Статистические характеристики лазерного излучения в турбулентной атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Патрушев, Геннадий Яковлевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1994
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
■российская Академия та
ордена ленива сибирское отделение иштитут оптики атмосферы
На правах рукописи УДК 535.36; 538.56
патрушев геннадии яковлевич
СТАТИСТИЧЕСКИЕ Ш&ШРШЯШ ЛАЗЕРНОГО" ИЗУЧЕНИЯ В ТУРБУЛЕНТНОЙ ДТМОС&ЕРВ
специальность 01.04. 03 - Радиофизика
■ 'автореферат . . диссертации кз соискание ученой степени доктора фюико-штеиаткческих нзук. ■
* - - - -
Томск - 1994
Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН
Официальные оппоненты: доктор.физ.-мэт. наук, профессор, * . .. Глазов. Г.Н. ; ■
доктор технических наук, ■..•' у.: , . Тельщтховсзсий Е.Д.'-' "доктор физ.-мат. наук,профессор • Якубов В.П. '
■ .Ведущая организация: Томский Государственный Университет .
Зашита диссертации состоится "18" декабря 1994 г. .в ДЗчас.ОО мин. на заседании . специализированного совета Д 200. 38. 01 ло'. 'защите, диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте, оптики атмосферы СО РАН.сб34055,Тоыск; пр/ Академический.Р .
С диссертацией ыокно ознакомиться б'библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН-.- V V.; . '" • 'У- г^';'' - Г' '
Автореферат разослан "/^"ноября 1994 г. •
Ученый секретарь специализированного совета
. Кая.физ.-мат.' наук ' • Веретенников В.В.
ОБЩАЯ ШШЕРШТШКА РАБОТЫ. Актуальность тоын. -
Атмосфера п осо&жкс ее празедккй слой осзздовг суиестеешое, часто основное- алия-ко на зарЕнтерпстиск лззгргл: ксаплексоз различного назначения. Вне ■ линии поглощения излучения свободной от аэрозольного защтнения атыос?сры естественная трехмерная турбулентность становится осповшц фактором, опроделямзт ФункцасжропзЕКэ лазерных ксяошхсоз. • '.Поэтшу статистические характеристики лазерного излучения. з турбулентной атиосфере язлпягся продаете« изучения я исслгдевштя узэ более ЛЗУ2 десятялэтяз. и» поезякен ряд кскографзй и обзоров, иодзодявях итоги опроделеагш: этапов и • вздрэвлешй иссладсзгшвй '«.Татарский 5.it.Гуршп A.C.,- Kcsbuob ДА.} Миронов-.ВЛ.. Кск А-И/; Шизов З.И., Банах В.А., фиск В.П.. Саачвз а.й.. "ishimaru 'л. .fant о к., ctrehbe-hn j , и другие отсчестпеЕтко и. иностранные учеяко .. ' - • , _ • .
В связи со слсншость»' прсблсаы значительное. бслывинстео пссл8до!затдт!! носит преимущественно теоретический' характер, направленный из выяснение' ши уточненгг. лршцкппздьных • вопросов-. • Развитые "о теории метод»- -расчетов- •2зрахтёркст15к'..оцгпчоосог6-' излучения при распространении 'з турбулентной' атмосфере носят' пркблишшый характер точность или границы щд>енш>сш которых, как правило, опрэдодяптся из экспериментов. Это связано с'тс:.', что при т&оретичосксм исследовании используется ряд лредпоЛоЕснзй о характере флуктуации поля оптической волны, либо о саскстзвх годя показателя, дредсадекия,- что--. приводит, иногда. к . сяпкои грубому* описанию рассматриваемой' характеристики. Поэтсыу особое- значение приобретают экспериментальные исследования,, достаточно полно
з
учитывающие реальные условия работы в турбулентной атмосфере.
Цель рзботи а гаеэта исследования Основная ие.пь работы ссстошэ б комплексном, преззыуцественш ахслеринентальном -исследовании .статистических характеристик .лазерного;: излучения в . рбапыасг условиях распространения ь ■ пр7.3£ш:оц'. сяоз агаос'Феры. с учетов , особенностей фунинюкированпя 'перспективные лазерных систш..'.' ..•"-..,."''',. : '-
. .При■. проведении исследований. 'ставшись следующие основные .•":.задачи:':-, '- д дд'Л-. -ъ." :' ■' ••'■.' '. '. '
'•"г-", разработка и создание' комплекса зляарагурк, методики проведения измерений, лрограаы' обработки''.'.экспериментальных данных в условиях , -сильных флуктуация кнтенсзгано'сти;." ,"'■;. 1 '■' .'-'..-
- 'получлше.,качественных теоретически: н экспериментальных данных о; пространственной,. вралекной. г! .пространственко-вреыешой структура'.. 'Ояуктуайй'--1- ^растеряете- лазерного изучения 'яри *
'. г ^ксперз^сагаг-ьесг «ссхсгсвеогд пготюстн вероятностей флукгуазва' интенсивно«:!: , язаг^&дгй •; я Фунгсша: усреднения 'праеяшй •
трвесез:; - '■. - .'' -
. нссладоьгЫо дш18ш5я:-т^булкггаэс1и ешос?ора 'га херсетарлсшш
уГЛО/аСГЛ.^у* устройств.
:0снйзныэ.результата.-д. Диссертация зиоевт крупный ваш,в решение проблалн ■ распространения воли в турбулентной атмосфере. В этой с&асга ^ррса.ла^чбш:-^едгш1в'.рвэуя»таты.... 1 '{^«ботенадгтсоздаш;^ кошшасс,. ыетодшеи
"'нррвеДеикя '' 'обвепечаваадае'^ получение корректных
гжсшр1жагельЕыг> чязавкг ' -до.■ распространешво .оптических к .е53Гйй!Чоеках?ваф. с 'ап&с( гщ.. Яэдась составной частью ишдлехса
•самостоятельны! интерес - представляют: оптический измеритель скорости турбулентного лотог-а; ультразвуковой заенс-тетр-тегмоаетр для измерения турбулентных характеристик в лриземноч слое атмосферы; оптический 'измеритель внутреннего ;-гсотаба турбулентности.
2. Достаточно подробно исследсвана структура флуктуации поля лазерных пучков на jipssmx и локзашшых трассзх. Установлены границы , Б&риЬщй лростракствегаск. вра/екны:-; я
прострзкственно-вршснныг зяграхтериспк флуктуация слт&ношзности и потока излучения • з зазисюгости от граничных условий. типа отражателя. йэт®нс1шкссти турбулентности. При этоп' кеожократно демонстрировалась неадекватность тешася расчетных розультзтоп.
а. Показана кеолкородюсть досперсии >\луктуз1п-ш' катенскзкости в сечении узкого холлгшированкого "пучка"" , наличка. значимой отричзтелыюй коррелящя флуктуащй. юттенскзкЬстп г,
'пучках, фор;л1рув!апс равносигпэльное- направление з турбулентной siMocíepe' и от.отлхе корреляция от едияиаы л ля рзсхояяаяссн. 1:вззисфер:г-:г~ан золи;
б. Установлены вариации эффектов, усиления обратного рассеяния и флуктуации интенсивности в ззипажостп от китслсизности турбулентности и условий отражения. Показана важная роль высокого качества изготовления уголковых отражателей на тонкую структуру флуктуецнй интенсивности излучешя. ..
о. Введен козья масштаб подобия,, учитывающий злилгло флуктуеиий скорости ретро на временные хзрактерястихи лазерного излучения. Исследован»! грант® вэривпяи временных ■ и «ространствешо-врененшд: характеристик -)лукг,уощд"; :галу««нкя в зазксяности от сооткокенкя ыеяду ерв&к^и к Ол';кт;;гж-омноп
• хоипошнтами скорости ветра, инте;:..ивкоити турбулентности и условий приема и отрадная.
3. Б результате экспериментальных исследований показана большая роль К-распределения . дпл описания ' плотности вероятностей флуктуоций при ' распространена' в турбулентной атмосфере. . Флуктуации интенсивности, хорошо аппроксимируются К-распределением при насыщенных флуктуацяях, при отрак&нии от матрицы уголковых отражателей, в дожде при больших /оптических - толщах. Выводы по ■'плотности вероятности базируются,на разработанной автором методике точности измерения 1 высших" нормированных моментов случайного процесса п., использовании '.при ' измерениях аппаратуры, .тлеющей достаточный данзшческий диапазон, ' "., V. .-
4. ■ Без каких-либо - ограничений -.' исследованы .. турбулентные Флуктуации угломурннх характеристик с центра тяжести изображения и-пеленгаиионной характеристики? ,'систем.. Показан:. что предыдущие исследования, • •.■уадгыравщие"'Сфлуатуашвг. .светспого. дотока через апертуру, лекорректн^. Устэноблеко, :-что с уведич-жем диаметра" Кришне-:: гг^-рт;,;;; ^.ч^хуация австро • тжастх? лзобра:»ьния гораздо.
сишьс убаьаат. чей это имеет несто а сд>ча&. когда фдуктуацияш потока ' «ароз апертуру ыойно пренебречь или производится их
вршезавое .сглзалванае. Выявлено • сущестзеннов • влияние флуктуации
спешного потока на флуктуации пеленгашюнных характеристик и
подучеаа ана)етшческиб вырошшя, позволяющие их учитывать.
