Стохастизация и перемежаемость структурных состояний лазерных пучков в приземной атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцына

■ г. .

' На правах румлшсм

Кулягина Ева Арсеновна СТОХАСТИЗАЦИЯ И ПЕРЕМЕЖАЕМОСТЬ СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЙ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва, 1997

Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ им.

М.В.Ломоносова

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук

Короленко П.В. доктор физ.-мат. иаук Арсеньян Т.И.

Официальные оппоненты: доктор техн. наук, профессор

Андреев Г.А. канд. физ.-мат. наук Чесноков С.С.

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН (г.Томск)

Защита состоится маЛ 1997 года в часов в ауд. 2-15 на заседании диссертационного совета Д 053.05.80 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899 Москва, Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, 19 корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан 99-^ода

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 053.05.80 канд. физ.-мат. наук

Радченко В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Совершенствование лазерных локационньк систем, а также систем направленной оптической связи представляет актуальную проблему современных оптики и радиофизики. По сравнению с кабельными устройствами, линии направленной оптической связи требуют меньших затрат, их установка может быть выполнена в короткие сроки; кроме того, они позволяют обеспечивать связь с движущимися объектами. Однако при практическом использовантга локационных оптических систем и направленных линий связи следует считаться с негативным влиянием турбулентной атмосферы, приводящим к уменьшению интенсивности излучения и достаточно сильным случайным искажениям амплитудно-фазового распределения. Несмотря на то, что в ходе многолетних исследований накоплен значительный экспериментальный материал и проведены обширные теоретические исследования, относящиеся к анализу искажений лазерного пучка в тропосфере, многие вопросы распространения оптического излучения в тропосфере изучены еще недостаточно полно. Подавляющее большинство работ в этой области посвящено анализу зависимости амплитудно-фазовых флуктуации и размера зоны когерентности от геометрии тргссы, ее длины, а также от интенсивности турбулентности и различных метеопараметров. В то же время, оптико-физические процессы, характеризующиеся не только количественными, но и качественными изменениями структуры пучка с точки зрения динамики их развития и внутреннего физического механизма, остаются практически неизученными. Особенно заметен дефицит имеющихся сведений применительно к атмосферным приземным трассам, работающим в условиях повышенной турбулизации, например, в пределах городского рельефа.

Взаимодействие лазерного излучения с турбулентной атмосферой на трассах вблизи поверхности Земли определяется повышенной турбулизовакностью приземного слоя, влиянием шероховатости подстилающей поверхности, присутствием конвективных течений, а также неоднородностью микрометеорологических процессов, развивающихся вблизи земной поверхности в условиях стратификации приземного слоя. Эти явления приводят к появлению ряда особенностей в поведении статистических характеристик лазерного излучения на таких трассах по сравнению с аналогичными характеристиками излучения на трассах, проходящих вне границ приземного слоя. Недостаточность экспериментального материала не позволяет установить закономерности связи статистических параметров лазерного излучения с особенностями микроструктуры турбулентности этой области атмосферы, в частности, требует решения вопрос о том, в какой степени перемежаемость турбулентности индуцирует перемежаемость структурных состояний лазерных пучков.

Целью работы является экспериментальное исследование особенностей амплитудно-фазовых флуктуации лазерного излучения на локационных трассах различных направлений в условиях повышенной турбулизации приземного слоя атмосферы, а также выявление основных закономерностей, характеризующих процессы стохастизации и структурной перемежаемости световых пучков в различных метеоусловиях.

Научная новюна. В диссертационной работе впервые на уникальных атмосферных трассах, характерных для условий повышенной турбулизации приземного слоя, осуществлены комплексные систематические исследования пространственно-временных характеристик лазерных пучков в режимах как слабых, так и сильных флуктуаций, позволившие определить условия стохастизаиш излучения и обнаружить явление структурной перемежаемости пучков. Отличительная особенность работы состоит в том, что в ней значительное внимание уделено изучению характеристик пучков со сложной структурой амплитудно-фазового профиля.

. Достоверность полученных результатов подтверждается многократностью проводимых экспериментов, обоснованностью методик и анализом погрешностей измерений, а также согласием этих результатов с данными теоретического анализа и современными знаниями об атмосфере Земли и процессах распространения в ней электромагнитных волн.

