Исследование поляризационных характеристик диффузно рассеянного когерентного электромагнитного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ° 0д КиГвський ун!верситет 1м. Тараса Шевчевк?

На правах рукопису * . УДК 535.36, 555.317

Молебна Тетяна Васюпвна

Д0СЛ1ДШЕННЯ П0ЛЯРИЗЛЦ1ИНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИФУЗНО Р03С1ЯН0Г0 КОГЕРЕНТНОГО ЕЛЕКГРОМАГНIТНОГО ВИПР0М1НЮВАННЯ

01.04.03 - рад10ф1зика

АВТОРЕФЕРАТ на .здобуття наукового ст.упеня кандидата ф!зихо-математичних наук

Ки!в - 1993

ДисертаШя виконана в 1м. Тараса Шевченка.

Ки!вському ун!верситет!

Науковий кер!вник: кандидат ф!зико-математичних наук, доцент В.В.Мар'енко

0ф1ц1йн1 ойоненти: доктор ф1зщо-математичних наук, професор А. 1.ХИЖНЯК .

кандидат ф!зико-математичша наук, ст. вауковий сп!вроб1тник АЛ. Пащенко

Провiдна орган1зац1я: !нститут нап1впров1дник1в ; АН Укра!ни '• ' '

Захист в1дбудеться м /Г" tlüM^UZ^^ 1993р. о годин! на зас1данн1 спец1ал1зовано1 ради К 068.18.01 при Ки!вському ун1верситет1 1м. Тараса Шевченка за адресов: 252217, Ки1в, пр. Акад. Глушкова, 6.

3 дисертац1сю можна ознайомитись в б1бл1огец! Ки!вського ув1верситету 1м. Тараса Шевченка. Автореферат роз!сдано -/У-

Вчений секретар спец. ради К 068.18.01 А-Г.Шкавро

Загальна характеристика роботи Актуальн!сть теми. Розвиток безконтактних, неруйнуючих метод!в 'сшдження об'ект!в, контролю та д!агностики 1х властивостей, габливо при зондуванн! природних об'ект!в та об*ект1в штучного осоджевня, .досл1даенн1 б!олог!чних та медичних об'ект1в,,' иовлюе значний !нтерес до питань, що пов'язан1 з розс!янням • >герентного електромапптного випром1нюваняя реальними дифузно

с

)зс1юючими поверхнями. _ л

„ Розе1яння когерентно! електромагштно! хвил! супроводжуеться пиою не тальки II 1нтенсивностЗ, а й поляризацП. У зв'язку з м актуалъним б досл1дження поляризаШйних характеристик эзс!яного випром!нювання та можливостей 1х використання як'-здаткового джерела 1нформацП про розешюч! об'екти.

В результат! 1нтерференщ! векторних"'хвиль з .дов!льними' яШтудами та фазами, що сформувалися за ' рахунок розс!яння на зотично ор!снтованих елементах шорстко! -'поверхш, гранулярну зпекл) структуру' мае не т!льки розпод1л штенсивност!, а й-эляризацИ. Повний опис властивостей розс!яного поля у такому ипадку вимагас статистичного шдходу, тобто використання функщй устини ймов!рностГ (ФГИ) та 1х характеристик .для ошеу втенсивност! та поляризащйних параметр!в утвореного спекл-поля.

.Незважаючи на досить великий штерес до. проблем р0зс1яння ипром^нювання короткими поверхнями, в!дом! теоретичш та кспериментальн! досл^дження присвячен!, головнкм чином, вивченню аконом{рностей , розе{яння штенсивност: або деполяризащ I ипром1Еювання, сформованого поверхнею з випадковим рельефом випадковою поверхнею). СЛ1Д також з1дзначити, що експериментальн! ,осл!дження поляризаШйних- властивостей рад1охБиль, розеляних «альними •. об'ектами (земною . та морською поверхнею,

гШрометеорами), обмежуються, в основному, вивченням впли «

поляризац;I падаючо! хвилг (використовуються ортогональн1 л!н!й поляризован! хвил! або хвиля кругово! поляризац!I) на В1дби Штснсмнпсть випром!нювання. Практично в!дсутн! роботи, в як; досл!джустъся статистика поляризац!йних параметр!в розс!яно] випром1нювання. В!дом1 роботи 1з статистики ненормоваш параметр!в Стокса не дозврляють вид!лити флуктуацН вла« поляризац!! спекл-поля. В!дсутн! теоретичн! . роботи, в як> статистичн! властивостг поверхн! враховуються у статистични характеристиках поЛяризац!йних .параметр!в розс!яного цим поверхнями випром1нювання. .

У зв'язку з цим мету роботи становлять:

розробка методики вим!рювання поляризац!йних характеристи розс!яного випром!нювання та оптим1зац!я стокс-поляриметр!в : точки зору досягнення м!шмалъно! помилки вимхрювання;

теоретично та експериментальне вивчення статистик» поляризац! ййшх параметров спекл-поля, сформованого при розс!янн! шорсгкими поверхнями;

- розробка теоретичних уявлень, що враховують зв'язок м!ж статистичними характеристиками випадково! поверхн! та поляризащйними характеристиками розс!яного ц!ею поверхнею випром!нювання.