Яясжаияап» зремеииы!* характеристики флуктуации рзвносигнального
-. шииамвякр в гурбулентнсй атмосфере:
5, Разработаны . и - апробированы - новые методы измерения в
сл&сгральчой области скорости движения турбулентны« потоков. Их
преимущество заключается в том, что они полнее учитывают
' отклонения' турбулентной атмосферы от однородности по пространству и времени, чей .корреляшошше 'методы'.'зондирования, "шеют болызув оперативность измерений'.;.■■..•""'-'- " ..■'■.'.'
6 Показало, что усредняющее действие ][риешюй апертуры на г-эссе . с отражение« существенно зависит от Флуктуации светового потока
через апертуру отражателей' и при прочих равных условиях существенно бодыае для матрицы . уголковых' отрэкзтелей, чей эквивалентного по площади зеркального диска. Для'большой апертуры Функция усреднения убывает обратно пропорционально ее площади.' *
7 Разработан акустический анеиогетр-теркоиетр. представдяю'дий . общий -интерес для . 'проведения исследований
пространствекно-времейюй структуры поля ветра - и температуры в приземном. . слое .' атмосферы, ; и, имеюкий широкие -, функциональные ' бозмощости для измерения таких Характеристик,—•-как-■ -структурные^' Функции' поля ветра, температуры, .количества движения воздуха, турбулентных потоков тепла, тензора поля скорости ветра.
- Н а у " ч н а я -новизна' ' результатов работы определяется тем, что впервые экспериментально установлены:
- эффекты усиления обратного.рассеяния и,усиления • флуктуации интенсивности, сдвиг .'их временного - спектра при отражении, от зеркального диска в приземном слое"- атмосферы;""г ; ' *" - - -
- нэсыщешге. флуктуации интенсивности при распространении излучения в турбулентной атмосфере с осадками; . . - •'..-- -
- масштабы вариаций крененной и пространственно-временной
структура интенсивности и потока в зависимости от турбулентных Флуктуация скорости ветра по трассе; '
- без каких-либо существенна* .ограничения.. исследовано "влияние турбулентности атмосферы на угломерные гарантеристики оптических
устройств: " . • •
■ экспериментально установлена пр:а яшость . К-рзслределения для отсыия плотностей вероятностей насышмых флуктуация
1 '¿ЛСПБПОСТИ \
показана неадекватность ряда присяжных расчетов по статкстическж характеристика-! лазерного излучгшн и турбулентной
уп.;осфере; •
- разработаны новые методы зондирования скорости движется турбулентных потоков.
На '-защиту 'выносятся следующие положения:
1. При отрокшигг сферической волны от .'зеркальной плоскости наблюдается эффект •. усиления обратного рассеяния в турбулентной атмосфере. Эффект . локализован в пространственной облчсм, совладдацей о радиусом корреляции волны на отражателе.
2. Эффект усиления флуктуации интенсивности при отражении -от зеркальной плоскости зависит от дяфрзхекошюго рэзаера излучателя при слабых флу1сту2;д;гх ;ытенсиа:ос?и турбулеш ности и локализован в грострг-нствешай области,' соотретстьуюшс-й лерзс-й зоне рронеля. Зл^ект с-лановитсй дога при ваатаиэ« флуктуации интенсивности
Д £ 5. Усдовдг с5рсгпого рзссок«иу и интенсивности
V Р
сильно зазкспт от качества изготовления уголковых отражателей.
3. Флуктуации интенсивности в турбулентной атмосфере с доздеи кааадаятся при оптических толщах 5, уровень насыщения на ¿дтш трассах определяется как. турбулентность», .так и интгнсизаость» осадков.
4. <5 лук Tyair.ni катекажносга квззксйернческой волны "при отражении
от компактной натр;?ды с болысиы. числом уголковых отракателей наськазтся.на уровень,-соответствующий фохусированнсыу пучку иэлу-
* чешя В =с 1 • 4-1.. если флуктуации потока' через апертуру матрицы.
V/ --
■ .' •.' а
вносят ке£олы"ой ислзд во флуктуании - отраженного- излучения, а размер уголков больше рэлнуса когерентности излучения ьз пршой грассе. •
5. Грп отра-пенкз' от зеркального диска и уголкового отражателя ккеот место низкочастотный сдвиг временного спектра флухтуацкй интенсивности, в то крени кг-к при отра-хекии от матрицы уголковых отражателей спектр становится более ексочочастогнки по сравнения с пряной трасссл.
6. Все заркзили врьченчуд и пространственно -временных характеристик *лукгуащй цнтевстеостд з потока излучения за счет измерений скорости ветра сшд^адгся зведепиеп эффективной скорости ветра. Эти ззрзащ'Н накопится кежяу предельней случаями, соогветствукдазд .ртсугствко £луктуац1й. serpa или, наоборот, отсутствие регулярного ветра по трассе, .
.7. Плотность вероятностей хнпьвых'' Флуктуавнй интенсивности отличается от логарифмически ясспаимгой и при кзсзшнчнх Флуктуациях приближается к К-распредедеи».' В до.-щз щчг Ccjiba^x •оптическпх танцах 5* и при локанин угожрзнх ограггзтелей <■ ро{1) У ■ плотность вероятности': ищ-оесив'юспт соответствует К-распределению. ' : ' 1 ■ - ■ • ' ' •
0. Углонерпке характеристики одточескш:. устройств сильно зависят;
от гурбулентнжс флуктуатзаг потока через приемную апертуру и не
согласуется с икею'лашся расчетами, Для квазисферической волны
флуктуации центра тяхести изобраке;шя зеркального диска в .два раза
больше флуктуации изображения окзиваленпкн* по площади компактной матрицы уголковых отражателей. : .'.','
Обоснованность и достоверность основных' результатов работы следует из:
Q
- необходимого и достаточного контроля Ый'еоусяоЬйй « Их ' стетгсизр^ссти зо вреня проведзш;я взморсйий!
- достаточным динамическим и частотный дйэпазоизми регистрирующей аппаратура, хорошими метрологическими хврямерййтикааа аппаратуры метеосопровоздения'измерений;
. — статистической устойчивостью и неоднократной юспрокзьодййостъю ■ экспериментальных данных;
совпадением результатов . экспериментов с корректным теорегическши данными; с результаГамЙ других независимых измерений. ...
Научная, и практическая значимость. Полученные результаты по' пространственной, временной: и пространственно-временной структуре флуктуации ичтенсшюега, плотности вероятностей и флугстуаю!^ угломерных характеристик' оптических систем позволяют оценивать, влияние турбулентности" атмосферы на Функшкшрсвэние ; лазерных устройств и баш' исподьзогаы при проведении' ряда р'а'бот по закладной тематйФ» Разргбота-шый и реатозовашуй кетод глтегральной .по трассе зонктоБса..ч: скорости 'вет-.г. на осносе , когерентного' анализа Флуктуаитй находит' применение в разных отраслях» в уса числе в ыетьорол&пхз. . Ультразвуковой ажмсметр-терУойегр Шайг '¡айро'кйе йунхэючапЬные возиоаности и используется прй й^следобаийи лроспранственно-вренешой структуры поля ветра, Температуры, скорости трения, потоков тепла, других турбулентных характеристик в атмосфере, разработке методов измерения скорости беТрз ¿.'орреляетонний! и ■ дспплеровскшя лйдарайи. -'
А п.р с б а ц к я р а б о т И ...й ",Я у § -Я 11 X 'а й й 11-. Результаты исследований по гег-ле диссертаций докяаяВзалйсъ йа "Трех невднародвых. конференциях 1930,1939;-1333гг-. » '5-Ш Ёс'осоюзных
конференция* по распространению радиоволн с1972-1991гг.э. 10-ти
Всесоюзных «^Межреспубликанских5 симпозиумах по распространении лазерного излучения в атмосфере с 1971-1993пО, 2-х Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондирован:;^ атмосферы с1982г.ЛЭЗТг.3 , специализированных семинарах ИОА, ИФА РАК, отражены в монографиях 12-53 л обзорах.
По теме диссертации опубликовано 43 научные статьи з центрально? и эарубездой печати, отражающих ее основное
содержание гв-зи., оформлено более !0 отчетов по НИР. получено А авторских СЗИАФТел&СТВЭ
• Основное содержание" дассертшвд,
-Глава Прострацствешш__ц врецедане характеристики поля волнового пучка в турбулентной атмосфере, В ней излояёки'основные .теоретические результаты по исследованию флуктуашй полей волновых Пучков в турбулентной атмосфера со, а, 1Л, 24. гсз .