Научная и практическая ценность работы. В работе развиты представления о механизме и проявлениях различных типов структурных изменений в лазерных пучках на приземных трассах в условиях повышенной турбулизации среды. Практическая значимость работы определяется возможностью использования полученного в ней экспериментального материала в решения проблем оптимизации параметров и совершенствования приемопередающих и адаптивных устройств, применяемых в системах оптической локации, связи, навигации и устройствах лазерного зондирования среды распространения излучения.

Защищаемые положения

1. Разработанные схемы оптических трактов и приемо-передающей аппаратуры, а также методики измерений, позволяющие осуществлять многопараметрический экспресс-анализ характеристик лазерных пучков, распространяющихся по приземным трассам с различной геометрией.

2. Классификация различных режимов поведения пучка на трассе в зависимости от степени турбулизованности атмосферы, позволяющая систематизировать экспериментальные данные и сформулировать основные закономерности трансформации амплитудно-фазового распределения.

3. Экспериментальные данные о фазовых флуктуации лазерного излучения на наклонной приземной трассе в разных метеорологических состояниях, а также результаты сравнительного анализа оптических характеристик пучков на горизонтальной и наклонной трассах.

4. Экспериментальные данные об условиях стохастизации пучков в приземных каналах распространения, о характеристиках структурной перемежаемости пучков и ее связи с параметрами, определяющими состояние атмосферы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XI Симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1992); XVII конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993); IV Международной научно-технической конференции "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Вологда, ¡994); IV Всероссийской школе-семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово, 1994); Международной конференции "Климатические параметры атмосферы'94" ("CLIMPARA'94", Москва, 1994); Международной конференции '100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения электротехники" (Москва, 1995); 15-й Международной конференции "Оптика лазеров" 'С-Петербург, 1995); Международном симпозиуме "Прогресс в исследованиях по электро-иагнетнзму'95" (Progress in Electromagnetic Research Symposium - "PIERS'95", Seattle, USA,

1995); Международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов'96" (Москва,

1996); Международном симпозиуме "Прогресс в исследованиях по электромагнетизму'96" [Progress in Electromagnetic Research Symposium - "PrERS'96", Innsbruck, Austria, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, перечень которых

триведен в конце автореферата.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы.

Во Введении определена актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, показана ее научная новизна, научная и практическая ценность, а также достоверность

полученных результатов.

В первой главе диссертации, представляющей литературный обзор, рассмотрено влияние турбулентной атмосферы на характеристики лазерного излучения. Приведены соотношения для основных статистических характеристик лазерных пучков, полученные в рамках волновой и геометрооптической моделей. Проанализированы искажения волнового фронта, обусловленные турбулентными флуктуациями показателя преломления и вызывающие уши-рение лазерных пучков, случайное изменение положения их "центра тяжести", перераспределение энергии пучка в его поперечном сечении (и связанные с ним флуктуации интенсивности), а также случайные набеги фазы.

Рассмотрена возможность применения методов нелинейной лучевой динамики к описанию стохастической неустойчивости лучей в средах с регулярной неоднородностью.

Приведены полученные к настоящему времени данные о структуре микрометеорологических параметров в приземном слое атмосферы и перемежаемости турбулентности (в том числе на основе фрактальных представлений). Их анализ показал, что, несмотря на многообразие действующих физических факторов, отчетливо проявляется тенденция к пространственной организации мелкомасштабной турбулентности в виде отдельных струй, нитей, глобул и т.д. Эта тенденция и лежит в основе наблюдаемой перемежаемости турбулентности. Однако для оценки влияния эффектов перемежаемости на структуру лазерных пучков в приземном слое воздуха нужны конкретные данные о размерах формирующихся турбулентных струй, об интенсивности и характерных временных масштабах развивающихся в них турбулентных процессов. Таких данных в литературе крайне мало. Дефицит экспериментальных сведений не позволяет судить о том, будет ли учет влияния перемежаемости турбулентности носить характер поправок к данным, полученным на основе представлений о развитии турбулентности, либо повлечет необходимость кардинального пересмотра механизма влияния турбулентности на структуру световых пучков.

Обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований статистических параметров лазерного излучения в атмосфере, выполненные к настоящему времени. Сделанный обзор показал, что экспериментальные данные в большей части относятся к трассам с гладкой подстилающей поверхностью. Сведения о поведении параметров лазерных пучков на приземных трассах в условиях сложного городского рельефа крайне ограничены. Кроме того, недостаточно полно осуществлена систематизация экспериментальных данных, относящихся к различным режимам структурных изменений лазерного пучка на трассе. В литературе практически отсутствует анализ влияния на структуру пучков перемежаемости атмосферной турбулентности применительно к приземным трассам. Не определены и воз-

ложные механизмы и условия стохастизации пучка на относительно коротких (порядка не-жольких сот метров) трассах. В частности, нет данных о возможности проявления при рас-тространении пучка в неоднородной среде эффектов стохастизации, описываемых в рамках теории перемежаемости атмосферной турбулентности и теории нелинейной лучевой дина-лики.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики измере-шй. При проведении экспериментов по исследованию искажений лазерного излучения в ат-лосферных каналах распространения использовались горизонтальная и наклонная атмо-:ферные локационные трассы, построенные с использованием комплекса высотных зданий ИГУ (рис.1). Имея специфические особенности, такие трассы, тем не менее, типичны для условий, характеризующихся повышенной турбулизованностью приземного слоя.

^Наклонная и горизонтальная^ | атмосферные трассы I

Рис.1 Расположение приемо-передающей аппаратуры с использованием комплекса зданий МГУ на Воробьевых горах.

Приемная и передающая аппаратура размещались на высоте около 25 м от поверхности емли. Отражающее зеркало наклонной трассы располагалось на высоте 165 м от поверхно-ги Земли. Длина горизонтальной трассы в одном направлении составляла 280 м, наклонен трассы - 320 м. При установке поворотных зеркал принимались специальные меры для эго, чтобы избежать формирования вблизи отражающих поверхностей конвективных пото-ов, связанных с перепадом температур внутри и вне зданий.

Источником непрерывного излучения служил одномодовый гелий-неоновый лазер, ра-отаюший на длине волны 0.63 мкм. Лазерный пучок попадал в атмосферу, пройдя ормирующий телескоп, уменьшающий угловую расходимость излучения.

!

Пучок, пришедший с трассы, через принимающий телескоп направлялся в устройство обеспечивающее регистрацию пространственно-временных характеристик светового поля Оптические пучки выводились и вводились в помещение, где располагалась регистрирующа; аппаратура, через широкоапертурные полированные пластины с плоскими гранями. Локаль ные флуктуации интенсивности регистрировались фотодиодами, сигналы с которых подава лись на осциллограф.

Перестройка работы с горизонтальной на наклонную трассы и обратно производила« установкой отражающего зеркала. Система допускала возможность одновременной работь на указанных трассах.

Регистрация фазовых характеристик осуществлялась с помощью сдвигового интерферометра типа Маха-Цандера. Формируемая в интерферометре интерференционная картинг регистрировалась с помощью фотоаппарата, устройства ввода изображения (УВИ) в ПЭВ№ или видеокамеры. Для регистрации временных изменений фазы интерференционная картинг проецировалась через узкую щель в устройство, регистрирующее временную развертку положения интерференционных полос. Часть экспериментов проводилась на прямых (без отражателей) трассах.

В ряде случаев эксперименты сопровождались синхронным лидарным зондированием атмосферного канала.

С целью анализа пространственных характеристик турбулентности воздуха в облаете вблизи горизонтальной трассы использовались вспомогательные горизонтальные трассы имеющие отдельную выходную апертуру и отдельное отражающее зеркало, расположение которых могло изменяться относительно выходной апертуры и отражающего зеркала основной горизонтальной трассы. В качестве независимого источника на вспомогательных трассах применялся дополнительный гелий-неоновый лазер с длиной волны 0.63 мкм.

Одновременно с оптическими измерениями проводилась оценка метеорологических параметров на трассе (температуры, давления, влажности, скорости и направления ветра дальности видимости) в точках расположения приемо-регистрирующей аппаратуры, отражательных зеркал, а также в непосредственной близости от подстилающей поверхности. При этом учитывались также приземные значения метеопараметров, полученных на Метеорологической обсерватории МГУ. Анализ этих данных позволял оценивать величину структурной характеристики флуктуаций показателя преломления.

