СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА ФЛУКТУАЦИЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2003 года по МПК G01N21/41 G01W1/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к области дистанционных измерений, и может быть использовано при проектировании лазерных информационных систем и систем доставки лазерного излучения.

Турбулентная среда вследствие перемешивания слоев имеет случайно распределенные в пространстве неоднородности показателя преломления. Эти неоднородности во многих практически важных задачах описываются случайным полем, характеризуемым спектром флуктуации показателя преломления турбулентной среды (СФППТС). Параметры этого спектра и представляют интерес. Общепринято СФППТС представлять формулой со следующими параметрами: L₀ - внешний масштаб турбулентности, l₀ - внутренний масштаб и C_n ² - структурная характеристика флуктуаций показателя преломления (Зуев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 270 с., с. 11).

Известен способ (Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. - Новосибирск: Наука, 1981. - 246 с.), включающий направление пучка лазерного излучения сквозь турбулентную среду, измерение распределения интенсивности излучения лазерного пучка, подвергнувшегося воздействию среды, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, оценку статистических характеристик распределения интенсивности лазерного пучка, определение параметра спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды - структурной характеристики C_n ². В этом способе в качестве статистических характеристик распределения интенсивности используют полуширину распределения средней интенсивности, а структурную характеристику C_n ² получают, используя приближенные выражения, не включающие зависимость от масштабов турбулентности, и масштабы турбулентности не определяют вообще.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе из параметров СФППТС определяют лишь один параметр СФППТС: C_n ² - структурную характеристику, при этом не достигается требуемая точность. Основной источник ошибок - недостаток информации, содержащейся в измерениях.

Известен способ (Монастырный Е.А., Патрушев Г.Я., Петров А.И., Покасов В. В. Способ и устройство для определения внутреннего масштаба турбулентности. - авт. свид. 913794, 1981), включающий направление пучков лазерного излучения сквозь турбулентную среду, измерение распределения интенсивности излучения лазерных пучков, подвергнувшихся воздействию среды, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, оценку статистических характеристик распределения интенсивности лазерных пучков, определение параметра спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды - внутреннего масштаба. Этим способом определяют внутренний масштаб спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды, а основано его определение на использовании того обстоятельства, что величина внутреннего масштаба турбулентности существенно влияет на спектр флуктуации интенсивности оптического излучения в области высоких частот и слабо влияют на низкочастотную часть спектра.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе определяют лишь один параметр СФППТС: l₀ - внутренний масштаб, используя приближенные формулы для исключения L₀ - внешнего масштаба, а измерения проводят в тех условиях, при которых внешний масштаб оказывает малое влияние на результаты измерений. Эти условия приходится извлекать из априорной информации о величине внешнего и внутреннего масштабов. Основной источник ошибок - использование приближенных формул и нечеткой априорной информации о спектре.

Известен способ (патент США 5150171, G 01 N 21/41, 1992), включающий направление пучков лазерного излучения, измерение распределения интенсивности излучения лазерных пучков, подвергнувшихся воздействию среды, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, оценку статистических характеристик распределения интенсивности лазерного пучка, определение параметров спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды. В способе путем зондирования турбулентной среды двумя лазерными пучками определяют последовательно параметры СФППТС - внутренний масштаб и структурную характеристику C_n ². Внутренний масштаб определяют на основе измерений дисперсий логарифма флуктуации интенсивности. Структурную характеристику C_n ² получают из любой измеряемой дисперсии и внутреннего масштаба турбулентности.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе из параметров СФППТС определяют лишь два параметра: l₀ - внутренний масштаб и C_n ² - структурную характеристику, игнорируют влияния внешнего масштаба и последовательно определяют параметры спектра СФППТС.