Новизна роботи полягае у тому, що: . •

- проведено оптим!зац!ю стокс-поляриметр!в з точки зору одержання мШмаяьно! помилки визначення параметр!в Стокса на основ!

■л : '

м!н!м!зац!I числа обумовленост! характеристично! матриц! поляриметра; . :

-експериментально та теоретично досл!даено статистичн1 характеристики просторового розпод!ду поляризац!!■ . дифузно

розс!яного електромагн!тного випром!нювання на основ!-. ймов!рн!сного розпод!ду нормованих параметр!в Стокса, що дозволило в!докремити флуктуацП поляризац!! вщ фдуктуац!й ¡нтенсивност!;

- . показано, що деполяризац1я, яка спостер!гаеться

*

експеримен.тально, зумовлена апертурними ефектами- вишрювальних систем; проведено к!льк!сний анал!з цього ефекту;

- одержано зв'язок середнього ступеня поляризац! I та середнъого кута повороту плодини поляризац!! !з статистичнйми

кхарактеристиками шорстко! поверхн!, а саме 1х залекн!сть в!д в!дношення кореня квадратного"дисперс!I висоТ-до рад!уса кореляц!! висот нер!вностей випадково! поверхн!.

Практично значения робота полягае у тому; що:

- одержан! результата можуть бути -використан: при розробщ метод!в та прилад!в для досл!дження поляризац!йних характеристик ... слабкого по 1нтенсивносг! розс!яного випром!нювання;

- використання нормованих параметр¡в Стокса на в!дшну в!д в!домих • ненормованих параметр!в дозволяе Шдвищити точн!сть поляризац!йних . . вим!рювань. завдяки виключенню неконтрольованих флуктуац!й !нтенсивност! випром!нювання;

- одержана залежн!сть середнього ступеня поляризац!! в!д в!дносного ( в одиницях л!н!йного розм!ру апертури фотоприймача) кореляц!йного розм!ру спекл-поля дае можлив!сть в!др!зняти розс!яння з об'ему та поверхн! об'ект!в I може бути використана для визначення самих корелящйних розм!р!в;

- виявлений поворот плоидаи поляризац!! при зворотному розс!янн! е джерелом !нформац!! при д!агностищ ашзотропП шорсткостей поверхн!. ,. . .

На захист виносяться: _ . ^

- метод -рпису поляризацГйно! структури розс!яного випадковими

б

поверхнями випром!нювання на основ! " ймов1рн!сного розгошлу • *

нори'ованих параметр!в Стокса; ,

- положения про зв'язок деполяризац!ï, що спостер!гаеться експериментально, з апертурними ефектами: ступень поляризац!!, що вим!рюсться, спадав i3 зменшенням в!дносного (в одиницях . л!н!йного po3Mipy апертури вим!рювальних систем) рад!уса кореляц!! спокл-поля до свою м!н!мального значения, яке визначасться коефщ!ентом кореляц!! спекл-структури; '

- положения про те, що при зворотному розс!янн! на випадковШ поверхн!, яка мае ан!зотроп!ю нер!вностей, спостер!гаеться поворот азимута поляризац!I в розс!ян!й таил! по. в!дношенню до падаючо!; цей поворот тим б!льший, чим бЗльше в!дношення коревя квадратного дисперсП висот до рад!уса кореляц!I висот нер!вностей випадково! поверхн!.

Апробац!я робота. Результата диссртац!йно5 роботи допов!далися на 3 Всесоюзн1й конференц!! "Ел!псометр1я: теор!я, метода, застосування" (Новосиб!рськ, ■ 1987 р.), 7 ВсесоюзнШ науково-техн!чн!й конференц!! "Фотометр!я та.!! метрологIчне • . забезпечення" (Москва, 1988 p.), XI Всесоюзному симпозиум! з'-поширення лазерного випром!нювання в атмосфер! (Томськ, -1991 р.), 3 м!жнародн1й конференц!! "Ф1зичн1 проблеми оптичного зв'язку та обробки !нформаци" (Севастополь, 1992 р.).

Публ!кацП. За темою дисертацШо! роботи опубл!ковано 10 друкованих праць, список'яких.наведено у к!нц! автореферату. .

Обсяг та структура дисертац!!. Дисертац!я складаеться !з вступу, чотирьох. глав, висновку, а також списку основних цитов.аних л!тературних джерел. Робота м!стить 128 стор!нок друкованого тексту, включно з 23 рисунками та списком основно! цитовано! л!тератури з 74 назв. . .

• Зм I ст дисертацИ

У вступ! обгрунтовано актуальн!сть теми, сформульовано мету эботи, коротко охарактеризовано основа! результати, одержан! в исертацП, 1х новизну, наукбве та ;практично значения, основн! оложення, що виносяться на захист.

У першому розд!л! розглянуто 'можливост! використання метод!в оляриметрп для поляризац!йного анал1зу спекл-пол!в.