Измерения и анализ амплитудно-фазовых характеристик лазерных пучков в широком диапазоне их пространственно-временного изменения предъявлял жесткие требования к регистрирующей аппаратуре. При этом сложности возникали как при регистрации изменений

интенсивности, так и при определении распределена фазы световых колебаний. Трудности усугублялись еше и тем, что целевые установки при проведении экспериментов требовали обеспечения многопараметрического экспресс-анализа получаемых данных. Используемая автоматизированная измерительная система, работающая в линии с ЭВМ, позволила в значительной степени преодолеть эти трудности.

Перед кспользова!шем разработанной регистрирующей системы в натурных экспериментах осуществлялось ее тщательное тестирование с помощью специальных транспарантов и шаблонных касок с заранее известными параметрами. Так, проведенное в процессе работы тестирование УВИ показало, что это устройство обеспечивает точность измерения параметров световых пучков на уровне 5-10 процентной ошибки.

В третьей главе представлены результаты комплексных систематических исследований флукгуаций лазерных пучков на тропосферных локационных трассах в условиях повышенной турбулизации приземного слоя. Приведены сведения о влиянии анизотропии показателя преломления на трассах различной ориентации на статистические характеристики излучения, а также о соотношении средних размеров спеклов и интенсивности турбулентности среды.

В ходе экспериментов на этих трассах наблюдались режимы слабых и сильных флукгуаций. Как на наклонной, так и на горизонтальной -трассах диапазон значений структурной характеристики флукгуаций показателя преломления С* составлял 10"'° ■ 10'17 см"1'3. Различное состояние трассы отражалось и на пространственных характеристиках светового пучка. Проанализировано существенное уширение пучка, уменьшение размера области корреляции при переходе к режиму сильных флукгуаций. Смещение энергетического центра на приемной апертуре, как показали измерения, также определяется интенсивностью турбулентных процессов.

Сравнение характеристик амплитудно-фазовых искажений на горизонтальной и наклонной трассах в различных режимах турбулентности показало, что вследствие нарушения изотропности турбулентности круглое сечение лазерного пучка на наклонной трассе устойчиво трансформировалось в эллипсоподобное и с ростом структурной характеристики флуктуации показателя преломления анизотропия пучка увеличивалась. При этом, независимо от величины С', в экспериментах на наклонной трассе большая ось эллипса светового пятна имела характерный разворот, определяемый наклоном трассы. На горизонтальной же трассе устойчивой вытянутости пучка вдоль определенного направления не наблюдалось. Это подтверждалось и расчетом двумерных распределений функции векторной корреляции, который показал, что на наклонной трассе наибольший размер зоны корреляции интенсивности

соответствует устойчивому диагональному направлению. Применительно же к пучкам на горизонтальной трассе такого выделенного направления не существует.

Отличие в поведении лазерных пучков на трассах различного направления состоит также и в том, что амплитуда смещения центра тяжести пучка на горизонтальной трассе заметно превосходит величину смещения центра тяжести на наклонной трассе. Этот результат хорошо согласуется с данными метеорологических измерений и оценками интенсивности турбулентности, поскольку эффективное значение структурной характеристики флуктуации показателя преломления доя горизонтальной трассы всегда оказывается больше значения этой величины для наклонной трассы.

В процессе проведения экспериментов было обнаружено, что в зависимости от динамики изменения метеоусловий на трассе имели место квазнрегулярные изменения структурных параметров пучха, носящие скачкообразный характер. При сохранении средних значений метеопараметров и структурной характеристики флуктуации показателя преломления бездислокационное состояние пучка скачкообразно переходило в состояние, характеризующееся появлением многочисленных сегментов поперечной структуры с дислокациями фазы, которое, в свою очередь, переходило снова в бездислокационное состояние. Длительность каждого состояния составляла от секунд до нескольких десятков секунд и связана с поведением метеопараметров на трассе. Это явление в диссертации определяется как структурная перемежаемость лазерных пучков в турбулентной атмосфере.

Четвертая глава посвящена более детальному анализу явления структурной перемежаемости состояний лазерного пучка и его связи с микрометеорологической структурой атмосферы. Было обнаружено, что описанное явление наиболее отчетливо проявляется на горизонтальной трассе.

