин И.П.,

.Цвык Р.Ш.

21: A.c. 1223735 (СССР) Устройство для измерения скорости падения чаглкц./Годлевский А.П., Жуков А.Ф., Цвык. Р.Ш.

22. A.c. 1305344 (СССР) Спосоо определения оптической толщи осадков Дуков А.Ф., Лукин И.П., Цвык Р.Ш.

23. A.c. 1334967 (СССР) Способ определений характеристик осадков /Ефремов A.B., Куков А.Ф., Рейно В.В., Цвык Р.Ш.

24. A.c. I4C2II7 Устройство для измерения характеристик движения частиц атмосферных осадков /Годлевский А.П., Жуков А.Ф., Цвык Р.С

25. A.c. 1638690. Устройство для измерения частиц атмосферных осадков /Зфремов A.B., Жуков А.5., Цвыл Р.Ш.'

J^hr