В • приближении метода плавных возяушенпй рассмотрены •прострадстЬошп-ге. - временные- 1 и пространственно-вреиенные харщ5стерисццс< Флуктуашй уровня амплитуды. Для двух пучксв, оси Которых .пересекается ' с центре одной излучающей .апертуры: формирующих. так называемое рзшюсигшлыюе направление, получено интегральное прэдетазлешш для взаташц' статистических характеристик полей пучков, из которого гсэк частные случат поддаются все полученные другими авторами характеристики одного пучка. Впервые проредеи детальный численной анализ полученного выражения, в результате которого установлены масштабы угловой корреляции Ф.пуктуашй уровней вдтонсздностей пучков, Форыирую^згс равносигнальцое направление, степень пространственной
игоявородности по сечени® пучка в эобйстосгк от ДйСГ'^иконтюго размера пучка к расстояния от его оси. Указано КЗ существенное в.аияние шзхочзстотного участка спектра показателя преломления на флуктуации уровня затотуду.при саекоааи прие^Ш-ОВ с осв пучка, что приводит к увеличению относительной дасПерсмя флуктуации уровня и отрицательной корреляции $.г.уптуашл> уровней и^тенсивкостей в узких лучках излучения.
В- третьем разделе исследован наиболее общи до настоящего времени случай отраиешя гауссового лучка излучения от сериального 'диска, которьй рассматривался многими авторами. Исследована зависимость' величины усиления флуктуации уровня элплптуцн от дифрактгиояного размера лучка,', угла отражения, /юпоиения приемников в карташюй плоскости относительно осп отражения. Установлен низкочастотный сдвиг временных спектров флуктуации " уровня еынлнтудг и Фазы -в зависимости' от угла отражения и положения нрпсйшха от оси жиуч^-кя н к^глгааой плоскости.
£ чо; орта: - резоле в ггдотезы "локально
• тур-;?.' %гг> ».«ггя кссгг^зша' ' »ревенная и Т!рос»^ствошо-вр?!5сшгс-- г-15'хг,' коррел&цискгчая футодая. спектр . >;йГ8р<йгоюсти, Лазовк? гаоктго структура флуктуации уровней
Показано.. что все вар.яиж временных и • про-характеристик флуктуации уровней шплитуд
ж -ж* лэрпешэкулярпой к трассе распространения
з;,-оростк г это« гюто учесть введояаш эффективной скорости,' опре-
ее-; сриШи к срёянеквадрати"бскш значешяш. При ^о? '4Ы. р;.:а-ч'зтр^зае.'лке характеристики находятся ые&ау дауа?
завасшостяаи, соотвётствушыи случая.? отсутствию зехри яо грассо ш кзоборс^'-сре-лиего ветра. Показано з/ййф^ь лиэдзашаг на апертурь и флуктуаипв скорости встр;; «с
1Е
трассе на -спектр, когерентности и фазовый спектр, а такяэ на временные спектры флуктуации интенсивности,- ..
Глава 2..' Аппаратура и методика проведения экспериментальных ■ исследований. '.'.:'%'-;
Экспериментальные исследования статистических характеристик лазерных пучков, в турбулентной атмосфере требует аппаратуры с широким динамическим и частотным .диапазонами. Аппаратуру условно цожнс . разделить на два;, вида:. а) для проведения оптико-метеорологических ' измерений, таких как структурная характеристика показателя преломления; С ^ скорость" ветра по трассе...распространения,-..оптические- тракты,"формирующие лазерные пучки к т.д.; б:' ..аппаратура- для"звтоматкзировашой регистрации и ""обработки- -результатов —измерений.'Прл., ^выполнении исследований автором использовалась в .'основном оперативная регистрация шформэ-" Ш5И на многоканальный цифровой магнитофон с-синхронным получением данных о параметрах атмосферы: .. С и - внутренний - ыасаггас турбулентности б0 '..с; последующим' детальным анализе.« результатов 'измерений:. ;■_■'_-V -"''. " -" ■''-.' ■ " " - ' ■'.
.. Как показывает опыт,/это наиболее оптимальный способ.'/;„ -проведештя-таких-исследованийХ .. '///.-; '.-..'-" - О.' -
В первом раздепе второй главы рассмотрены статистические
погрешности.- . измерений, . которые, определяют',-•*,требования ~ к регистрирующей аппаратуре и продолжительности "того или иного
эксперимента., Авторон впервые рассмотрено, совместное • влияние
конечности времени измерения и ограниченности динамического
"диапазона значений „лришдааемих. сдучекшии. процессом в реальных
экспериментах. Но конкретных моделях логарифмически нормального и
гауссова процессов получены выражения, позволяющие при загенныг.
точностям: измерений определять продопиптельность экспериментов . Показано, что за счет конечности реального времени измерений
точность а;стер;шелгадьиого определения висьтх нормированных иоаеитов интенсивности невелика. Реально, это обесценивает теоретические работы, в которых нз основе поведрдая высиих моментов интенсивности делались выводы о плотности вероятности флуктуации интенсивности лазерного излучения. Поэтому' автором использовалась, главным образом, ' гистограммная оценка плотности вероятностей. Выводы автора о точности оценок высеих моментов в той иди иной форме были позднее повторены с к. ни:, .г. сьи^ п^т.зе и др.э. Требования к точности оценок гистограмм, моментов, спектров были учтены автором при создашш программ обработки эксперклен-талы и/. данных,"которые прошли экспертизу на новизну СЗ1.20 ;.
Во втором разделе дается олисаяме аппаратуры для измерения характеристик атмосферной турбулентности. йсчодя' из задач экскс«"«зодташюго исс-ъ-яоешня флуктуации характерисплс лазерного излучен:.>:. измерялись структурная'' •характеристике* показателя ярюешк.эд С^ , л тг=ссс реслрострздешкя компо-
понта скорости , о^у.знутрс-кая туроул-жтностн £ .
Для изиорошш остэ/ьюс: уетеопграметроз при необходимости
использовалось соответствующая стандартная аппаратуре. Определение
С проводилось по. значению относительней дисперсии флуктуацгтй о
с^орическеи волны р , отраженной от зеркального диска диаметром с 100-120мм.5 иод углом так, чтобы прямое и отраженное излучеш:е распространяюсь по розны;,! оптическим неоднородностяи. Зависимость'
9 2.
волячаш от С„ вплоть до уровня насыщения пркнерда равного 4'-7 описывается с хорсией точность» выражением: ■
где ^ = 75-100 и - расстояние от излучателя до отражателя.' Излучателей буди ОКГ без формирующей оптики, пркеннккоы ФЭУ-7В с входной диафрагмой 0.5-1 га. Этот метод прост, в. реализации, тееет несомненное преимущество перед градиентными и другими локальнши измерителями за счет большей репрезентативности за счет пространственного усреднения по трассе и работоспособности при ■ палых градиентам температуру и скорости:: ветра, когда локальные - измерители дамг бэлыяуя погрешность.
Способ измерения внутреннего ыэсатаСа основан на
чувствительности высокочастотного "участка временного спектра Флуктуанж интенсивности £ б3 ' к его вариациям. Оперативно веля" "чина определялась по-отнокешп^дисперс;!!-]. флуктуации сигналов в низкочастотном и высокочастотно:,! спектрапькчх интегралах при известной, перпендикулярной к трассе распространения скорости : ветра. Более точное определение осуществлялось в результате спектрального 1 анализа ■ флуктуации , сигналов от оптмческого
о
измерителя С £ . .Измерения поперечной к трассе распространения скорости ветра лрозодитсь, 'глзэнш образен, акустическим
анемометром".'На "" первых' ■ "этапах ■ --исследований испол&вовался
акустический анемометр фазового типа : зз I, начинал с 1987г. -шемГ'метр-териоыотр временного типа. аналогичный .по характеристикам Фирмы к^а jo иогиа 'с 37 ]. Погрешность измерения мгновенной скорости ветра 'жя прибором не более 0.05 н/сек,
средней температуры не более 0. ¿°С. Его использование позволило
»
- исследовать' "влияние фдуктуаГитй скорости" "ветра по- трассе распространения на временные и пространственно--временные характеристики флуктуации интенсивности.
Для записи и воспроизвадения данных оптических экспериментов использовалась разработанная по техническому заданию.автора 'I зо з аппаратура цифровой,'.'регистрации ■'сигналов со следующими характеристиками: количество аналоговых, .входов 8, динамический диапазон 72 д5 ^12 разрядов двоичного кода^, максимальная частота дискретизации 20 кгц, коэффициент, выпадения информации в зависимости от магнитной ленты - . 1-3 ^10 - 10 . /, максимальный , обьем непрерывно регистрируемой информации кэ одну капптнуп ленту длиной 0.5км —10 Мбайт . Использование ' аппаратуры с такими характеристиками, ;, позволялоу ; поручать . '.надежные; данные по гистограммам ..флуктуация/' сигналов . в широком -дкалазоке.' значений сигнала 0.01 . 20-'¿0, <■> - среднее значение сигнала .