Качественная иллюстрация трансформации структуры пучка и шггерферограмм сдвига при переходе от квазирегулярного состояния I к стохастическому состоянию К представлена на рис.2 и рис.3. Приведенные пространственно-временные характеристики соответствуют определенным метеоусловиям. Тем не менее, качественно такая картина характерна для изменений структуры лазерного пучка в весьма широком диапазоне параметров. Распределения интенсивности по поперечному сечению пучка (рис.2.1) дают представление о его двух регистрируемых состояниях. Переход к стохастическому состоянию ведет к спеклоподобно-му характеру распределения интенсивности. Это подтверждает также анализ профилей интенсивности по сечению пучка, регистрируемых с помощью УВИ (рис.2.2).

На рис.2.3 представлены осциллограммы флуктуаций интенсивности в точке. Для стохастического состояния характерны более быстрые, и, следовательно, происходящие в бо-

Рис.2 Данные о распределении интенсивности дгт бездиспокационного и стохастического состояний пучка.

Бездислокационная структура

Стохастическая структура

Пространственная структура интерферограмм сдвига

Временная развертка интерферограмм сдвига

Фурье-спектры интерферограмм

а,сы 1

в, см'

Спектр флуктуаций положения полос

|1

J_L

О_15 30 45 г ^ 60

15 30 45 Г1,. -> 60

Спектр флуктуаций расстояний между полосами

Ц

0 15 X 45 (>с-' 60

I. с"

' 80

Рис.3 Интерферометрические данные для бездислокационного и стохастического состояний пучка.

лее широкой полосе частот флуктуации интенсивности. Анализ спектров этих флуктуации.

произведенный с помощью спектроанализатора, показал, что при переходе от квазирегулярной к стохастической фазе пучка полоса частот увеличивается с ~ 10...20 Гц до ~ 100 Гц. Расчет функций корреляции интенсивности (рис.2.4) показывает, что размер области корреляции при стохастизашш пучка заметным образом уменьшается' и оказывается примерно равным среднему размеру спекла в поперечном сечении пучка, что соответствует существующим теоретическим представлениям. Стохастиззция пучка приводит к заметному уши-рению спектра пространственных частот флуктуаций интенсивности з поперечном сеченни пучка. Усредненные по различным сканам поперечного сечения пучка фурье-спектры пространственных частот ж для двух его состояний приведены на рис.2.5.

При переходе к стохастической структуре пучка кардинальным образом меняются не только параметры, характеризующие распределение интенсивности, но и фазовые характеристики световых колебаний. О том, что происходящие изменения носят принципиальный характер, свидетельствует структура интерферограмм сдвига. Наличие точек ветвления на интерференционных полосах (рис.3.1) говорит об изменении топологии волнового фронта и о появлении на нем винтовых дислокаций фазы. Обработка структуры интерферограмм с целью получения фурье-спехтров соответствующих распределений показывает, что нарушение регулярности в расположении интерференционных полос при стохасгнзации пучка приволп к значительному уширению пика, соответствующего пространственной частоте интерференционных полос в области ж = 7 см1. Это подтверждают фурье-спектры регистрируемых интерферограмм, приведеные на рис.3.3.

На рис.3.2 представлены временные развертки сдвиговых интерферограмм. В случае бездислокационного структурного состояния отчетливо просматривается высокая степень скоррелированности смешения интерференционных полос, обусловленная квазипериодическими наклонами волнового фронта. Для интерференционной картины, соответствующей стохастической структуре, скоррелированный характер смещения полос не типичен. К тому же абсолютные смещения полос от их среднего положения в этих случаях значительно больше. Спектры фазовых флуктуаций оценивапись путем расчета спектров смешений интерференционных полос и расстояний между ними (рис.3.4, 3.5). Изменения координаты интерференционных полос характеризуют интегральные (происходящие за счет общего наклона волнового фронта) изменения фазы. Посредством фурье-преобразования временной зависимости расстояния между интерференционными полосами определялся спектр локальных колебаний фазового профиля - спектр изменения кривизны волнового фронта. Сравнение данных, представленных на рис.3.4 и рис.3.5 свидетельствует о том, что, помимо значи-

тельного уширения спектра интегральных флуктуации фазы, при стохастизации пучка уширяется также и спектр ее локальных флуктуации. Анализ флуктуаций фазы, относящихся к рассматриваемым состояниям пучка, показывает существенные различия природы этих флуктуаций. При квазирегулярной бездислокационнон структуре пучка фазовые флуктуации связаны с наклонами волнового фронта, обусловленными смещениями центра тяжести пучка. В случае стохастического состояния вклад наклонов волнового фронта как целого в флуктуации фазы оказывается небольшим. Доминирует влияние локальных сдвигов поверхности волнового фронта, сочетающееся с появлением винтовых дислокаций фазы.

