Главная » 2014 » Август » 12 » Скачать Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере. Маганова, Мария Сергеевна бесплатно
22:51
Скачать Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере. Маганова, Мария Сергеевна бесплатно
Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере
Диссертация
Автор: Маганова, Мария Сергеевна
Название: Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере
Справка: Маганова, Мария Сергеевна. Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.05 Москва, 2005 102 c. : 61 05-1/721
Объем: 102 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
ГЛАВА
I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЛУКТУАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА АТМОСФЕРНЫХ ТРАССАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
§11 Краткое описание турбулентных процессов в тропосфере
§12 Результаты теоретических исследований
§13 Данные экспериментальных работ
ГЛАВА
II ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
§21 Экспериментальная база
§22 Методика обработки данных
ГЛАВА
III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С РАЗЛИЧНОЙ АПЕРТУРОЙ
§31 Флуктуационная структура излучения в отсутствие перемежаемости турбулентности
§32 Влияние перемежаемости турбулентности на статистические характеристики излучения
§33 Влияние осадков
ГЛАВА
IV АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
§41 Сопоставление экспериментальных и теоретических данных
§42 Численный эксперимент
ВЫВОДЫ
Введение:
Актуальность темы В настоящее время сохраняют актуальность исследования, связанные с распространением лазерного излучения в приземной атмосфере. Изучение физических эффектов, которые сопутствуют распространению лазерных пучков, имеет большое значение для совершенствования оптических систем связи, локации, а также разнообразных метрологических и лидарных устройств. Несмотря на то, что этим вопросам посвящены многочисленные публикации, целый ряд явлений, важных с теоретической и практической точек зрения, оказался слабоизученным. К ним можно отнести апертурные эффекты при распространении лазерных пучков в приземной атмосфере с изменяющимся состоянием турбулентности. Апертура пучков существенным образом влияет на структуру флуктуации излучения, проявляющуюся в пространственно-временных изменениях интенсивности, фазы и смещениях «центра тяжести» пучков. Весьма сложный и далеко не изученный характер это влияние имеет в условиях неоднородности турбулентных процессов, развивающихся в атмосфере большого города. При этом не ясно, можно ли свести учет неоднородности турбулентности в приземном воздушном слое к небольшим поправкам к известным закономерностям, определяющим связь между турбулентностью и уровнем флуктуации, или же требуется серьезный пересмотр основных теоретических положений, определяющих распространение лазерного пучка в открытых каналах.Исследования апертурных эффектов при распространении лазерного излучения по атмосферным трассам позволяет, в свою очередь, получить важную информацию об особенностях и изменениях структуры мелкомасштабной турбулентности.Наконец, возросшая в настоящее время актуальность исследований в указанном направлении во многом определяется резким увеличением числа оптических систем связи, использующих открытые каналы распространения излучения. Эти системы оказывают жесткую конкуренцию кабельным волоконно-оптическим линиям передачи информации в тех случаях, когда требуется осуществить в кратчайшие сроки мобильную связь на относительно небольших расстояниях между различными приемо-передающими устройствами. Использование открытых каналов в городских условиях оказывается зачастую намного дешевле применения световолоконных устройств. При этом легче осуществить мероприятия по информационной защите.Дальнейшее совершенствование и оптимизация характеристик систем связи, использующих распространение лазерного излучения по приземным трассам, определенным образом сдерживается явным дефицитом сведений об особенностях распространения лазерных пучков в условиях городского ландшафта, формирующим сложную динамику движения воздушной массы. Большинство ранее проведенных исследований характеристик лазерных пучков на приземных трассах выполнялось над гладкой подстилающей поверхностью. Для таких условий легче построить теоретическую модель, адекватно описывающую поведение излучения. Однако данные, полученные на таких трассах, не всегда могут быть использованы для оптимизации характеристик каналов распространения (включая их геометрические параметры), построенных с использованием городских сооружений.