Проблема формирования искусственных лазерных звезд для задач измерения и компенсации эффектов турбулентности атомосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Р Г 6 од

На правах рукописи

2 5 КОЛ 1305

Ершова Ольга Михайловна

ПРОБЛЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗВЕЗД ДЛЯ ЗАДАЧ ИЗМЕРЕНИЯ И КОМПЕНСАЦИИ ЭФФЕКТОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ АТМОСФЕРЫ

01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на Государственном Предприяти

"НПО Астрофизика"

Научный руководитель д.т.н., проф. Бакут П.А.

Официальные оппоненты д.ф.м.н., проф. Земсков Е.М.

к.т.н. Свиридов К.Н.

Ведущая организация

НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники при МГТУ им. Баумана

Защита состоится

24 декабря 1996 г. в II30 на заседании диссертационного совета Д 063.91.03 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700 Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, ауд. 204 н.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан «М' " ноября 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.91.03

В.А.Скорш

1 Общая характеристика работы.

Состояние исследуемого вопроса и актуальность проблемы

Атмосферная турбулентность существенно влияет на распространение оптических сигналов, приводит к случайному искажению пучков излучения, существенно снижает качество получаемых с помощью наземных телескопов изображений астрономических и космических обьектов. Коррекция искажений -одно из важнейших направлений современной атмосферной оптики. Турбулентные искажения могут быть скорректированы при помощи адаптивных оптических систем, использующих зеркала с гибкой управляемой поверхностью. Для управления адаптивными зеркалами необходима информация о текущих фазовых искажениях, которую можно получить путем анализа волнового фронта излучения, принятого от точечного опорного источника, расположенного в заданном направлении. Активные работы в данной области ведутся несколькими крупными лабораториями в США с начала 80-х годов. Были . проведены успешные эксперименты по компенсации турбулентных искажений с использованием натриевых искусственных звезд, формируемых с помощью специально разработанных для этой цели лазерных систем. Формирование искусственных звезд сопряжено со значительными трудностями, одна из наиболее серьезных трудностей связана с энергетикой искусственной звезды, необходимостью разработки мощных лазеров, излучающих на Л- 589ны, что сотзетствует длине волны резонансной линии натрия о,. Кроме того, для формирования в

натриевом слое опорного источника, с заданными параметрами необходимо испопьзвать лазерное излучение с оптимальными спектральным и пространственными характеристиками. Для определения энергетических требований к натриевой звезде и возможности использования конкретной лазерной системы при формировании искусственного источника излучения в мезосферном натриевом слое обычно пользуются лидарным уравнением, которое носит эмпирический характер. Точный расчет энергетики принятого от натриевой звезды сигнала до настоящего времени не проводился. Таким образом, определение энергии сигнала искусственного маяка в зависимости от пространственных и спектральных характеристик зондирующего сигнала при учете атмосферной турбулентности и характеристик натриевого слоя представляется весьма актуальным. Кроме того, большое значение имеет разработка методики восстановления изображения при использовании искусственной натриевой заезды в качестве опорного источника излучения.

Основные цели диссертационной работы: •< Расчет параметров лазерного луча в мезосферном натриевом слое, при формировании искусственного источника излучения, при расчете необходимо учесть влияние атмосферной турбулентности.

- Определение физических условий и технических параметров, при которых возможно формирование наиболее компактного источника -излучения, находящегося в пределах одного угла иэолланэтиэма вместе с исследуемым обьектом.

- Разработка алгоритма восстановления изображения при использовании искусственной лазерной звезды.

- Расчет реакции одиночного неподвижного атома на излучение, в частности, расчет сечения резонансного рассеяния атома натрия.

- Учет уширзния линия резонансного рассеяния за счет теплового движения атома, учат частичной когерентности и импульсного характера лазерного излучения, с помощью которого формируется " искусственная звезда, при использовании подходящей модели : атмосферной турбулентности.

- Построение статистической модели слоя рассеивающих атомоэ при формировании искусственного опорного источника излучения.

- Расчет средней энергии суммарного рассеянного поля при использовании подходящих аппроксимаций.

- Проведение численных оценок энергетики искусственной звезды, определение оптимальных значений параметров лазерной системы для получения максимального сигнала от опорного источника.