При сопоставлении двух структурных состояний пучка определялись количественные параметры, характеризующие степень его возмущенности. Таким параметром, прежде всего, является относительная дисперсия флуктуаций интенсивности Стр характеризующая "контрастность" распределения интенсивности. Кроме этого, определялся диаметр пучка на приемной апертуре, среднее значение интенсивности и положение центра тяжести пучка. В табл.1 в качестве примера для двух состояний пучка приведены оцененные в одном из сеансов регистрации следующие характерные значения параметров: средние размеры пучка <0 > и <Оу> соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях; дисперсии изменений размеров пучка о^ и о^; дисперсии смещений центра тяжести пучка а^, а'цт по

горизонтали и вертикали.

Данные эксперимента подтверждают, что стохастизация приводит к значительному увеличению контрастности распределения интенсивности, сопровождающемуся заметным снижением средней интенсивности пучка и уменьшением дисперсии смещений центра тяжести пучка по вертикали. Последний результат сочетается с отмеченным выше экспериментальным фактом - уменьшением вклада смещений центра тяжести в фазовые флуктуации в условиях стохастизации пучка. Несмотря на значительное увеличение, контрастность в режиме сильных флуктуаций не достигает единицы. Следовательно, поле излучения в стохастическом случае отличается от классических спекл-полей.

В ходе измерений амплитудно-фазовых характеристик лазерных пучков на приземных трасах, проводимых в течение нескольких лет, было установлено, что структурная перемежаемость наиболее характерна для межсезонных периодов (осень-зима, зима-весна), для которых типичны наибольшие вертикальные градиенты температуры. Анализ данных о длительностях структурных состояний показал, что в периоды резкого похолодания, достаточно четко просматривается эффект увеличения длительности стохастического состояния.

Характеристики лазерного пучка Бездкслокацлонное состояние Стохастическое состояние

(D,),CM 5.5 7.2

(D,).CM 8.3 8.4

2 2 СТр , СМ 1.4 0.4

el .см- ! О.з 1 0.1 ______ ь\ _ . 1___________ _____ J____________ ..... ...

O'l 0.3 0.7

(О.см 6.6 5.9

(yJ.CM 5.5 5.3

al . см2 хцт 0.8 0.3

а] , см2 Унт 0.26 0.3

Табл.1 Пример рассчитанных из эксперимента значений характеристик лазерного пучка, прошедшего турбулентную атмосферу.

Регистрация структурных неустойчивостей в поле непрерывного лазерного излучения в разных условиях была дополнена данными о синхронных изменениях сигналов оптического лидара на той же атмосферной трассе. Измерения позволили установить связь характеристик пучка He-Ne лазера с параметром обратного рассеяния. Анализ показал, что присутствие на трассе водного аэрозоля в виде тумана, дождя или снега резко снижает вероятность перехода пучка в стохастическое состояние.

Попытка регистрации эффекта перемежаемости состояний пучка была осуществлена и на прямой трассе длиной 280 м. Для такой вдвое укороченной прямой трассы явление структурной перемежаемости состояний пучка также оказалось характерным. При этом число дислокаций, наблюдаемых на волновом фронте в стохастическом состоянии пучка, примерно вдвое уступает числу фазовых дислокаций на приемной апертуре локационной трассы при одинаковых условиях распространения.