Досшдження поляризац!йних властивостей спекл-структур ставить евн! . вимоги до ехспериментальних прилад!в для ' !х им!рювання. По-перше, вш!рювання у слабких по '1нтенсивност! пеклах вимагае високо! чутливост! вим1рювально! апаратури. о-друге, статистичний характер спекл-структур та пов'язана з цим еобх!дн!сть велико! . к!лъкост1- вюпрювань диктуе використання втоматизованих засобШ вим!рювання, що мають достатню. швидкод!ю.'

3 двох метод!в, в!домих у стокс-поляриметр!I - модуляЦ!Иного етоду та методу Чотирьох Iнтенсивностей, при конструюванн! втоматизовано! установки перевагу було в!ддано останньому завдяки ожливост! вим!рювання у вузьк!й смуз! частот, а, отже, отенц!ально б!льш1й чутливост! поляриметр!в, що працюють за цим етодом. ■ .

Зг!дно з методом чотирьох !нтенсивностей пзраметри Стокса эсл!джуваного випром1нювання визначаються як результат розв'язку истеми чотирьох лШйних р!внянь. У раз1 невдалого вибору эляризац!йних матриць канал!в ця система або ж характеристична этриця Поляриметра, що формуеться з елемент^в поляризащйних атриць канал!в, може бути погано обумовлена, тод! помилка изначення компонент Стокса може у багато раз!в перевищувати змилку величин, що безпосередньо рееструються - 1нтенсивностей.

Отже, при створешп лоляриметр!в, як! використовують метод

чотирьох ^нтенсивностей, постае задача знаходження оптимальних

¡я . ■ '

парайетр!в поляризац1йних елемент1в, що формують чотири

поляризац!йн1 канали 1 яким би в!дпов1дало м!н1мальне значения

числа обумовленост! характеристично! матриц! поляриметра, яке

характеризуе II ст1йк!сть.

В дисертац!йн!й робот! .були досл1джен1 на оптимальн1сть

поляриметри, поляризац!йн! канали яких складаються 1з фазово!

пластинки та анал1затора 1 використовусться управл1ння т1льки

одним параметром поляризац!Иного елемента - ор!ентац!сю або ж

зсувом фаз пластинки.' .

У ' загальному . випадку . поляризац!йний канал можна

схарактеризувати кутом ор!ентац!1. фазово! пластинки ее,

анал! затора Ф< , та фазовим зсувом пластинки «я (1 - . номер

канала). Досл!даувалась залежн!сть числа обумовленост! в!д одного

з названих параметр!в, при цьому значения !нших параметр!в були

ф!ксованими.

Анал1з показав, що для поляриметр!в з р!зною ор!ентац!ев фазово! пластинки у каналах м!н!мум числа обумовленост1( спостер!гаБться при певн!й симетрП в ор!снтад!1 анал!затора по в!дношенню до ор!ентац!1 фазових пластинок: .* •

в^ = во + (1-1)де , ф . е< ^ в* , (1)

тут во - дов!льний точатковий кут ор!снтац!1 пластинки, де • -зм!на кута ор!снтац!1 пластинки в!д каналу до каналу. При цьому да = 30°' та <5 = 130° с оптимальними, а величина числа обумовленост! досягае 4,9.

Для поляриметр!в з р!зним зсувом фаз пластинки характеристична матриця завжди с виродженою. Невироджена матриця можлива, :якщо фазовим зсувом в1др1зняються три канали, а четвертей в!др!зняеться в!д них !ншим параметром, скаж!мо, ор!ентац!ею анал!затора. В

• практичних схемах таких поляриметр!в можна вихористати '

двохпроменеву призму, що забезпечус два канали з ортогонально ор!ент6взними анал1заторами. При цьому зсув фаз у фазов!й

пластинц!, загальн!й для вс1х канал1в, залшасться единим

<

параметром,- яким зд!йснюеться управл!ння. Анзл!з показав, що м!н!мум числа обумовленостI досягасться при взаемних ор!ентац!ях анал!затора 1 пластинки п!д кутами:

Ф - ©..= 22,5 ( 1 ± 2к ), . . (2)

тут к •- дсв!льне ц!ле число. Оптимальними е фазов! зеуви, при яких .три канали .в!др!зняюгься один в!д Ъдного на величину дб = 120°. При цьому величина обумовленост1 дор!внюе 5,8.

Виходячи 1з проведеного анал!зу, схеми з управл!нням ор1снтац1сю або зеувом фаз у пластинц1 з точки зору м!н!мально!-помилки визначення параметр!в Стокса можна вважати екв!валентними.

В основу рриг1нально! автоматизовано! ' експериментально! установки, що показана на рис. 1, було покладено 'схему з. управл!ккям зеувом фаз у' пластинц! при посл!довн!й орган!зац!Г канал!в. Великою перевагою тако! схеми б можлив!сть п1сля кожного вим1ру !нтенсивност! на виход! каналу (один 1з переривач!в в!дкритий) вим!рювати'., сумарну .!нтенсивн!сть на вяход! призми (обидва переривач! в!дкрит1). Це необх!лно для використання нормованих значень 1нтенсивностей, щоб запоб!гти небажаному впливу флуктуац!й 1нтенсивност! лазера, як! можуть бути значними на протяз! повного циклу вим!рювання чотирьох 1нтенсивностек. Абсолютн! значения 1нтенсивностей при подальшому розрахунку нормованих параметр!в Стокса не обов'язков].