- Анализ возможности использования искусственного маяка при работе адаптивной оптической системы в реальном масштабе времени. •

Научная новизна работы заключается в том, что разработана новая методика расчета энергетики искусственной звезды, формируемой на основе резонансного рассеяния в мезосферном натриевом слое, получено выражение для энергии сигнала искусственной звезды, сформированной на заданной высоте, в зависимости от параметров зондирующего сигнала и рассеивающего натриевого слоя при учете атмосферной турбулентности на пути распространения лазерного луча. Определены пространственные характеристики лазерного излучения, необходимые для получения минимального

рассеивающего пятна на высоте ~90км, выявлена область значений пространственных и спектральных характеристик зондирующего сигнала, при которой данные параметры практически не оказывают влияния на энергетику принятого сигнала лазерной звезды, даны практические рекомендации по усовершенствованию лазерной системы, используемой для формирования искусственного источника излучения в мезосферном натриевом слое. Предложен' метод восстановления изображения с использованием излучения натриевой искусственной звезды.

Практическая ценность.

Разработанная методика расчета энергетики искусственной звезды и практические рекомендации, полученные в данной работе, позволяют решить на стадии проектирования и в процессе усовершенствования следующие вопросы:

- производить оценку влияния параметров конкретной системы на энергетику искусственного источника излучения,

- улучшать параметры адаптивной оптической системы с использованием искусственной лазерной звезды - при работе системы в различных режимах,

- учитывать влияние атмосферной турбупентности при расчете зарегистрированного сигнала от искусственной заезды,

- формировать источник излучения минимального возможного диаметра на высоте ~90км над поверхностью земли посредством управления пространственными 'характеристиками при учете наличия области атмосферной турбулентности на пути распространения лазерного излучения или оптимизировать

поперечный размер излучающего столба в мезосферз с учеУсм эффг:сга насыщения натриевого слоя.

Кроме того, разработана методика восстановления изображения с использованием натриевой искусственной заезды, сформированной с помощью лазерного излучения на резонансной длине

ВОПНЫД=539иа.

Оснозные положения, выносимые на защиту:

1.) Метод расчета энерготики сигнала лазерной звезды и требуемых параметров лазерной системы, используемой для формирования искусстоеннсй звезды на основа резонансного рассеяния о мезосферном натриевом слое, при учете импульсного характера и частичной когерентности лазерного излучения, доплеровского эффекта и атмосферной турбулентности.

2.) Обоснование возможности формирования опорного источника минимально возможного эквивалентного сечения при дальности фокусировки лазерного луча, превышающей дальность до натриевого слоя..

3.) Выявленный характер влияния пространственных характеристик лазерного луча на энергетику искусственной звезды при учете эффекта насыщения в натриевом слое."

4.) Статистическая модель слоя рассеивающих, атомов!

б.) Принципиальные ограничения, возникающие при учето импульсного характера и частичной когерентности лазерного излучения, и их первостепенное значение по сравнению с пространственными характеристиками лазерного луча при решении

задачи формирования лазерной заезды достаточной яркости для последующего использозания ее адаптизной оптической системой.

6.) Обоснование возможности' использования натриевой искусственной звезды в качества опорного источника излучения при работе адаптивной оптической системы в реальном масштабе времени.

7.) Методика восстановления изображения при использовании искусственной звезды, сформированной в мезосферном натриевом слое.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Координационными планами ГП "НПО Астрофизика" 19В2-1936г. по теме "Максимум*, в настоящее время планируется реализаций результатов работы .

Апробация работы' и публикации

Результаты работы, положенной б оснозу диссертации, докладывались и обсуждались на:

- XXIII Международной конференции "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе' (Украина, Гурзуф, май 1996),

Международной конференции 'Современные проблемы Астрономии" (Одесса, сентябрь, 1996),

- Отраслевой научно - технической конференции * Проблемы создания лазерных систем" (Владимир, сентябрь, 1996)

- XXXVII, XXXIX Научно - технических конференциях МФТИ (1994, 1996)

- Научных семинарах кафедры Квантовой электроники МФТИ, отдела 1700 ГП "НПО Астрофизика".

Список научных трудоо по теме диссертации содержит 6 наименований.

Объем и структура диссертации.

Диссертацип состоит из введения, 4-х глав й заключения, содержит 13 рисунков. Список литературы содержит 42 наименования. Общий обьем диссертации составляет 104 страницы.

II Содержание работы.