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что явление структурной перемежаемости состояний лазерных пучков должно быть однозначно связано с перемежаемостью состояний турбулентности атмосферы на трассе распространения излучения. Для более полного описания изучаемого явления необходимые сведения о размерах объема воздушной массы, изменение состояния турбулентности в котором приводит к стохастизации пучков, были получены а экспериментах с дополнительными атмосферными трассами. Регистрация

скоррелированноста периодов стохастизации на основной и вспомогательной трассах при изменении растояния между ними позволяет сделать вывод о том, что в процессе изменения состояний турбулентности в приземном слое атмосферы формируются зоны относительно небольшого объема, в пределах которых происходят резкие изменения параметров турбулентности. Размеры этих образований ограничиваются десятками метров, а "время жизни" может меняться в пределах от долей секунды до нескольких десятков секунд, что согласуется с данными о микроструктуре турбулентных образований в нижнем приземном слое атмосферы.

Таким образом, зарегистрированное явление структурной перемежаемости лазерных пучков может быть естественным образом сопряжено с пространственно-временной перемежаемостью мелкомасштабной турбулентности в приземном слое воздуха. Характерная для структурной перемежаемости спорадическая стохастизация световых пучков достаточно просто объясняется либо происходящим под действием ветра смещением турбулизованных струй шш глобул в области оптической трассы, либо спонтанным быстрым развитием мелкомасштабной турбулентности в указанной области. Один из основных аргументов в пользу прямого сопоставления результатов эксперимента с теорией процессов в стратифицированной воздушной среде заключается в том, что структурная перемежаемость в соответствии с предпосылками теории наиболее устойчиво проявлялась при наличии значительных температурных градиентов.

В Заключении даны основные выводы по результатам работы.

ВЫВОДЫ

1. Разработанные и реализованные на практике схемы оптических атмосферных трасс и приемо-передающей аппаратуры обеспечивают широкие возможности измерения амплитудно-фазовых характеристик лазерных пучков в приземных каналах распространения при различных метеоусловиях и состояниях турбулентности атмосферы. Используемые трассы характерны для условий города и допускают обобщение полученных экспериментальных данных об амплитудно-фазовых флукгуациях на трассах различных направлений в различных режимах турбулентности на широкий класс каналов со сходными параметрами.

2. На приземных локационных трассах протяженностью порядка 300 м в одном направлении в зависимости от метеоусловий наблюдаются режимы слабых и сильных амплитудно-фазовых флуктуаций. При этом структурная характеристика флуктуаций показателя преломления изменяется в диапазоне Ю"10* 10"17 см'273. Увеличение уровня флуктуации

сопровождается уменьшением размера зоны корреляции и появлением на волновом фронте винтовых дислокаций.

3. Проведенный сравнительный анализ структуры лазерных пучков на горизонтальной и наклонной трассах позволил установить отличия, проявляющиеся прежде всего в том, что для наклонной трассы характерна устойчивая вытянутость пучка вдоль определенного направления. Амплитуда смещения центра тяжести пучка для горизонтальных трасс заметно превосходит величину этого смещения для наклонной трассы.

4. На приземных трассах в широком диапазоне метеопараметров может проявляться явление структурной перемежаемости лазерных пучков, характеризующееся квазипериодической стохастизацией амплитудно-фазового распределения. На основе многопараметрического анализа показано, что стохастизация излучения приводит к кардинальным изменениям его характеристик. Эти изменения проявляются, прежде всего, в топологической перестройке волнового фронта, а также в образовании спеклоподобной структуры распределения интенсивности со степенью контрастности, приближающейся к единице.

5. На основе анализа данных о временных амплитудно-фазовых изменениях установлено, что амплитудно-фазовые флуктуации, относящиеся к квазирегулярному состоянию лазерного пучка, обусловлены, в основном, изменениями наклона волнового фронта. Флуктуации в стохастическом состоянии пучка связаны, прежде всего, с локальными фазовыми изменениями.

6. Структурная перемежаемость лазерных пучков находит объяснение в существовании в приземном слое воздуха перемежаемости мелкомасштабной турбулентности с квазирегулярными пространственно-временными масштабами. Изменение соотношения между размером первой зоны Френеля и средним размером вихревых образований при попадании зоны мелкомасштабной турбулентности в область оптической трассы инициирует стохастизацию пучков. Данные об условиях проявления структурной перемежаемости находятся в соответствии с теорией формирования зон мелкомасштабной турбулентности в результате развития конвективных и гидродинамических неустойчивостей вблизи поверхности Земли.