Таким образом, всё вышесказанное свидетельствует об актуальности проблемы изучения распространения излучения по атмосферным трассам различной геометрии в условиях сложной динамики движения воздушной массы.Цель и задачи Цель диссертационной работы состоит в многопараметрическом анализе апертурных эффектов стохастизации лазерного излучения на приземных городских трассах при различных состояниях атмосферной турбулентности. Работа предполагает решение двух взаимосвязанных задач. Первая из них заключается в получении, обработке и сопоставлении экспериментальных данных, характеризующих в широком наборе метеопараметров флуктуационную структуру лазерных пучков с различной апертурой. Вторая задача состоит в поиске возможности теоретических оценок трансформации характеристик лазерного излучения при изменении свойств атмосферной турбулентности. При решении указанных задач особое внимание уделяется анализу эффектов, связанных со случайными смещениями лазерных пучков на приемной апертуре.Научная новизна результатов В диссертационной работе впервые на городских приземных трассах в условиях неустойчивости атмосферной турбулентности экспериментально определены зависимости, характеризующие влияние на процессы стохастизации излучения апертуры лазерных пучков. Для теоретического описания наблюдаемых эффектов и интерпретации установленных закономерностей предложены подходы, позволяющие адаптировать известные представления о стохастизации излучения в атмосфере с однородными и изотропными турбулентными процессами для случая перемежающейся турбулентности.ПололсениЯу выносимые на защиту 1. Реализованная при проведении исследований оптическая схема экспериментального стенда с атмосферной трассой, а также разработанные методики регистрации и обработки данных о флуктуациях излучения позволяют осуществлять анализ и сравнение статистических характеристик излучения для различных параметров атмосферных трасс.2. В условиях стационарных характеристик турбулентности с увеличением апертуры коллимированных лазерных пучков имеет место постепенное усложнение пространственной структуры излучения от квазирегулярной к спеклоподобной. При этом поведение пучков соответствует основным теоретическим представлениям, относящихся к модели однородной и изотропной турбулентности.3. Являющаяся следствием перемежающейся мелкомасштабной турбулентности спорадическая стохастизация лазерного пучка характеризуется резким увеличением дисперсии локальных флуктуации интенсивности и существенными искажениями амплитудно-фазового профиля; в то же время влияние перемежаемости турбулентности на флуктуации центра тяжести пучка проявляются гораздо слабее. Время пребывания пучка в стохастическом состоянии в сильной степени зависит от апертуры пучков и резко увеличивается, если число Френеля трассы превосходит единицу.4. Даже слабые осадки на трассе в виде снега или дождя значительно уменьшают случайное блуждание пучка в плоскости приемной апертуры. При этом в спектре колебаний пучка усиливаются низкочастотные колебания.5. Интерпретацию наблюдаемых апертурных эффектов, влияющих на характер спорадической стохастизации излучения, можно дать на основе расчетных соотношений, справедливых для модели однородной и изотропной турбулентности, в которых изменения состояния турбулентности сводятся к изменению внутреннего масштаба турбулентности при постоянном значении структурной характеристики флуктуации показателя преломления.Достоверность результатов Достоверность результатов обеспечивается тщательной проработкой методик измерений, многократностью проводимых экспериментов, согласием экспериментальных результатов с данными теоретического анализа и современными знаниями о турбулентной атмосфере и процессах распространения в ней световых волн.Практическая значимость Практическая значимость работы определяется возможностью использования полученных в ней результатов для оптимизации характеристик разнообразных метрологических, локационных и навигационных устройств, а также систем связи, использующих открытые каналы распространения излучения. Кроме того, разработанные методики могут найти применение в системах, обеспечивающих лазерный мониторинг состояния приземной атмосферы.