Во введении изложены актуальность темы, пути решения возникающих проблем, цели н задачи исследования, научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы, апробация работы, её обьем и структура, основные положения, выносимые на защиту. .

В первой главе представлен обзор литературы, Анализируются физические основы формирования искусственных натриевых звезд в мезосфере, рассматриваются преимущества и недостатки искусственных маяков в мезосферном натриевом спое и маяков, формируемых на меньшей высоте на основе рэлеевского рассеяния. В перзом параграфе описан мезосферный натриевый слой, дано объяснение выбора именно натриезого слоя для формирования искусственного .источника излучений на оснозе резонансного рассеяния, а но других слоев щелочных металлов, присутствующих в мезосфере. Учтено наличие других атмосферных частиц на высоте

■■■."■■ -ю- :

•

~90км. Отмечена необходимость выделения резонансного излучения мезосфарного :матриерого слоя из низковысотной . рзлаазокой компоненты, описаны наиболее широко распространенные ивгодим , разделения натриевого резонансного и ролеевского сигнслоб. ■ Во втором параграфа на основании анализа резонансного реосешия в мезосфорном натриеоом слое получены основные требования к лазерному излучению, используемому для форь;ироаения натриевого искусственного маяка.

В третьем "параграфе описана структура области рсссокия/? В мезосферно.м '' натриевом' слоа, . обьяонено, что.' искусотйонный • источник излучения Судет находиться р прйдёлгш угла изопланатизма 0о^5" = 25акрэд.

В четвертом 'параграфе' анализируется одно и?'.' основных-преимуществ натриевой искусственной - заезды по сравнению с рэлееоской - меньший фокальный ноизолланатизм. По второй главе рассмотрено влияние атмосферной турбулентности на лазерный лун И изображение.

В первом параграфе' второй главы кратко описана современная модель атмосфорной турбулентности.

Во стором параграфа проанализироьаны простр^нстг.енкы:, характеристики лазерного луча, используемого длл форшросания искусственной лазерной звезды с. мегосфзрном натриьцоь: слое, Рассматривается лазерый луч в пустом пространстве, испольэсзане модель' случайного фазоваго згфана, помещенного о излучающей раскрыве. Предполагалось, что ираскрыве стоит квадратичная фокусирующая линза. При применении гауссоесхих аппроксимаций для функции зрачка и для функции корреляции излучаемого

сигнала, было получено выражение для поля из заданной высоте над поверхностью зомли при распространении пучка вертикально вверх.' Также получено выражение для плотности энергии в лазерном луче ■ на заданной расстояния » выражение для оквивалентнсго сечения, лазерного пучка. Представлены график» изменения эквивалентного радиуса лазерного луча в зависимости от высоты над поверхностью земли' при учете атмосферной турбулентности. Решена задача формирования минимально возможной рассеивающей области ка заданной высоте над поверхностью земли путем выбора фокусного расстояния лазерной системы. Минимальный диаметр пучка убызгет с увеличением площади излучающей апертуры. Сделан вывод. О", необходимости в ряде случаев выбора фокусного расстояния более 90кя. . Например, при эквивалентном радиусе пучка 50см и среднеквадратичной протяженности атмосферных фп»ктуаций ; и если излучение фокусируется & центр натриевого слоя Ног,:), то эквивалентное соченио пучка будет минимально на' гысоте Тшгнм образе.!, длл гмл^.г-'ля облети р<-ссс:.низ »л I "»чанфсю возможного поперечного сечения необходима: фокусировать излучение на с 'соту -"¡"ч

В третьем лпрчгр-'фи ргнпна с. ¡мгциожт гглс»'^ чцо.ки Ф'зс-ыч иекгеконий по июСр^'"ни!о I сусотвсчной лг,;ор(1ен разроЗотон и лрг-'сг-н Н1 гог,' г:"^ р' урр-нгмьГ; елгеригг. сц '"'¡< фазы, предложен мотод »осст::чозлп чя иэоЗргьсчп ' пглг использовании 1 п^сота опорного : сг^н изр^ния Искусственно^ ■пеэчы. сЬор'.^ч/."?'"^ не рэ<оит:..-¡^го