У другому розд!л! наведено теоретичн! та експериментальн! результата досл!даення статистичних властивостей просторового

Рис. 1, Схема експериментальноI установки для зим1рювання параметр!в Стокса розс!яного випром1нюванйя. 1 - лазер.; 2 -механ1чний модулятор !нтенсивност!; 3 - л1нза; 4 - зразок;

Я 4 '

5 - д1афрагма; в ^ влектрооптичний кристал; 7 - призма; Волластова; 8, 9 - переривач1 випром1нввання; 10 - л!нза; 11 - фотоприймэт; 12 - п1дслтовач; 13 - АЦП; 14 - м1кроЕ0М.

розпод!лу поляризаШйних параметр!в розс!яного когерентного-електромагн!тного випром1нювання.

Оскгльки статистика ненормованих параметр1в Стокса, флуктуацИ яких визначаються як флуктуац!ями штенсивност!, так ! ' поляризац!!, не дгють !нформац!1 про зм1ну саме стану поляризацп випром!нювання, в робот! вивчасться статистика поляризавдйних характеристик -.нормованих параметр!в Стокса та гешдних в;д них:

<£е

азимута та ел1птичвост1.

Розглядасться повн!стю розвинута та повн!стю поляризована спекл-структура, що формуеться при розс!янн! поляризованого когерентного випром!нювання сильним дифузором (наприклад, шорсткою поверхнею металу чи д!електрика з середн1м розм1ром нер!вностей значно б!льшим за довжину хвил! >■ ). У цьому випадку природним е припущення, що випадкова величина електричного поля, як результат когерентно! суперпозиц!! великого числа незалежних хвиль з дов!дьними ампл!тудами ! фазами, р!вном!рно розподгленими на всьому !нтервал! Г0;2п], п!дпорядкована нормальному закону розпод!лу.

Виходячи 1з гауссового розпод!лу та скориставшись зв'язком ортогональних компонент поля з параметрами Стокса, були одержан! споча'ку сум!сн! розпод!ли трьох параметр'^ Стокса 1(Бо,Б1,5г) або 1(5.^.5,), Через взаемозалежнЮть Б* = Б* + Б* + Б* для повн1стю поляризованого випром!нювання сум!сний • розпод!л чотирьох параметр!в завжди можна виразити через розпод!л трьох дов!льних параметр!в. Шсля !нтегрування були одержан]" одновим!рн! розпод!ли нормованих параметров б4= , б?- , бэ= ■ :

1 + кв.

(с ( в4- ) = п [ (р2+ ^ ^ ,

1 - ра,_

** \ = Ш [ (1-к*)-2рзг+ (рг+ ' <3>

11 В* > = Ш [ 1-(рг+ к1)(1-8*)]"

2х* (1 -р ) ' * - 1 . 2хр

де т'=-———. к = -—, р = -—, х = — (4)

(1+х*)г 1+х* 1+х*

с

г

р'- модуль комплексного коеф!ц1ента кореляцИ, с* , с* дисперсП ампл1туд ортогональних компонент розе!яного поля.

3 Х(зв= з1п2(агсг£ с )] була одержана функц1я густини ймов1рнос для ел1птичност1 с ( -1 з «51);

2т(1-*4) . К с > = --(5)

3 1(50,51,Б1) була одержана ФГЙ для азимута ч> (-«/г з **/2), враховуючи р!зн! вирази для пром!жно1 фунхцП розпод1лу

при додатних та в!д'емних значениях Б1 та 5Х , що в1дпов!дають певним 1нтервалам однозначност! V < *>=1/2агсг£(51/Б4) двохзначна р 1нтервал! 1-п/2 £ у £ п/21 ):

(Kt( v ), -т/4 i у < rr/4, *

Кг( v ), n/A < v.< п/2, -п/2 < г ^ -л/4,

.(б)

2т г -i----5~ 1 ?

1,1 ncos 2vtl+tg 2v - (k-ptg2v) ] Л

■ , *

2(Jc-ptg2v) , , V~mег2* * ()c-ptg2v) у* 1

[Utg*2v - (k-ptg2v)1З*'2 8X015 t V^l+Tg2^ ± (k-ptg2v) J ' J'

На в1йм1ну в1д розпод!лу ненормованих параметра Стокса, . до характеризуются завжди нульовими найб!льш ямов!рними значениями, для розпод!лу нормованих параметров характерн! у загальндму " зипадку ненульов! найб!льш ймов!рн! 'значения. Вони мвжуть бути зульовими лише при певних граничних значениях х та р. -Завжди зульов1 найб!льш ймбв!рн1 значения для розпод1лу параметра бэ у 1ашому випадку пов'язан! з теоретичним припущенням про р!вн1сть зулю фази комплексного коеф!ц!ента кореляцН. У раз!, коли р = 1 [ х - будь-яке ф!ксоване). значения азимута та елгптичност!, як! зозраховуються з нййб1лып ймов1рних значень -ФГИ нормованих ;токс-параметр!в, сп!впадають з найб!льш ймов!рними значениями юзпод!лу азимута та ел!птичност!. Це сз!дчить про можлив!сть ¡икористання в цьому випадку ФГИ нормованих параметр!в Стокса для .находження переважного стану поляризацИ спекл-поля.