В третьем разделе приводится кр&гкое.. описание созданных при непос редственком участии" и руководстве, автора установки дгя проведения
измерений и особенности трасс рис.фг.стршснпя. Для. исследования эффектов по флуктуация,! интенсивности обратному ■' рэссешию испо- !/ льзовалисьГ локационные ,• и "и"; образные трассы ,г 23,27.28.33,34. 38-40,43,46,49 3 .для которых'в качестве, отражателя применялись высококачественные; зеркальные . диски ,',диаметрами :■: 30-50 \ см. Использование таких .трасс .позволило' достигнуть в экспериментах значений параметра $0(21.)11 [Ъг'С*. ^ ^(3. ] 13 при расстояниях от/отражателя до излучателя'; ил.»,:'1.2-1".8 кы. при
достаточно однородной турбулентности по трассе, к оптических топщ 7 .-12 г 28,50 .3.■ ..Использование -у передзияют. ■ V смонтированных, на .. специальных тележках страеттелей позволило организовать, трассы, ориентированные./одновременно-. вдоль и • поперек• средней; скорости ветра при исследовании"- временной и" пространственно-временной структуры флуктуации интенсивности и реализовать в зксперпаеятах
отношения / где <3^ - флуктуации перпендикулярной к
трассе компоненты .скорости ветра у. сзл.зз.зв). Была исследована с применением акустических анемометров и передвижных отрагатэлей однородность поля ветра и температуры на расстоянии до 300 и от измерительного павильона'. Оказалось,. она существенно зависит от направления ветра. Наибольшая неоднородность наблюдается при налы:: ветрах и она зависит от направления скорости ветра на местности. При исследовании временной и пространстгонно-временкой структуры флуктуация: интенсивности измерения проводились при достаточно однородной по трасс© скорости зотра.
Для исследований статистических характеристик лазерных пучков при лйчноц участии и непосредственном руководстве автора были —собраны--■'установки: .. зля.. исследования , пучков., формирующих . -равкасигнальное. .направление г "i3.is.se/ з, усиления" флуктуации интенсивности ( еа i н обратного рассеяния г J, центра тяжести изображения э условиях флуктуация .светового- потока через приемную •' апертуру t ■j, пространственно-временной структуры ' ф.гуктузщщ интенсивности i а? 5, Во всех случаях при формирования стоических .пучков -.уделялось.-'внимание -. правильному определению параметров, характеризующих.. дйФра1сщютше' ^размеры' пучков, развязно между
сигналами получаемых от • пучков " • формирующих равноснгнальное неправпоние и т. д. Для формирования квазиплоской волны и узких
кедддаирерзддах пучков использовался вксокохаиесгеенпьм линзовый обьолткв с выходам дишегром SOU ш. *
При исследовании . эффекта . усиления обратного рассеяния и .., Флуктуаций—-интенсивности- использовались - высококачественные лризменные уголковые отражатели с ' точностью изготовления двугравдых углов при вершине уголка ™ 0.5-tS yrr^ux секунд.
Глава 3 Исследование обратного рассеяния в
турбулентной стеосфере.
При отракекии полн от об екюв, располояенкск в случайно-неоднородной среде строго назад наблюдается увеличение средней интенсивности отраженного излучения по сравнегаж с однородной средой. Зтот факт получил название зффектз усилен;«) обратного рассеяния и отнесен к числу ва;:зшу тем исследований в оптике и радиофизике . Экспериментально подтверждение этого эффектз , при отра&енни от эеркальнш об ектов в. турбулентной атмосфере с зеркальный диск, уголковый отракатель-Э со робот автора получено не. било. Перспективность таких исследований связана с повышением потенциала. лазер;±ш: систеа, создаш'.ен устройств дня зондирования структурной , характеристики поля показателя преломления. -.[.,■'.'.,
Для кодачэстсспной оцеаси усиления средней интенсивности.
отраженной волк,' ВЗОЛКТСЯ ьоэкяжшт " \Р)
Л
. <•/''' -¿о-А ** &
к ^
где" <' il.jP)/ - распределение сродяс-й ш.тенсизкости ь карпшнсй
• -г
плоскости стри^еншй- - средняя интенсивность
отрзпгпной -волны в лренебрезенш корреляции пряаой и рассеянной
7 И ■
г;ри отражении вода. В зксдержезтё < 1 (^1Р)У ^¡^ зааеияяось на среднее значение ептшсшшосги опорной волны Г* (р) при р- ^ с следовательно в эгса сяучаэ определяется относительное усиление^,
' л
о(1,р) ьсрмкровал;«;1 на срадвее значение интенсивности корраляцкотня Фугеншй ка'пряаой трассе.На рис.! приведены графики
о:-ссиер;з92ггального сравнения Фактора усиления *&$)>/1
сплоее-кэ кривые к фактора ■ усиления, который в соответствии с
ю
ÛS0 fS-
a À
с треугольники ->. . Иная ■ ситуация нэбюпсэтся
теорией описывается ЗавИ-СИМОСТЬЯ / 1В fi,P)
: с 'щТрИХСВЫЭ
: кривые э. Как видно из сроа-' нения графиков ' совпадение ! данных хорошее ПРИ дги-^-5;?
с кругки з и несколько тц>о
'I!
лсхзшя
существенно
ограниченных призмснкых уголковых отражателей. Ка рис.2 приведены измеренные распределения средней интенсивности при -0.3 в
•картинной плоскости отра-: аешгай от уголка диаметре;.: 2 ^ ™ Е0ш-1., В услоек-'■ ях зксперше:гга на таш» диаметре укладывается две . зоны Френеля сферической золнк. Звездочки относят-
Ыс. 2
- ся к.случаи,. когда излу-Я m чатель - расходящийся пучок. кружка® обозначены
данные для КЕазисферической водны, Линией ) представлено расчетное распределение средней интенсивности для условий эксперимента. Как видно из сравнения расчетных. и экспериментальных данных, ' они качественно не согласуются. Это связано с тем. чтс реальный-уголок с резкими краями заменялся на уголо^ с шшкьки гауссовыми крайни, учитываемые.нераз • козффиииент отражения. Более лоздний" расчет, выполненный для; утолка ,'с'резкими кражи дал качественное согласие с экспериментом: •. Однако. '• количественное' совпадение получить' не удалось из-за' того', что реальный' утолок кея • отклонения от прямых./ двугранных углов, при еерыине, ' что сказывается на распределение'' средней интенсивности. ■ Поэтому олисазю и расчеты , 'статистических.-. характеристик флуктуший интенсивности при отрешат от угзлков долнаа' проводга ьсч с учетом совместного влияния турбулентности атмосферы и погрешности изго-. изготовления -уголковых .отрзюгелей., ¿яалитичегки это сделать, довольно трудно. Авторе« 1 41 з подход ' по - исследованию
отрёи&ог»- кздуч&мя ¿.'¿тс^оы статистических оспыт&ней. когда тур-булишш срс;ч^ распространения модэлноуется набором фазовых экранов и ставятся реальные граничные ус...озия из уголковом отражателе, о том числе и с учетоу погпешостсй. изготовления. .При наличии момной йЬМ такой подход йрляется универсальным и используется в Настоящее время в СИЛ, Дачные Моделирования йсно показывают, что веется большое различие в величине эффекта усйЛойй обратного р^сссянйя зеркального диска и уголкового отражателя, ймевиже ОДи-разиерЬ! о!ракаю'лей апертуры. ]. .
Глава 4. Пространственное распределение характеристик флуктуация интенсивности. -■■■'•' -..'.'.•-''.
Важнейшга стотисточескинк .. параметрами, : ояределяюикш
характеристики лазерных устройств в атмосфере, являются дисперсия и пространственная корреляция флуктуация интенсивности и потока излучения, плотность вероятностей Флуктуации, .'втором впервые экспериментально установлена пространственная неоднородность относительных флуктуаиий интенсивности в сечении узкого холдижровашюго пучка пзз ./¡оказана также неоднородность флуктуации ийтрнсивностя в пучке, образующаяся при отражении сферической волям от уголкового отражателя сгчз. Увеличение величины относительных флуктуещй связано с увеличением вклада во флуктуации случайных блукдап-й пу«а, обусловлегшьгг низкочастотный участком спектра поля показателя преломления при сиегопии приемника с оси пучка с юл г з, Слогнуй характер зависимости флуктуапгзг при отра-~кеяая от ■уголка- связан- с тез, - что при размере его з две зош Френеля распределение кнтохгскбнссти шеет неионотснньй характер .
Автором впервые • достаточно подробно исследсзак эффект усиления флуктуации интенсивности в зависимости от ди$ресцкогак<го ■ размера излучавшей апертуры и турбулентны;: условий <"парзаогра'^о>. Усиление флуктуации при страпенж огагсмзаэтся хозЯашеигоа К = РоТ I, гяо £ - относительнее флрсгуашж интексшностя кэ прямой трассе, длиной.2!_ при тех ко условиях г-гспрострачешк, что и из отразешчой трассе. Зависимость веллчиш К отраженной золнк от паралетра^С2г'.)для плоской волна 1 . узкого коллимировакного лучка 2 и сферической волны 3 приведены ка рис.3. Видно, что усклэше флуктуаый наибольшее для сферпческсц волны и продолжает сохраняться при существенно большем значеыш параметра р>о некели для плоской волны-.- При значении ■ ■ 1, усиление фдуктуаэдй хорош описывается в приближении метода плавных возмущения с расчет -кое усиление соответствует значению К при—> с гг. 4.3 з.