рассеяния в мо?осфсрноч нлГркпом сл*о

В третьей главе рассмотрен вопрос о расчете резонансного сечения рассеяния атома при формировании искусственной лазерной звезды в меэосферном натриевом слое. Рассеянное поле рассчитано на основе полукпассического подхода: атом считался квантовомеханической системой, излученное же переменным диполем поле • рассчитывалось по формулам классической элеюродинамики. Получено простое выражение для расчета сечения

х 1

резонансного рассеяния <г где д„щ - резонансная длина волны

. 417

атомного перехода, для л„я = 0,5х10-'см, а, =2,7бх10-'с'снг. Анализ

данных, приведенных с литературе, позволил сделать вывод, что

сечениа резонансного рассеяния рассчитано с достаточной

точностью. Кроме того, в рамках рассматриваемого подхода

получено выражение для естественной ширины полосы атомного

перехода ^„и-^й/где 5Ю' - дипольный момент атома натрия. ЗЛс >1'

Для оценки была использована величина |Зта{= ^е, где г5- радиус Первой борОВСКОЙ ОрбИТЫ, с,о0,5х10-ии, ПОЛучеНО /тп=5ж10!Гц. В четвертой главе проведен расчет энергетики излучения искусственной звезды с учетом характеристик зондирующего сигнала, конечного времени пролета атомами натрия лазерного луча, эффекта Доплера вследствие теплового движения рассеивающих атомов, атмосферной турбулентности.

В первом параграфе построена модель ■ зондирующего сигнала, . учтена частичная когерентность излучаемого сигнала, атмосфера рассматривалась как случайный фазовый экран, поскольку длина трассы распространения значительно превышает толщину ■ турбулентного атмосферного слоя. . •

Во втором параграфе четвертой главы строилась статистическая модель слоя рассеивающих атомов. Считалось, что атомы в слое удерживаются потенциальной ямой. Записывалось распределение атома по координатам и скоростям. Предполагалось, что атомы натрия в рассеивающем слое распределены по пуассоноаскому закону.

В третьем параграфе проведен расчет поля, рассеянного одиночным движущимся атомом.

Затем, в четвертом параграфе рассчитана средняя энергия суммарного рассеянного поля на приемной апертуре. Усреднение проводилось по многим параметрам; характеризующим координаты, число и скорость атомов. Дпя последовательного вычисления интегралов, входящих в выражение для средней энергии рассеянного поля были использованы подходящие аппроксимации; гауссовская аппроксимация поля нд передающей апертуре, излучаемого импульса, В случае частично когерентного сигнала использовалась гауссовская аппроксимация корреляционной функции. Считалось, что в апертуре стоит квадратичная фокусирующая линза. Было получено выражение для энергии на приемной апертуре:

ЫАсг ЫАсг

Е- т—\-~-rг-1*=?Ц«,;—|т5. № ' излучаемая .энергия,

% Н-р* 2а

г-й - расстояний до 'середины рассеивающего слоя, л,- площадь" приемной апертуры, средне» число атомов натрия в рассеивающем'"' слое на единицу площади слоя, у - естественная ширина полосы реакции атома; - длительность импульса' лазерного излучения,' гщч - время корреляции лазерного сигнала, <гА-среднеквадратичная протяженность атмосферных фпаетузций, «/ - среднеквадратичный

разброс скоростей теплового движения атомов, а - эффективный радиус излучающей апертуры, , г - дальность фокусировки, к-, волновое число, 4 безразмерные параметры:

1

2/

Ах х

и . корр

я1- ' { I ,

' / ' V ?

В пятом параграфе проведены численныо оценки и даны рекомендации. Представлены графики зависимости величины интеграла, характеризующего ослабление' сигнала искусственной звезды в мезосфорном натриевом слое, от длительности импульса лазерного излучения, среднеквадратичной протяженности интервала корреляции лазерного излучения. Учет доплеровского сдвига частоты за счет движения атомов, эффекта, связанного с конечным временем пролета атомами освещенной области, атмосферной турбулентности, импульсного характера и частичной когерентности лазерного излучения, приводит к ослаблению энергии принятого излучения в -200 - 500 раз по сравнению с идеальным случаем, когда атомы неподвижны. Выявлена область значений, в пределах которой можно пренебречь влиянием тех параметров, которыми возможно

управлять: ширина полосы лазерного излучения лг=—— <<-'-« 1 гг«;

при высококогерентном сигнале длительность импульса лазерного излучения г„ »—I—»] не. Пространственные характеристики

излучения сказываются на энергетике лазерной звезды через величину Получены следующие аналогичные требования к размеру излучающей апертуры и дальности фокусировки Г>>о-ад к»<7А2 к, то есть при <тд »1 ш достаточно выбрать <т»ю см,

f»ioV. если же o-, sie см необходимо aal и, r»lo'u, таким образом,, в последнем- случае, для того чтобы можно было пренебречь влиянием пространственных характеристик излучаошго сигнала, целесообразно фокусировать далеко за натриевый слой.