Було проведено пор!вняння теоретичних та експериментальних . 1езультат!в досл!джеиня, що виконувалися !з зразками, якими були орстк! пластинки з-розм!ром нер!вноетей » х (\ = О.бЗмкм), атер!ал яких сильно логлина'с на х (алгом!н!й, скло . ФС-1). Для

таких зразк!в ФГЙ для ступени поляризацП, вим1рюваного експёриментально в -умовах, - коли апертура. фотоприймача встановлювалася на порядок меншою середнього розм!ру спекл-поля, була достатньо вузькою з максимумом в одиниц!.

В!дзначаеться задов!льний як!сний зб!г теорП . та експерименту <рис. 2). К!льк1сн! нев(дпов1дност! зумовлен1 неврахуванням при теоретичних розрахунках . деяких фактор!в: розм1р1в апертури та обмежено! чутливост1 вим!рювальних систем.

Анал!з експериментальних результата показуе, що найб!льш. ймов!рним станом у спеклах е стан. поляризацП, який в!дпов!дае законам в!дбиття Френеля в!д плоско! дзеркально! поверхн1 у даному напрямку спостереження. Ширина крив их розпод!лУ заложить, iio-перше, в!д матер 1алу. зразка:. для алюм1н!ю крив1 вужч! н!» для скла; по-друге, в!д розм1ру кер!вностей: дисперсП кривих розпод1лу як фун?сц11 розм1ру нер!ввостей п!сля деякого зростання виходять на насичення.

Вс! назван1 вице законом!рност1 можуть бути пояснен!, якщо у наближенн! К!рхгофа поверхню розглядати як сукупнЮть дзеркальшэ в!дбиваючих площадок, а розс1яне поле у. дов!льн!й . точц1 спостереження - як векторну суму когерентних, одно'разово й багаторазово в!дбитих та дифрагованих хвиль. При цьому суттсву роль вШграють багаторазов! в1дбиття, оск!льки розкид поляризац!йних. параметр!в за рахунок дифракц!йних явищ невеликий.

У трегьому розд!л! вивчасться вплив умов реестрацИ, а саме розм!р!в апертури та обмежено! чутливост! вим!рювальних систем, на статистичн! властивост! поляризац!йних параметр1в розс!рного випром1нювання. .

Хоча зрозум!ло, що ск!нченн! розм!ри апертури у першу чергу будуть приз'водити до ф!ксац!1 у вим!рюваннях деполяризац!!.

Рис. 2. Теоретичн! та експериментэльн! функцП густини ймов1рност1 нормованих параметр¡в Стокса: г1стограмэ - експеримент (злюм1н!свий зразок з розм1ром нер!вностей 140-160мкм,

поляризац!я падаючого випром1нюваиня - 45°); су^и льна л!и!я - теор!я ( х-1,17, р=0,95 ).

*

• . ■ ' - Г-

випром1нювання,-кIлыс 1сний анал!з цього ефекту до цього часу ве » »

прбводився.

0ск1льки !нтегральн! величини нормованих Стокс-параметр!в .та ступеня поляризэцП, що через них розраховусться, с функц!оналами в!д негауссових випадкових величин,^1 одержати знал!тичн! вирази для функЩй розпод!лу та !х характеристик для цих параметр!в . неможливо, було проведено чисельне моделювання експерименту. 1нтегрування зам!нювалося сумою N локальних значень параметр!в Стокса, що розраховувалися з чисельно генерованих гауссових реал!зац!й електричного шля, властивост1 якого повн1стю описуються кореляц1йною матрицею в. Д1агональн1 4x4 блоки ц1с! матриц! в1дображають властивост! шля у кожн!й п-!й точц!, а нед1агональн! - у кожн!й пт-1й пар! точок. При розрахунку елемент1в'матриц! нормування повно! 1нтенсивност1 було проведено до одиниц!. Система координат вибрана так, щоб середн! 1нтенсивност! ортогональных компонент були однаков! ехх= ; враховано»умови стац!бнарност! поля:

< ЕапЕ = 0 • 01 = Х'У • п'т = 1.2,...,N (7) ' та однакову швидк1сть зм!ни з в!дстанню гпт кореляц!! м1ж,

однаковими та р1зними компонентами поля:

< Е Е* > = < Е Е*> = к ехр(г2 /2г* ),

хг» хп» уп ут * . г»т к *

(8)

< Е Е* > = Й ехр(га /2тг ), г = г ,

хг% ут *-т<у * пт р • к • р

що доц1льно, оск1льки вважасмо, що розс!яне поле формуеться оптично 1зотропним розс!ювачем.