флуктуааий интенсивности сферической волны при отражении от зеркального диска для различных значений параметра Уффект
усиления флуктуации так ке как и эффект усиления 'обратного рассеяния локализован з области первой зоны Френеля и-, существенен при 5 Эффект усиления отшсиг«гала« фдуктуапкй интенсивно-
Д та практики , представляет интерес - отражение лазерного изучения от пространственной . решетки уголковых отражателен, которые используются в системах траектсркого измерения угловых координат различных об ектсв. На рис. 4 приведены экспериментальные данные о зависимости флуктуации интенсивности^? от параметра при отражении от матрицы из 12 уголковых отражателей, образующих компактную двумерную решетку диаметром 3/£"12.5са. Здесь же нанесены значения структурной фунаши Флуктуации разности фаз на диаметре решетки(-0 • Т-С^К ? 1 (££) ^ ■ Линия 1 соответствует зависимости: ^ от гзз при фокусировке излучения в точку наблюдения, атрихозэя линия 2 представляет глазснернуэ аппроксимацию экспериментальных дачных. Насыщение экспериментальных данных на.уровень? соответствукщй фехусирозке излучения обусловлено тем, что система сферически'! излучатель, ."матрица уголсоз, представляет сетофояусирукщуя систему. 3 работе показываются, что зависимости величины ^ от, получение ряден автором дают существенное отличие от мсслеримёзггалькых значений г- •-<> >.
Явление :асыцекия относительных флуктузиий интенсивности при кногокрагнои рассеянии вперед на протяженны* тргссах Е з з турбулентной атмосфера при докде было впервые надезко установлено автором и затем получило подтверждение з целом ряде работ. На рис.5 приведена звоиашость величины отнеекгел&ггмх Ф-аугстучташ. пггонскв-ностк ,3- от оптической тол®! СГ т? синхрон:;«:: на трассе
ч/
длушок а. 5км- точки э и 5км с крестики > .Кружхочи нанесены данные, получегл'ые до работы автора.Явление дасьютляг флухтуецяй штг внешности качественно об яспяется тем, что они &нздваэтся для лучков, гпавлы» образом, сгооч частщ дождя, прилегай!®« к приемнику. Час-тшгх) состалгсх»ует тешобрззуотий слой. прпяегэ*':^ к
, из 0.8 0.6 '■ом 02
Рис. $
приемнику толщиной В
где d -каксималь-ный размер капли, который за- ' висит от
интенсивности дождя. Как правило, он не .превышает G-7 мы, такш " частицам ' дождя \соответствует'■■' тенеобразумщий . слой, порядка сотни метров. На' существенно боneo .длинных трассах флуктуа'см интенсивности' за счет частиц -дотя будут. насыщаться. Уровень насыщения определяется как '• '.'турбулентными . условиями распространения, так и интенсщнсстью осадков t so.pi з.
Во второй разделе; рассматривался пространственная корреляция флуктуации юггенсиености -пучков в равнссигаальнон направлении. Показывается, кт угловая"корреляция узких коллинировакных пучков ' излучения заметно меньше':. дифракционного . углового размера пучка. При этой существенное значение--приобретает отрицательная корреляция, если . оси оптических пучков' образуют ' угол " больше-углового размера одного пучка. Уменьшение угловой -корреляции . Флуктуашй узких пучков по сравнению со случаен плоских волн связано с увеличешеа вклада низкочастотного участка 'спектра флуктуашй показателя предокления во'флуктуации'"интенсивности для пучков, а также высокой корреляцией 'флуктуация центра тязести-лучков за . счет случайных блужданий t -i3.se з.
При отранении сферической волны от зеркального диска -повела- .
05
2
Г
10
2.0
шэ коэффициента корреляции
$>(&,р) зависит от положения —* '
приемников Р , Р^ относительно оси источника £ - 0 ;
Т* —» —> —» —ч -
я Фя, -Р-ргЛ ■
На рис.Б зависимость 1 соответствует несимметричному пс—
лояешю приемников относи—» —
тельно историка ^ "Р/2, а
Рис, 6
2 - симметричному Д » 0. Для сравнения нг^исунке приведены результаты численного расчета 2,2 I 5 з , для значояш радиуса когерентности (>[1,'/5'Си I ) соотвотстг.уюиих эксперименту. Величина коэффициента корреляции по данным эксперимента значительно превышает расчетные значения при Р (р^ > I- Вероятно, причина расхождения связана с тем, что теоретический расчет носит асимптотический характер,точность которого зависит от конкретного значения параметра .
В третьем разделе рассматриваются флуктуации потока лазерного излучения на лскз.ционных трасса. Сглгшзающее -действие приемной апертуры на флуктуации сигнала принято характеризовать функцией усреднения.' показывающей во сколько раз относительные флуктуации потока излучения через апертуру меньше флуктуации интенсивности при прслк равных условиях. Автором исследованы Функцгат усреднения при отрааении от зеркального диска и. компактной матрицы из 12 высококачественных . уголковых отражателей. . Исследованы функция усреднения ):[ри приеме излучения кольцевой апертурой для слабых и сильных флуктуация пе,48]. на рис.7 приведено сравнении экспериментальных значений(Я) для сферической волны, отраженной
— - от зеркального диска с кру.чки > с функцией усреднения для слабых 1 и сильных ,) 2 флуктуа--ций и с экспериментом с крестики СЬш-п-...
По оси аб-
4 6 8 0.1
4 6 о / 2 ___
Рис. ? тс
сцисс внизу отложено
отношение
радиуса приемной апертуры Ц к размеру первой зоны Френеля на ■трассе с отражением; вверху - отношение £ . к величине радиуса ко-когерс-нтности сферической во ты Ро - £о.545 Сь" К1 [ ^
Как видно из рисунка при малых апертурах до 60.ш получешше данные близки к дашпл.! сьш-п^ае- , однако все .¿о находятся выше. Это связано с те«, что для отражешюй во!иы флуктуации шт&нсивности млеют больший. чей на пряной трассе радиус про^трзнотвешпй корреляции. что скээывг ется на Функции ус(»лъгшя. Для размеров апертуры Я Р Л?ТТ Функция усреднения уал'ь-от по -'ьвка'лости близкой к степенной (у^-)"- $ "Л' причем /Ч к 2 (прямая чей к 7/3 (прямая . которая следует из
закона сохранения энергии для пространствилгой корреляниошной функции флухтуаиий интенсивности ш, а зависимость соот-
ветствует суммированию независимых флуктуации по приемкой апертуре. При отражении от матр-зды уголков при одном и том же диаметре приемника, функция усреднения 0{й.) в несколько роз больше, чем при отражении от зеркального диска тех ке размеров. Это об яс-няется ты,«.что уголки отражают излучешге обратно на источник с 481.
В четвертом разделе исследуется плотность вероятностей Флуктузиий интенсивности и потока излучения. Интерес к этой проблеме, помимо ее практической важности связан так с тем, что удовлетворительной теоретической модели, опнсьгсающек плотность вероятностей во всем диапазоне турбупентных условий на трассе доке в случае пр иого распространения, до настоящего времетш не создано. Это связано. пивным образом, с тем, что предсказываемое различными авторами асимптотическое стремление плотности вероятг остей флуктуации к зкспонентвгальнсму распределению не нашло подтверждение в экспериментах. До работы автора считалось, что логарифмически нормальное распределение
г! /• г
ра> {{Гт<гтг<з*р Г-т) I
хорошо аппроксимирует экспериментальные данные при сильных флуктуация:: интенсивности [ ч). Автором было экспериментально
показано', что при р (и) ~ 10-11 гистограммы лучше аппроксимируются I 45 1, так называемым. К-распределением;'
Еьвод о.применимости распределения (I) для сильных флуктуаций интенсивности газ бал сделан из-за использования недостаточного динамического диапазона измерительной аппаратуры г^зз. в экспериментах автора было показано, что К-распределение хорош описывает лгетограыш флуктуаций интенсивности при отражении от одиночного уголка и матрицы уголковых отражателей, при распространении излучения в турбулентной атмосфере с осадкеаи с4о,гзз .Этому результату можно дать следующую физическую интерпретации. Логарифыически нормальному распределению соответствует случай слабых фпуктуаций интенсивности ^ г. 1-й одколучевой режим распространения в турбулентной атмосфере. При сильных Алуктуациях ¡1 > 1 происходит сбразо-офззова-ио каустик и в точку наблюдения приходит несколько лучей по канала« когерентности.Для такого многолучевого реноме: характер- . но слеяувщеэ: число каналов случайно и невелико, ноля в каналах частично коррелировали за счет Фазовьгх флуктуаций.характершй масштаб корреляции которых порядка внешнего насаггаба турбулентности. За счет этого результирующее.поле гагсет статистику отличали) от гауссовой,то есть интенсивность волны отличается от распределения (1) •п экспоис-зпкапыюго распределения.
Коследоиачия статистики светового потока через п, .¡емкую апертуру существе;-чо болы;,у» радиуса пространственной корреляции интенсивности декзззли, что во всех представляв^их интерес задачах лока ;и Флуктуации распределены по логарифмически нормальному закону I Ч I.
Глава 5. Флуктуагш угломерных характеристик оптических устройств.
Турбулентность, атмосферы..--является ■ одниы — факторов, ограничивающих точность измерения- угловых координат лазерными
га
■устройства™.. Возникающие за счет атмосферыошибки рассматривались в монография:: и обзорах. С другой стороны, -такие устройства используются для - зондирования ' атмосферной турбулентности, определении интегральней по трас ;е структурной характеристики поля показателя преломления ' . Исследования автора внесли ясность и существенное уточнение В эту проблему.