II! Основные результаты работы и выводы

t

Для исследования информационных возможностей лазерной звезды при изучении физических свойств мазосферы и турбулентности атмосферы, а тате для изучения возможностей компенсации атмосферных искажений при получении изобретений заатмосферных обьекгов, было:

1.) Получено выражение для эквивалентного сечония натриевой искусственной звезды при учете влияния атмосферной турбулентности на лазерный луч, атмосфера моделировалась как случайный фазовый экран. Выявлены условия получения компактного источника излучения для адаптивной оптической системы при учете насыщения а натриевом слое.

2.) Разработана методика восстановления изображения при использовании натриевой искусственной звзэды.

3.) Построена статистическая модель натриевой искусственной звезды, в том числе:

- при использовании полуклассического подхода рассчитано сечоние резонансного рассеяния атома натрия и естественная ширина резонансной линии, учтено уширекмз пинии резонансного рассеяния вследствие теплового движения атома,

- учтено влияние импульсного характере и частичной когерентности лазерного Луча, используемого для формирования натриевой искусственной звезды,

- построена статистическая модель слоя рассеивающих атомов,

- рассчитана средняя энергия суммарного рассеянного попя с учетом наличия оОласти атг.-.осферной турбулентности на пути распространения/¡озерного излучения.

4.) Получена расчетная формула для энергии сигнала искусственной звезды. .

5.) Проведены численные оценки, сделан вывод о решающем влиянии длительности импульса - и ширины полосы лазерного изпучзнкя по сраанени:э"с пространственными характеристиками используемого лазерного пуча на энергетику искусственного опорного источника, формируемого на основе резонансного рассеяния в мэзосфврном натриевом слое.

6.) Определена область значений параметров используемой лазерной системы, при которых можно пренебречь влиянием данных параметров на регистририруемый сигнал, даны рекомендации.

7.) Сделан вывод о возможности использования натриевого искусственного маяка для компенсации турбулентных искажений при работе адаптивной оптической системы в реальном масштабе времени.

На основе проведенного анализа можно сделать вывод о перспективности использования адаптивных оптических систем с натриевыми звездами.- Системы с использованием искусственных лазерных заезд, сформированных на основе резонансного

рассеяния в мезосферном натриевом слое, могут найти широкое применение.

IV Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Бакут ПА, Камчатов В.Б., Маркина (Ерцюва) О.М., Шумилов Ю.П. "Искусственные маяки в адаптивных оптических системах", •Зарубежная радиоэлектроника', 1995, №4,29-37.

2. Отчет о научно - исследовательской работе, шифр 'Максимум*, V этап,1994г.. ОКБ "Рубин", per.Na 742,182 -194, "Лазерная искусственная звезда как динамично формируемый опорный источник излучения*.

3. Бакут ПА, Ершова О М., Шумилов Ю.П." Статистическая модель искусственной заезды", тезисы доклада, труды XXIII Мбждународной конференции "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", 229 - 230, Украина/Гурзуф, 1996г.

4. Бакут ПА, Ершова О.М., Шумилов Ю.П. "Лазерная звезда как опорный источник иэлучени при формировании неискаженных изображений ИСЗ", тезисы доклада, Международная конференция "Современные проблемы астрономии*, 131, Одесса, 1996г.

5. Бакут ПА, Ершова О.М., Шумилов Ю.П" Расчет энергетики искусственной лазерной звезды", "Квантовая электроника", 1996,;' .

№12, 1100 -'1-104 . ■■"■■■, 'Л ■Vi-7' 'Vi'¿V

6. Ершова О.М., Шумилов Ю.П. 'Методы расчета энергетики искусственной лазерной звезды", тезисы доклада, XXXIX Научно -техническая конференция МФТИ, г Долгопрудный, 1996г. МФТИ.Ш-K'ijl90 4 авб/.ТИР, 6*0 э«-