Апроксимац!я розпод!лу 1нтегральних значень 1нтенсивност! в!домим хг- розпод!лом для квадрат!в гауссових випадкових величин св!дчить про в!рог1дн!сть результат!в чисельного експерименту.

0риг1нальн! результата для розпод!лу !нтегральних значень нормованих параметр!в ' Стокса вказують на зменшення дисперсП

крив их розпод!лу 1з зменшенням в!дносного (в одишщях л! н! иного. розм!ру апертури вш!рювальних систем) рэд{уса кореллц! I гу , що пояснюе розб!жност! теорП та експерименту, про як! ишлося у попередньому розд!л! 1 практично означав змещдення розкццу стан!в поляризац!! розс!яного поля. *

Найб!льш чутливим до зм!ни г^ виязлясгься ступ!нь поляризац! що вим!рюсться.. Иого середнс значения (рис. 3) вЗд 1 (при гк» 1 ) зменшуеться до значень.як! визначаються косф!ц!снтом кореляцП ? = е^/ У 5хх&уу = 22ху ( при гк« 1 ). Дисперс!я (рис. 4). нульова в граничпих випадках, мае максимум у район! 'гк= 0,9 + 2. Цей максимум зменшуеться з ростом

У реальному експерименП рад!ус кореляцИ оц!нювався, виходячи 1з середнього розм!ру спекла. СереднЗй розм1р спекла визначався д!аметром лазерного пучка на поверхн1 зразка. Результати чисельнйх ' розрахунк!в добре сп!впадають з результатами реального екпорименту для зразк!в г розс!янням в!д поверхн1 (крива 1 та сер!я-точок 1', рис. -3). Для зразк!в з об'емним розс!янням це не так. За рахунок розширення д1аметра лазерного пучка при проншененн! всеродину зразка об'емна складова поля формуе б1льш др!бну спекл-структуру. Тод! оц!нка середнього розм!ру спекла'за.д!аметром лазерного пучка на говерхн! зразка е завищокою. Цэ випливас (рис. 3) ¡о. задов!льно1 апроксимацИ певною розрахунковою кривою (3) сер!! точок (3'), яка одержана !з експериментально! сер! I точок (2') для об'емного розс1ювача (в нашому випадку - б!лого паперу) при I! стисканн1 у дек!лька рзз!в (у 2,9 раз). При цьому значения коеф1ц1ента стискання практично сп!впадае (рис. 4) !з значениям . коеф!ц1ента зм!щення максимума (3,3) для криво! дисперс!! ступеня' . поляризац!! як функц!! в!дносного г..

У робот! запропоновзно рад!ус кореляцИ для зразк!в з об'емним

Рйс. 3. Залежн1сть середнього значешя <Р> фунзсц1й гус-тини ймов1рност! вим{рюваного ступеня поляризац!I в!д в!дносного рад1уса кореляцН гк. Розрахунков! крив!: 1 " " 2 - В*у * 3 " в„у * 0,1. Експеримен-тальн! сер!I точок: 1'- - для алюм1н!ю, 2", 3' - для паперу. Сер1я точок 3' одержана 1з серН 2' при зменшенн: масштабу .ос! гк у 2,9 раз!в.

Рис. 4. Залежв!сть дисперсП функции густели ймов}р-ност! вим!рюваного ступоня поляризацП в!д в!дносного päfllyca кореляцП. Позначекня так! сам!, як.на рис. 3.

розс!янням, визначати 1з, щонайменше, двох середн1х значе ступени поляризац!!, що реально вим!рюеться, використовух результата чисельних розрахунк!в.

В1дм1чено, цо р!зний характер зм!ни ступеня поляризац!! зм1ною в!дносного рад!уса кореляц!! для об'ект!в !з розс!янням £ поверхн! та з об'ему може бути використаний.для 1х розр!знення.

Оск!льки вим!рювальн1 системи мають обмежену чутлив!сть, то ; 'Шдвидення точвост! вим!рювання в слабких по ¡нтенсивност! спею -виключаються. У зв'язку з цим у робот,! розглянуто ФГИ нормова! параметр!в Стокса при. умов!, що ■ !нтенсивн!.сть б!льше деякс •порогового значения. Показано, що дисперсП кривих розпод] нормованих параметр!в Стокса зменшуються з ростом поре -в|дс!кання 1нтенсивностей знизу. Це пов'язано з в!дкидаш :б!льших флуктуац!й поляризац!!, характерных для мени !нтенсивностей. Як оц!нку флуктуац1й поляризац!! було вз» дисперс1ю кривих, одержаних перер!зом двовим!рних фуюи розпод1лу для певного параметра Стокса та 1нтенсивност! площш 1з ф!ксованим значениям 1нтенсивност1. Названа ,диспер< зменшувалась з ростом 1нтенсивност!.

У четвертому розд!л! розглянуто поляризац!йн! характерней когерентного випром!нювання при в!дбитт! в!д випадково! поверх! враховуючи на в!дм!ну в1д попередн!х ■ розд1л!в статистик ?властивост! шорстко! поверхн1. Розраховувалися середн! значе! •матриц! когерентност1, а через"них - середн1й ступ!нь поляриза! та.середн!й кут повороту вектора поляризац!! розс1яно! хвил!.