В первом разделе рассмотрены смешения центра т жести
изоф^ния ^ )(*,*)
^ р ' р
—»
где РЧ{, -момент изобрэзетшя относитемю декартовых осей ;:,у, Р-
поток излучени", через апертуру приетзап^ь неполный перехют пучка
вренегже сглаживание фпуттуашзи потока не используется ). Такая
ситуация характерна для оперативного измерения угловых координат
движуквгея сб ектов. Автор проанализировал ийевемеся работы в этеа
направлении и показал и:: некорректность :ззэ .которая Обусловлена в
основном двумя факторами: некорректны,: усреднением виразгатя для
$ ; предположением о гауссовом характере флуктуации потока Р.При *ч
логарифмически нормальном распределеззш флуктуации потекз Р получено выражение для' дисперсии фтуктуацкй центра тя;?ести изображения в виде £ П^ > ?
ГЯе<Я.г»>- дисперсия момента изображения относительно осей х и у, рр - относительйяё флуктуации потока. Следовательно, флуктуации потека рц увеличивают случайные смещения центра тяжести
тобрэзетя- Этот ,-зывод полностью противоречит теоретически?.!
расчетам к подтверждается в эксперименте сззз.
______На__ркс_: 8_^етедены^ экспериыентапьше средяеквадратические
смешения центра тянести изображения зеркального диска 1 диаметром БОШгл в зависимости от дишетра апертуры приемного телескопа . По оси абсцисс отложен логарифм одела Френеля ■ соответствующий эквивалентной
гауссовой приемной апертуре
Гг,
по ' оси ординат . - логарифм
ри*. 2
среднеквадратическит смещений изображения, норьировгнт':ГЖвеличину £«(3,3 Ру.¡ц -эффективное фокусное расстояние. Зависимость !Л представляет теоретический расчет для условий распространения по парамотру -4. соотвотствуюшс эксперименту. ' Кривая Щ иллюстрирует результаты расчета , выполненного '"ез учета флуктуации потока через апертуру с использованием спектра атмосферной турбулентности
имеющим конечный внекий масштаб
. Из этих данных видно, что в
условиях флуктуации потока"" излучшшя " через апертуру дисперсия 4луктуздии центра тяжести изображения отклоняется от известной
2 <гч-/7
зависимости СП,~ X? 1 1.2 1, которая указана на рис.8 нижней К _
линией. Отличие дкшых эксперимента Т от расчетных И об яспяется некорректно усреднением выражения < $ ^^ > и не учетом в расчете конечности внешнего -масштаба турбулентности с 32.33 5 • Полученные
показали, что при прочих равных условиях <за) с (I) , диаметры'приемника и отражателя 5 величина
экспериментальные значения СГд
смещения для уголка в 1.G раза аеньюе, чем от зеркзльнбго диска; зеркального диска размером, равный матрице из 12 угодкоз, з 2 раза болызе чем от матрицы. Уиенывеше флуктуации от уголка связано с тем. что он частично обращает фатовьй фронт отраженной волны.
Во второй разделе рассматриваются статистические параметры пеленгацйсжой характеристика в'тда pt -- А
иГ /3 р~77г ,
где Р^ .Р^- сигналы прояоргастяьнда потокам излучения, твзгтт на
левую Р< и правую R половины коордтгатно-чувствительного приемника,
ß - коэффициент пропорциональности, зависящий от разчеда
изображения и других пгранетрсв угломерного устройства. U„ -сигнал
г
пропорциональней угловому рассогласован::» саг приемника и направления на об ехт. В ¿«редподожскин двуиеркоги коркзлького распределения для велячжш и ?z получено пы^згош t-tsi для плотности вероятностей флуктуации ^/{Qß) з виде:
^ W-^oз j
({-<(-&< р,- ?*)>/ <?-, ^ , /^ кi.
Это выражение позволяет оценивать подученные ранее приближенные результаты (Г.А.Андреев и дрЛ по статистике пеленгацаекных характеристик:. Проведенный анализ язко показнвзет, что Флуктуации педенгаиискной характеристики возрастав! с увеличением флуктуации потока и сильно зависят от корреляции (I потоков Р, и Р . При этой плотность вероятностей \}У(К А) козет при
определенных значениях'параметров/? . (Г, и ? заметно отличаться от нормальной с ¿гз. Получаемые следствия из предположения о двумерной логарифмически нормальной плотности вероятностей флуктуации потоков были проверены в эксперименте' с флуктуациями раьносигналь-ного направления в турбулентной атмосфере из, 44). Оказалось, что плотность вероятности флуктуации леленгационной характеристики действительно отличается от нормальной и зависит' от коэффициента, корреляции £ , величин '(Г , ',
В третье.1,' разделе рассматривается временной" спектр Флуктуации разности сетналов,' формирующих пеленгационную характеристику ,в
которой производится сглаживание, флуктуации' сигналов л Р, в
. ' «
знаменателе. В приближаем метода плавных возмущении получено с 12] обиее шрэаеше для временного спектра ' флуктуации разности сигналов, . в. котором у чтегы ""Дифракционные размеры излучателя, раслоянив мезду осями, пучков. ' $фмируютих равносигнадьное направление и направление вектора скорости ветра. В результате проведенного "моленного. ' анализа показано, _что наиболее низкочастотным является спектр флуктуации узких коатадрованннх 'пучков излучения, а наиболее широкополосны;,1 - ;спектр флуктуации для случая кьазисферическлх волн, причем спектры слабо аавясят от величшк угла между олтичоскинй' "осями пучков. Проведенные экспо;,именты подтвердили полученные расчетные результаты 115,211, Глава Б. Временные и простракггвешю-временные характеристики флуктуашй интенсивности. '•/■..
Из-за многих факторов, влияющих-па простршствешю-еремедаую структуру флуктуации :интенсивности лазерных лучков исчерпывающее экспериментальное- исследование • является -трудоемкой^ задачей, выполнить которую удается при разумном подходе к измерениям, Для
за
случая '' . . прямого распространения - использовались
.взаимно-перпекдакулярные трассы, одна из которых ориентировалась повдоль ветра, а другая - ; поперек , и проводилась синхронная регистрация мгновенных значений перпендикулярных к трассам компонент скорости ветра.'Автор обобщил параметр подобия, описывающий влияние-изменения.скорости ветра на временные характеристики флуктуаций, введя эффективную скорость ветра Vj_ + (Т}2 и
показал теоретически и экспериментально,что в случае слабых флу-ктуаций( сгз-гз,27,ззузе1, все вариации временных и прост-
ранственно - временных характеристик находятся в границах, определяемых предельными случаями: <Тх~0 или Vj — О .
На рис.9 изобразима
Sir) 0,8
0,6
0,ч
0,2
О
; Рюс. 9
временной корреляции флуктуации интенсивности éfV^. соответствую-аие различна значениям отношения ^L / , а линиями 1, 2 обозначены границы варианш^Упри изменении отношения <^/1/, от 0 до cxs , Кач видно, небольшие различия расчетных (1.2) и соответствующих им экспериментальных значений наблюдаются только при £? СС~)~ О,
С увеличением параметравлияние флуктуации скорости ветра ка временные характеристики уменьшается и при сильных флу-хтуациях интенсивности^^);: 10-12 становится несущественным. На рис. 10 сравниваются временные спектры LC Флуктуации интенсивности. полученные
('11.6, 12.9) , но существенно различных значениях Vi »1.7 в/сек, q¡/V, -0.4 для 1 и V, -0.1 м/сек. -8 ДЛЯ 3. По
-------------------------- .. -.....,----------------------------------оси абсцисс
с зависимости 1, 2 > при близких (I)
а
>и
рис JO
отложен логарифм круговой частоты Ш" , кормироиэн-
п г
ной-на .эффективную
Q2 скорость
' ' i ■2
Еетра =
лак видно, ширша полосы частот ив этом случае оп-
ределяется , но форма' спектра остается по существу одной и той я© при сукесхзенно различных значениях опюигения /
Автором впервые были получены при синхронных измерениях временные спектры в условиях слабых и насыщенных флуктуация* интенсивности при до;?де г га з. Показало, что по помете максимума спектра, обусловленное каплями дождя, близко к величине отношения V / (X. , где V — 10 ы/сек - установившаяся скорость полек;!;; крупных капель .чо»д<з, (I- б мм - вакбопышй размер капель. При слабом ветре составляю!»!» спектра, обусловленные Ч'урбултггш;гьв атмосферы и дотт четко разделяется г «йз ].
Подобие временных характеристик флуктуации интоясяшюстк. а также потока излучезгия относительно эффективной скорости ветра Ц^, перпендикулярной трасс е распространения имеет место такке для локационных трасс при отпзколии кяк от зеркального лиска, так и двумерной матрицы уголковых отражателей г ¿е.ле з . При этом наблюдается существенная зовкоягосяь вида спектров интенсивности от типа отрззателя £ зеркзпьный диск или упши) , низкочзстотькй сдвиг временного спектра зависящий от расстояния преемника от оси излучателя с 46 з .