Апробация результатов Основные результаты работы докладывались на конференциях: ICONO'95, Санкт-Петербург, (1995); «Лазерные технологии - 98», Шатура, (1998); Nineteenth International Laser Radar Conference, Maryland, USA, (1998); «Прикладная оптика'98», Санкт-Петербург, (1998); «Распространение радиоволн», Казань, (1999); 20 International Laser Radar Conference abstracts (IPSL), Vichy, France, (2000); «Оптика-2000», Санкт-Петербург, (2000); VIII Join International Symposium "Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics", Иркутск, (2001); «Оптика-2001», Санкт-Петербург, (2001); всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах», г. Красновидово, МО, (2002); «Оптика-2003», Санкт-Петербург, (2003); «В1ЖСФ-10», г.Москва (2004); всероссийской щколе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах», п-т Университетский, МО, (2004); «Ломоносов2004», г. Москва (2004).Публикации Полученные научные результаты отражены в 25 публикациях (из них 15 - тезисы докладов). Некоторые из используемых в работе методов обработки данных получили освещение в изданном монографическом учебном пособии.Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 102 страницах. Она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 102 наименований, содержит 23 рисунка, 2 таблицы.Краткое содерукание диссертации В первой главе, представляющей литературный обзор по теме работы, рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния геометрии атмосферных трасс и характеристик среды распространения на структуру флуктуации лазерного излучения.Проанализированы литературные сведения, относящиеся к особенностям турбулентных процессов в приземном воздушном слое.Рассмотрены наиболее общие подходы к теоретическому описанию взаимодействия излучения с турбулентной средой. Обсуждается согласованность теоретических представлений с результатами экспериментов. Обзор завершается анализом проблем и вопросов, слабо освещенных в литературе.Вторая глава посвящена описанию экспериментальной базы, включающей горизонтальную и наклонную атмосферные локационные трассы, построенные с использованием зданий Московского государственного университета на Воробьевых горах. В ней описывается методика многопараметрического анализа статистических параметров лазерных пучков в условиях их спорадической стохастизации, а также оценки турбулентных характеристик атмосферы.Приведены основные характеристики оптического тракта экспериментального стенда и используемых приемно-регистрирующих устройств. Описаны вопросы, относящиеся к проведению экспериментов с изменяющимися по апертуре пучками, а также с пучками, распространяющимися по близким траекториям.Рассматриваются приемы компьютерной обработки видеоизображений лазерных пучков.В заключение второй главы приведены результаты предварительных экспериментов, в ходе которых было установлено, что наилучшие условия для наблюдения влияния изменения турбулентности на флуктуации излучения существуют на горизонтальной трассе.В третьей главе описана постановка экспериментов на приземной атмосферной трассе, целью которых является обнаружение и анализ апертурных эффектов стохастизации излучения. Проведено сравнение результатов экспериментов с узкими коллимированными пучками с экспериментальными данными, относящимися к пучкам с другой геометрической конфигурацией. Особое внимание уделяется анализу процессов стохастизации излучения в различных метеоусловиях, характеризующихся различными состояниями турбулентности и наличием осадков. Приведены результаты экспериментов с пучками, распространяющимися по параллельным трассам, позволяющие на более корректной основе выявить влияние величины выходной апертуры узконаправленных пучков на процессы стохастизации. В удобной для анализа форме приведены сведения о флуктуациях интенсивности и случайных смещениях центров тяжести пучков.Установленные физические зависимости дополнительно проиллюстрированы видеоизображениями лазерных пучков, полученными для разных условий. в четвертой главе дана интерпретация наблюдаемых эффектов.Для интерпретации привлечена расчетная модель, позволяющая оценивать влияние изменения состояния мелкомасштабной турбулентности на статистические характеристики лазерных пучков. На основе этой модели дана интерпретация результатам приведенных экспериментов. Показано, что наблюдаемые эффекты могут быть описаны на основе теоретических представлений, развитых для среды с однородной и изотропной турбулентностью с поправкой на изменение величины внутреннего масштаба турбулентности. Для интерпретации данных использованы так же результаты численного моделирования, в основе которого лежит применение модели прохождения лазерного пучка через движущийся фазовый экран.