Задача розв'язувалася унаближенн! одноразового розс!яння.; принципом К!рхгофа (випадок плавних шорсткостей), кол» розсЬ поле поблизу поверхн! можна виразити через поле падаючо! хвил! формулами Френеля. Для розрахунку електромагн!тного поля у далы

зон! (Френеля та Фраунгофера) запропоновано використання скалярно! ■ формули Гр!на для кожно! !з х,- у. г компонент поля.

Для розрахунку , поляризащйних характеристик розг ляда лися проекцИ цих х, у, г компонент 'поля у площин! реестрацИ, перпендикудярнIй вибраному напрямку , спостереження. Статистичш властивост! поверхн! враховувалися на етап! . усереднення при використанн! нормального сум!сного закону розпод!лу висот та '

• "Ч!

нахил!в нер!внбстей однор1ДИо1 випадково! поверхн!. г Показано, що для розс!яння гауссового пучка характерним с як!сний зб! г результат ¡в для середшх поляризацШгих 'характеристик у зон! Френеля тз Фраунгофера, к!'льк!сний зб1г спостер!гасться лише у т!й облает! зони Френеля, де розс!яння .визначаеться лише параметрами гауссового пучка (на в!дстан1 И » йкр , Икр '-. рад!ус.кривизни гауссового пучка на середн!й площин! поверхн!).

. Досл!дження- показали залежн!сть середах поляризац!йних параметрГв лише в!д одного параметра * - в!дношення' кореня квадратного дисперс!! висот о- до рад!уса кореляцП висот випадково! поверхн! ро, зв'язаного !з статистичними характеристиками випадково! поверхн!.

Анал!тичний вираз одержано т!льки для середнього значения !нтенсивност! компонента поля, перпендикулярно! площин! пад!ння у зв'язку з в1дсутн!стю др!бно-рац!ональних функшй п!д штегралом. Результата чисельного !нтегрування в!дображають характер залежност1 поляризац!йних характеристик в1Д * . Спостер!гаеться зменшення середнього ступеня поляризац!I !з ростом к, що можна пояснити зростанням вкладу елемент1в поверхн! з б1льшим нахилом, для яких коеф!ц!енти Френеля ортогональних компонент мають б!льшу • р!зницю.

Природним е зменшення середнього ступеня поляризац!I 1з

зменшеннящ в!дношення роА , оск1льки зростае вплив дифр5кц!йних ефект1В.

Показано, що при зворотному ~роз'с!янш проявом ашзотроп!1 нер!вностей випадково! поверхн! & ненульовий середшй поворот площини поляризац!! у в!дбит1й хвилгу пор!внянн1 з падаючою. Це . пов'язано з однаковим напрямом повороту площини' поляризац!I у хвилях, в!дбитих в1д елемент!в поверхн!, що маютъ р!зний знак' нахилу в!дносно середньо! площини поверхнI.

Величина названих ефект!в, одержаних у наближенн! одноразового розс!яння, невелика: .значения сареднього ступени поляризац!I досягають значения 0,96, а середнього повороту площини поляризац!! • - к!лькох градус!в при зм!н! * до.единиц! .1 рс А = Б ).

У висновку в!дзначзеться, що в Д^сертащШпй робот! розроблена методика вим!рювань поляризащйних характеристик роз'с!яного; електромагн!тного випром!нювання, теоретично та експериментально

о , •

досл!джена просторова поляризац!йна структура, яка формусться при розс!янн! електромагн!тного випрощнювання випадковими поверхнями,. що в!дображено у таких основних результатах: _ .

1. Для поляризац1йного анал!зу розс'!яного когерентного : " електромагн!тного випром!нювання кращим е' метод стокс-поляриметр!г, що базуеться на вишрюванн! чотирьох ¡нтенсивностей завдяки можливост! роботи вим!рювально! апаратури у вузьк!й смуз!. частот. Для поляриметр!в цього типу !снують оптимальн1 значения параметр!в поляризащйних ' елемент!в, як! в!дпов!дають м!н!муму числа обумовленост! характеристично! матриц! поляриметра, що забезпечуе м1н!мальну помилку визначення компонент Стокса. . :

2. Припускаючи гауссову статистику ортогональних компонент когерентного електромагн!тного поля, вперше одержано ймешршенш

розпод!л параметр!в Стокса для нормованих знэчень, що дозволяе. одержати !нформэц!ю про зм!ну поляризац!I незалекко в!д змши !нтенсивност1 спекл-поля. Одержан! теоретичн! ФГЙ поляризац!йних параметр!в достатньо добре описують- експериментальн! результата для зразк!в з розс!янням виладковою поверхнсю роздьту. Найб!яьи ймов!рний стан поляризац!! для таких зразк!в може бути визначений з максимум!в ФГИ, нормованих параметр!в Стокса .та в!дпоз!дзс поляризац! I хвил!, дзеркально в!до'ито! в даному нггтряки спостереження; розкид поляризац!! зумовлений вкладом дифраговзних -

г '

хвиль, а також багаторазово -в^дбитих хвиль,ч.пю в!д1грають при. цьому суттеву роль.