В третьем раздела рассмотрено, влияние флуктуатшй скорости ветра нэ взаимные статистические характеристики: ксрреляциозшую Функцию, спектр когерентности и фазовый спектр. Увеличение флуктуаконяой компоненты отзюсзп'елъной средней по трзссе скорости ветра VI уменьшает цековдальнс® зиэчеиие когффициепта в Замбией корреляц'з: и сдвигает его полошив 5'. началу в сторону меньших задеркек . Это влияние тем сильней, чей больше расстояние между приемниками, розумеится, при этом они должны находиться в границах радиуса пространственней корреляций. При /
взаимные корреляционные функции-', похожи ...на автокорреляционные функции . и становятся'почти симметричными относительно нулевой задержи. При увеличении, относительных флуктуации скорости ветра поперек трассы '' Л^ когерентность Флуктуации падает и
увеличивается'"'отклонение фагового, спектра ^^(и^) от линейной зависимости по мере увеличения частоты {¿г . При этом имеет место удовлетворительное совпадение, с ."расчетом в приближении метода плавных возмущений I а* 1. На рис.10 представлены спектры 3-6 когерентности плоской волны , . для двух расстояний _р между
прлемниката при сильных флуктуациях интенсивности ^¿С) -Н.6 (з,А) VI -1.7 ы/сек.0.4;= 12.9. -0.1м/сек. ЯХ /Ц -9 (5,6) при р мм (3.5) и р -21 ми (4,6).' Из этих данных видно, что полоса частот когерентности в области сильных флуктуации такк:е определяется эффективной скоростью ветра ,~тг соответствует . первому максимуму временного спектра флуктуаиий интенсивности., Ы.(иг) -Значение когерентности при Ог -»0 существенно меньше единицы , что не согласуется с предшествующими результатами С1931г) . В тоже время полоса частот значимой когерентности в обоих случаях остается оди-• каковой, несмотря на то, что эти результаты были получены при устойчивом зэтре, перпендикулярном трассе распространения сзб].
В четвертом --разделе - рассматривается "" некоторые-" методы зондирования скорости движения турбулентных потоков,; разработанных автором г 5г-вз з . Их сЗ единяющая идея заключается в разделении влияния средней \А и флуктуационной (У^ кс-ыпоненг скорости вотра и роли дибракцпи на пространственно-Еремешые ' характеристики лазерного излучения, [о ¡я этог'о оказывается предпочтительнее обрабатывать снпгэлы в' частотной области. Это связано с тем, что ь общем случае поло показателя'преломлеш я точнее описывается в
ярйблййениа локально-однородной и ' изотропной модели, чей однородной. Это проявляется в трендах, псреиекаекости атмосферы, порывах ветра-, что сказывается на оценках корреляционных функций и меньше сказывается на оценках спектральных компонент сигналов. В то ке время взаимные спектральные соотношения для однородных и локально - однородна:; случайных полей одинаковые.
Яде» измерения в спектральной области иллюстрирует следующий пр;":ер с з о з . Пусть пространственное распределение интенсивности переведается со скорость» ^ в плоскости перпендикулярной надрав.пению распространения (картинная плоскость) Этой картине соответствует пространственный спектр из которого ввдоягз Фурье хоипонеяту с периодом А ..В приемниках. разнесенных на расстояние Р по нопр£2ВДпЧй»\/д ксшюиекте А соответствует временные Фуръе »¡кшотентн,^ , причем их Фазы будут сдвинуты Па Белвч.гау^ ~
где Ч> = „Р / У^ - время йеревежйпта неоднородности ш р . Ейдячанз скорости перйзещгтаа ^однородности сервйбят*» аз от35я v»
. За с^с? ¿гДржгг''. »а апертуре есяй волна отличается от плоской появляется
чш.йХгкйЛостей полп показателя преломления ¡Í. зо вреда nepeíífcor .«• 'То трассе. Известно, -ото валы? пеотсрсрросяя '■""етзт Wbtoe*! июни гвояшяа . Это- дрйро.'иг -г у-здпывгоия
Hot'c^WíocTK яра уееличент рзсстокдоя ч да прочих ргшпгс уедс^кях она .ny .ге сохраняется на низких частотах, которые соус пс'з жны хрушоазсотабными нсодаородност»1« Ц. - Фпукгутги '■."VpbctH ттетя среди чоюго учесть, измеряя когершгоост;- К, Sur)
сткши аз частот
центральная частота, причем Л. / -f- ¿Г 0.1 . Указанные соображения бит реализовать: в макетах аппаратуры г ss-bs j , которые были апробированы в натурных условиях. .
Основные результаты диссертации опубликованы в работах (8-531,
1.. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере, -V.: Наука. 1967. -548 с.
2. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. /Под ред, В.И.Татарского. - Ы. : Наука,' 1976 ~Z77C.
3. Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. - Новосибирск: Наука, 19Э1. - 246 с.
4. Банах В.А.,Миронов В.Я. Локационное распространение лазерного излучения .р турбулентной атмосфере. - Новосибирск; Наука, 1936. - 173 с. ' ■
5. Зуев В.Е., Банах Б.А., Покасов В.В7 Оптика турбулентной атмосферы. -Ленинград: Гидрометеоиздзт, 1983. - 270 с.
6. Исимару А. Распространенно и рзссея)ще волн в сх^чайно-цеодно-родных средах. - М.: Мир, 1991. - Т1 - 2Э0 с,( ТЙ - 317 с,
7.. Распространение лазерного пучка в атмосфере, V Под ред, Д.С'тробена. - М. : Мир.'1931. - 414 с.
В. Патрушев Г.Я. .Миронов В.Л. Флуктуации поля лазерного пучка, ' распространяющегося в' турбулентной" атмосфере. //. Изв.вузов СССР. Радиофизика. - 1972. -T.15.n5. -С. B6S-872.
Э. Пиропов В.Я. .Латруи;о'а Г.Я. Корреляция флуктуации амплитуд о разнесенных по углу волновых лучках. // Изв.вузов. Радиофизика. 1972. - Т. 15. N9. С. 1422-1424.
10. Миронов В.Л..Патрушев Г.Я..Тузова С.И. Флуктуации амплитуды поля оптического пучка, распространявшегося вдоль наклонных трасс в турбулентной атмосфере. // Изв. вузов.Радиофизика,
. 3974. - Т. 17, Ml. - С.' 94-103.
11. Миронов В.Л..Патрушев Г.Я..Тузовз С.И. Ксррелздм флуктуация уровней в разнесенных по углу оптических пучках,распространяющихся вдоль наклонных трасс в турбулентной атмосфере. В кн.: Распространение оптических волк в атмосфере. / Под ред. чл.-корр. АН СССР В.Е.Зуеза. - Новосибирск: Наука.3975. -С. 81-84.
32. Миронов В.Я..Пэхруиев Г.Я. Частотный спектр флуктуации разности уровней амплитуд разнесенных по углу оптических пуч<га в атмосфере. // Квантовая электроника. - 1975. - Т. 2, ^'й, -С. 1737-1741.
13. Миронов В.I..Патрушев Г.Я..Покасов В.В.Лав пев Л.И. Измерение флуктуации интенсивности г разнесенных по углу световых пуч-
■ ках. //Изв.вузов. Радиофизика. 1975. - Т. 18. «3. - С. 45Р-452.
'14. Патрушев Г.Я. Флуктуации поля волнового лучка при отражении S Турбулентной атмосфере. // Квантовая электроника, 1978. -Т.5, N11. - С. 2342-2347.
15. Миронов B.I..Патрузев Г.Я.,Покасов В.В.Лавлев Л.И. Спектра флуктуации разности штенсивностсй оптических пучков в турбулентной атмосфере. В кн.-.Распространение оптических волн в
■ случайно-неоднородной атмосфере. / Под ред. член-корр. АН СССР В.Е.Зуева. Новосибирск: Наука.1979. - С. SS-60.
16. Уензстнрный Б.А..Патрушев Г.Я.,Петров А.И..Покасоз B.ß. Об уерзщгяощти действия приемной апертуры при отражении в турбулентной атмосфере. // Квантовая электроника. - 1980. - Т. 7, N7. - С. 1580-3582.
17. Коваль С.С..Патрушев Г.Я..Петров А.И..Покасов В.В. К эффекту
тэ
усиления флуктуации при отражении. в турбулентной атмосфере. /7 йзв.'гузоз. Радиофизика. - 1930. - Т.23, «3. - С.' 326-331,
18. Патруиез Г.Я. К вопросу об использовании: когерентного анализа для определения скорости ветра из сщ'ическил измерений. // Оптика и спектроскопия. - 1881. - Т.50. в.4. - С. 731-734,
19. Еатруаев Г.Я. .Петров Д,Н,»Еокасов Б.&. .Ростов А.П, Способ измерения скорости турбуяшшого ttOTCisa. // Шсьма в №. -1982. -Т.8, В.а. - С. S4-3?.