7. Характерные размеры зон с активным развитием мелкомасштабной турбулентности для трасс используемого типа изменяются от десятков сантиметров до десятков метров. В свою очередь периодичность чередования стохастического и квазирегулярного состояний пучка свидетельствует о существовании определенной упорядоченности в распределении мелкомасштабной турбулентности.

8. Полученные в ходе выполненных исследований данные о структурной перемежаемости лазерных пучков в атмосферных каналах распространения следует учитывать при эксплуатации оптических локационных устройств и систем связи, а также для оптимизации характеристик адаптивных систем коррекции фазовых аберраций.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Арсеньян Т.И., Гринь Л.Е., Короленко П.В., Туманян (Кулягина) Е.А., Федотов H.H., Убогов С.А. Дислокация фазы оптического пучка, прошедшего локационную приземную трассу. Труды XI Симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск, 1992, с. 167.

2. Арсеньян Т.Н., Короленко П.В., Туманян (Кулягина) Е.А., Федотов H.H. Дислокации волнового фронта в условиях различной интенсивности турбулентности среды распространения. Тезисы докладов ХУП конференции по распространению радиоволн, Ульяновск, 1993, с.86.

3. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Туманян (Кулягина) Е.А. и др. Коррекция фазовых аберраций световых пучков на основе новых методов обращения волнового фронта. Сборник "Физика" по программе "Университеты России". Направление П. -М.: Изд. Моск. ун-та, 1994, с. 186-193.

4. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Кулягина Е.А., Федотов H.H. Флуктуации показателя преломления атмосферы на приземных трассах и дислокационная структура волнового фронта. Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах", Вологда, 1994, с.216-217.

5. Arsenyan T.I., Fedotov N.N., Korolenko P.V., Kulyagina E.A. The Estimation of Re&activity Structure Function by the Optical Propagation Along the Slant Path Near the Ground. CLIMPARA'94 Preprints of papers, sect. Clear Air-IV, Moscow, 1994, p.9.7.1-9.7.4.

6. Арсеньян Т.Н., Короленко П.В., Кулягина E.A., Федотов H.H. Оценка структурной характеристики флуктуаций показателя преломления по распределению дислокаций волнового фронта в интерференционной картине. Радиотехника и электроника, т.39, 1994, №9, с.1247-1251.

7. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Кулягина Е.А., Федотов H.H. Амплитудно-фазовые искажения и дислокации волнового фронта оптического пучка на наклонной приземной трассе. Радиотехника и электроника, т.39, 1994, №10, с.1471-1476.

!. Арсеньян Т.И., Корниенко Л.С., Короленко П.В., Кулагина Е.А., Куприков И.В., Ломоносов В.Г., Федотов Н.Н. Волновые пучки с винтовой структурой фазового фронта в системах со случайными неоднородностями. Тезисы докладов Международной конференции "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения электротехники", 4.2, Москва, 1995, с.26-27.

). Arsenyan T.I., Fedotov N.N., Kornienko L.S., Korolenko P.V., Kulyagina E.A., Petrova G.V. Laser Beams with Helical Wavefront Dislocations and Their Applications in the Diagnostical and Metrological Systems. Proc. SPIE, v.2713,1995, p.453-459.

[0. Arsenyan Т.Г., Fedotov N.N., Korolenko P.V., Kulyagina E.A. Atmospheric Turbulence Structure and the Wavefront Dislocations on the Near-the-Ground Paths. PIERS'95 Technical Digest, Seattle, WA, USA, 1995, p.121.

11. Arsenyan T.I., Fedotov N.N., Korolenko P.V., Kulyagina E.A. Intermittence of the Atmospheric Turbulence and Dislocational Structure of the Wave Beam. PIERS'96 Technical Digest, Innsbruck, Austria, 1996, p.373.

12. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Кулягина E.A., Петрова Г.В., Федотов Н.Н. Перемежаемость структурных состояний лазерных пучков на приземных трассах. Вестник Московского университета, серия 3 - "Физика, Астрономия", т.38, 1997, №1, с.26-29.

13. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Кулягина Е.А., Ляш А.Н., Першин С.М., Одинцов А.И., Федотов Н.Н. Перемежаемость флуктуационных процессов в тропосферных каналах распространения лазерного излучения. Оптика атмосферы и океана, т.10, 1997, №1, с.1-7