3. Врахування умов реестрацН при розрахунку ФГЙ нормованих параметр!в Стокса. та !х 'характеристик дало змогу . поясните ■ розб!жност! м!ж теоретичними та експериментальними результатами. •

За допомогою чисельного моделювання експерименту п!дтверджено, що ск!нченн! розм!ри апертури вим1рювзльгота систем призводять до зменшення дисперсИ ФГИ нормованих параметр!в Стокса та. до появи в!дм!нного в!д <5-функц1! ймов!рн!сного ' -розпод!лу- - ступеня гсоляризацП, та одержано к!льк!сн! характеристики цах ефект!в. У рамках теоретичних уявлень, що враховують обмеженз розм!ри зпертУри, можуть бути - описан! . вим!рюван! поляризации! сарактеристики розс!яного випром!нювання, що формусться ■ широким сласом дифузних розс!ювач!в, у тому числ! об'ектами з об'синим эозс!янням. Розрахована залежн!сть середнього ступеня поляризац!? &!д в!дносного рад!уса кореляц!! спекл-поля може бути використана рш визначення корелящйних розм!р!в спекл-поля, сформованого

'акими об'ектами. ..... ч .

« 1Л

Теоретичн! розрэхунки показали звуження ймов!рн!сних розподШв юрмованих параметр!в Стокса з обмеженкям д!апазону вим!рюваних

!нтенсивнрстей знизу, необх!дн!сть якого зумовлена ск!нченною чутливIстю вим!рювальних систем. Це пояснюсться виключенням б!лыпих флуктуац!й поляризац!I, характерних для менших !нтенсивностей. - - .

4. У наближенн! однократного розс!яння визначено зв'язок м!ж статистичними властивостями випадково! поверхн! та поляризац!йними характеристиками розс1яного нею когерентного електромагн!тного випром!нювання. Цей зв'язок проявляеться у зменшенн! середнього ступеня поляризац!I з ростом в!дношення <г/р0- кореня квадратного дисперс!! висот до рад!уса кораляцП висот шорстко! поверхн!. При зворотному розс!янн! поверхнею з - ан!зотроп!ею шорсткостей

спостер!гаеться поява ненульового середнього кута повороту плопщни

• >

Поляризац!! у розс1ян!й хвил! по в!дношенню до падаючо!, який також залежить в!д в!дношення °fpQ, а 1саме - зростас з ростом цього в!дношення-.

XH0BHI РЕЗУЛЬТАТА ДИСЕРТАЦН 0ПУБЛ1К0ВАН1 * В РОБОТАХ

1. Марьенко В.В., Молебная Т.В. Поляризационные характеристики излучения, рассеянного диэлектрической шероховатой поверхностью // Вестник Киев, ун-та. Физика. 1987.- JS28.- С.82-85.

2. Марьенко В.В., Молебная Т.В. Модуляционный метод измерения элементов матрицы Мюллера .// В сб.: Элшшсометрия в науке ь технике.- Новосибирск.- 1987.- С.52-56.

3. Марьенко В.В., Молебная Т.В. Оптимизация стокс-поляриметров, основанных на измерении четырёх интенсивностей // ОМП.- 1990.-Ж7.-С.68-71. - '

4. Марьенко В.В., Молебная Т.В. Поляризационная структура излучения, отраженного от шероховатой границы раздела // УФЖ.-1990.- Т.35.- Jill.- С.1653-1657.

5. Марьенко В.В., Колобная Т.В., Савенков С.Н. Автоматизированный-поляриметр для измерения параметров Стокса // Тез. докл. 7 Вс. конф. "Фотометрия и её метрологическое обеспечение".- М.:ВШШ ОФИ.- 1988.- С.285.

6. Курашов В.Н., Марьенко В.В., Молебная Т.В. Статистика нормированных параметров Стокса спекл-повей // Опт. и спектр. -

1991.- Т.70.- №2.-С.401-406.

с»

7'. Курашов В.Н., Марьенко В.В., Молебная Т.В. Условные ,вероятностные распределения нормированных параметров Стокса' // Опт. .и спектр.- 1991.- Т.71,- J66.- С.99&-1001V

8. Курашов В.Н., Марьенко В.В., Молебная Т.В. Статистика нормированных параметров Стокса спекл полей // Тез. докл. . ¿1 симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере.-Томск.- 1991.- С. .

9. Курашов В.Н., Марьенко В.В., Молебная Т.В., Чумаков А.Г. Влияние конечных размеров апертуры фотойриёмников на -измеряемую деполяризацию рассеянного излучения // УФЖ.- 1992.- Т.37.- JH0.--С.1501-1507.

10. Курашов В.Н.,' Марьенко В.В., Молебная Т.В., Чумаков А.Г. Влияние условий регистрации на статистику поляризационных параметров спекл-полей // Тез. докл. 3 междунар. конф. "Физические проблемы оптической связи и обработки информации".- Севастополь.-

1992.- С.30. PWhJt^

Подписано к печати /Л /О, JJZaxJlSMrim размножено гщ минстата Украины —Ö0U

с