20. Патрушев Г.Я. .Печерханэ Т.П. Программа анализа узкоподссншс сяучайамх процессов, //'ГОСШП. 110052«. - 1982, - ni,
21. Езтруаьз Г.Я. „Гюкасоэ В.В. Сцектры флуктуации коля волнового пучка при-отражена» в гурбуджшо.й атиосфер«. В кн.; Цробдаты «шэж атмосферу. - Новосибирск? Науюз, - 193S - С. 108-U5,
22. Патрушев Г.Я..Петров í .И.,Похасов'В.Й, Флуктуэсаа интенсиз-ности при зеркальной отраженна оптических пучков в турбулентной атмосфере. // Кзз. вузов.Рааазфцзщщ, - 1533, .-'T.2S,
- С. 823-63}. •
23. Монастыри»;! Е.ь..Патрувоз Г.Я, Л'етров Д.й. Л1окасов Б.В, Временные спектры флуктуацкй интенсивности на трассе с отражешсг». // Изв.вузов: Радиофизика'. - 1934. - Т.27. Н7. -С. 907-112. '
24. .Моизстирный Е.Л. .Патрушев Г.Я. .Покасов В.В. Временные характеристики уровня световой волны при флуктуирующем ветре. ■// Оптика и спектроскопия. - 1984. -Т.56.В. 1. - С. 41-47.
25. Монастырю» Е.А. .Патрушев Г.Я. О корреляционном анализе фяук-туаций излучения в случайно-неоднородной среде, // Изв.вузов. Радиофизика. - 1334. -T.3?, «41 - С. 1129. '
25. Патрушев F.R. .Печеркина Т.П..Ростов А.И. Q реальной точности
♦о
экспериментального определения высших моментов врсмешшх рядов. // Автометрия. - 1905. - "3. С. 22-27.
27. Монастыршй Е.А. .Патрушев Г.Я .Покосов В.В. Эксшрпментаяьное исследование влияшя флуктуирующего ветра на временные характеристики световой волны. // Радиотехника и электроника. -1966. - Т. 31, Щ. - С. 14-19.
2S. Пэтрупев Г.Я..Петров А.И. О статистических характеристиках флуктуа-ип шггенсиенссти оптических пучков в турбулентной 'атмосфере при дожде. // Известия 4Н СОСР. Сер.Физика атмосферы и океана. - 1986. - Т. 22, «10. -С. 1050-1059.
29. Патрушев Г.Я..Петров А.И.,Покасоз В.В. К вопросу о статистических хэрагтеркспшйс Флуктуаиий интенсивности при л екании уголковых )траг::ателей в турбулентной атмосфере. // Оппко и
■ спектроскопия. - 19GG. - Т.61. В.З. - С. 587-590.
30. Исакова А .15. .Монастырный Е. А. .Патрушев Г.Я. .Петров А.И., Печ' ркина Т.П. .Ростов А.П. .Тоукекоз В.Д. Автоматнзпрозашзя система отображения регистрации и обработки оптнко- метеорологических измерений. //Автометрия. - 1£87. - >м. -с. 15-21.
31. Вбтрузев Г.Я. .Печеркгша Т.П. Программа спектрапыюго анализа стационарного случайного процесса. // Ллгоритаы и программы. - 1937. - N?. - 20 с.
32. Патрувев Г.Я. К вопросу о то-сюсти оперативного измерения угловых коордгатат источшка по шггру .тянести его пзобрзнетшя // Раякотеяввга я электроника. - 1S33. - Т.33, В.З. - С. 19S3-Í998.
33. Монасткрный Е.А..Пзтруиец Г.Я. Взаимные корреяяцискш.'е Функ- . щи интенсивности хвазисфоричесхой волны при Флухтумрутехеи ветре. // Радиотехника и электроника. - 1938. - Т. 33, Б. 10. -
С. 2183-2185.
34. Монзсткрньй Е.А..Патруиев Г.Я. Влияние флуктуация скорости ветра на взаимные спектры флуктуации интенсивности световой волны. // Оптика и спектроскопия. - 1983. - Т.¡34, ß.S. - С. 1CG8-107S.
35. Патрушев Г.Я..Педыыский O.A. О точности измерения угловых координат источника по центру тяжести его изображения. // Оптика атмосферы. - 1988. - Т. 1>7..'-С.' 124-127. ■
3S. Монастырныи Е.А..Патрушев Г.Я. К вопросу о пространственно--вршенной структуре турбулентных пульсаций гатенсивности в атмосфере.//Оптика атмосферы;..- 1989. - T.2.-N6. - С.605-608.
37. Анксжов М-Е,.Конасткрньй Е.А. .Патрушев Г.Я..Ростов а.П.
Автоматизированныйакустический анеруыботерыонетр. // Приборы и техника эксперимента:- - ЧЗЗЗ. --N4..-C. 198-199. •
3-0. Патрушев Г.Я. .Пелымский O.A..Петров А.И.-Флуктуации центра тяжести изображения при локации в турбулентной атмосфере. // Изв.вузов.Радиофизика. - 1939. - Т.32, »6: - С. 573-670,
ЗЭ. Иванов Л.П. .Паггрушев Г.Я. .Ростов А.П. Экспериментально«» исследование фдуктуаний сферической полны при отражении от зеркальней поверхности в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы. - 1383: - Т.2. "9\ -ТТ. 923-927. .
40. Патрушев Г.Я...Петров А.И. .Рубцова O.A. Флуктуации интенсив -ности при локации реыетки уголковых отражателей в турбулентной атмосфере. .// Оптика атмосферы. .- 1333. - Т.2. N3. - С. 277-282. . , - .
41. Коняев П.А. .Лукин tí.П. .Патрушев г.я. Дабака&п О.Ю. Исследова-, нке флуктуации интенсивности отргшшого изучения Р турбу- . лентной атмосфере методом статистических испытегша, // Оптика
атмосферы. - 1930. -Т.З. "12. - С.' 1321-1324.
42. Патруиев Г.Я. Влияние турбулентности атмосферы на флуктуации леленгационной характеристики оптического угломерного устройства.// Оптико-механическая промышленность. - 1991. -"I. - С. 35-37.
43.. Гурвич A.C. .Иванов А.П. .Каккароз С.С. .Патрушев Г.Я. .Ростов А.П. Экспериментальное исследование эффекта усиления обратного рассеяния и усиления флуктуаций интенсивности при отражении от зеркальной поверхности. // Оптика атмосферы. - 199<J. -Т.5, "1. - С. 44-49. ■ " .
44. Патрушев Г.Я. Плотность вероятностей флуктуации разности кн-тснсквностей оптических пучков в турбулентной атмосфере. // Оптика'атмосферы и океана. - 1992. - Т.5, N3. - С. 247-249.
451. Патрушев Г.Я. .Рубцова п.д. Плотность вероятностей насыщенных флуктуации интенсивности в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы и океана. - 1992. - Т.5, ну. - С. 716-719.
45. Иванов А.П..Патрушев Г.Я..Ростов А.П. Экспериментальное исследование пространственно-временной структуры сферической волны при отражении от плоского зеркала. // Оптика атмосферы и океана. - 1993. - Т.6, hs. - С.-523-528.
47. Патрушев Р.Я'. .Рубцова O.A. Плотность вероятностей флуктугдкй интенсивности и светового потока при распростганении и отражении из пучения в турбулентной атмосфере. Обзор // Оптикз атмосферы и океана. - 1994. - Т.Б, ми. - С. 1333-1350.
48. Патрушев Г.Я. .Рубцова O.A. Уоредкячшее действие, щкгечвдй алертуры при отражении сферической волны от зеркальных. об гчтов в Typßvлестной атмосфере, и Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т.6. «И. - С.. 1390-13^6.
43. Патрушев Г.Я. Временное характеристики Флуктуации интенсивности к светового штока при отражения сферической волны от зеркальных об ектов в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы и океана. - 193'1. т7, »5. C.610-G17.
50. Borovoy A. G. .Patrushev G. Y A. Laser Ьеаш propagabi or. through the turbulent at-;n03phcr0 vitli precipitation. // Applied Optics. - 1SS8. - V. 27. M17. - P. 370.1-3714.
51. Borovoy A. G. ,Pi.tru3hcv G. ÏA. > Zhukov A. F. Strong scintillations of lasar radiation in ths? turbulent atmosphere with
г--«.in or snow. SsSPÏE. Procecding-з. - 1993. - V. 18SS.-P. 232-292.
52. Патрушев Г.Я. .Петров А.И.,Покасов В.В. Оптический измерэтель сксюсти потока. Авторское свидетельство. •< 72G985. - 1973, // Бюллетень изобретений ns, 1993. 1
53. Монастырний Е.А":. Патрушев Г.Я., Петров АЛ!.. Покасов В.В . Способ и устройство для опредепения внутреннего масштаба турбулентности. Авторской свидетельство.'» 913734. - 29Э2.
54. Монастырный Е.А. .Патрушев Г.Я. - Устройство . для измерения скорости переиевкшя неоднородных ерэд. Авторское своде-* тольство. " 1254391. // Бюллетень изобретений. - 1986. - «33.
55. Монастырпш Е.А. .Патрушев Г.Я. .Ростов А.П. Оптический измеритель сиорост:: пот ока. Авторское свидетельство. >•'1332184. -1987.
5S. Патрушев J1. Я, Исследование Флуктуации ит-енсивкостн сч.-к-.^.-то: цучг;сз е турбулентной атмосфере. Цмсс. канд. Физ. мат. наук. Тонек 1974г. 120с,