Общим недостатком этих способов, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, является то, что параметры СФППТС определяются каждый отдельно, хотя измеряемые величины зависят от совокупности всех параметров турбулентной среды и параметры взаимосвязаны, следствием чего является потеря точности в определении параметров СФППТС. Кроме того, при определении параметров этими способами отсутствует явно количественная связь между погрешностями измерений и погрешностями определения параметров СФППТС.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ (Лукин В.П., Покасов В.В., Тиме Н. С., Туровцева Л.С. Восстановление спектра пульсаций показателя преломления в атмосфере из оптических измерений// Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана 1977. - Т. 13, 1. - C. 90-94), включающий направление пучков лазерного излучения с распределением, близким к гауссовскому, сквозь турбулентную среду, измерение распределения интенсивности излучения лазерных пучков, подвергнувшихся воздействию среды, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, оценку статистических характеристик распределения интенсивности лазерных пучков, определение параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды. В способе путем зондирования турбулентной среды двумя лазерными пучками восстанавливают спектр флуктуации показателя преломления, на основании которого можно вычислить параметры этого спектра. Для восстановления спектра используются измерения частотных спектров флуктуации логарифма амплитуды и ее производной в плоской волне. Эти измерения позволяют восстановить высокочастотную часть спектра. Кроме того, используют измерения корреляционной функции флуктуации фазы в центрах параллельных гауссовых пучков, разнесенных на различные расстояния. Эти измерения позволяют восстановить низкочастотную часть спектра. Повышение точности достигается за счет совместного использования измеряемых величин посредством решения методом статистической регуляризации соответствующих уравнений.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе используется оценка корреляционной функции флуктуации фазы, точность определения которой в этом способе существенно влияет на точность определения параметров спектра, однако существующие методы оценивания корреляционной функции флуктуации фазы не дают требуемой точности в области низких частот. Кроме того, в известном методе должны быть соблюдены условия формирования пучков, которые должны быть коллимированными, параллельными, гауссовскими, одинаковыми и разнесенными на строго фиксированное расстояние. Несоблюдение этих условий не позволяет достичь высокой точности.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При исследовании турбулентной среды непосредственное измерение ее параметров с использованием контактных датчиков приводит к погрешностям в оценках из-за возмущающего действия датчиков на среду. Оптическое излучение, прошедшее некоторый путь в турбулентной среде, содержит в себе информацию об этой среде. Эта информация может быть извлечена из измерений характеристик излучения. То есть все оптические способы определения самого СФППТС или его параметров используют косвенные измерения СФППТС. Различные оптические способы определения параметров турбулентной среды отличаются измеряемыми характеристиками лазерного излучения и соответственно использованием различных соотношений между этими характеристиками и искомыми параметрами. В общем случае это задача относится к классу некорректных задач, которые решаются специальными методами с привлечением дополнительной информации. Для класса некорректных задач характерны сложности с получением решения с малой погрешностью и с оценкой величины этой погрешности. Повышение точности определения параметров СФППТС посредством извлечения информации о совокупности параметров СФППТС, содержащейся в таких статистических характеристиках излучения, как дисперсия смещения энергетического центра тяжести и/или среднее распределение интенсивности пучка, прошедшего турбулентную среду, при зондировании среды различными пучками является задачей изобретения.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности и надежности определения параметров СФППТС при определении всей совокупности параметров одновременно и при снижении требований к характеристикам зондирующих пучков и упрощении эксперимента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем направление пучков лазерного излучения сквозь турбулентную среду, измерение распределения интенсивности излучения лазерных пучков, подвергнувшихся воздействию среды, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, оценку статистических характеристик распределения интенсивности лазерных пучков, определение параметров спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды, отлично то, что направляют пучки лазерного излучения разных диаметров и/или разных длин волн, в качестве статистических характеристик распределения интенсивности используют распределение средней интенсивности лазерного пучка и/или дисперсию смещения центра тяжести лазерного пучка, определяют из статистических характеристик распределения интенсивности область возможных значений параметров спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок этих статистических характеристик, для каждого из лазерных пучков, определяют параметры спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды значениями, общими для всех областей возможных значений параметров всех использованных пучков.

Если распределение интенсивности излучения лазерных пучков измеряют на различных расстояниях от источника излучения, из статистических характеристик распределения интенсивности используют распределение средней интенсивности, область возможных значений параметров спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок распределения средней интенсивности, определяют из средней интенсивности для каждого из лазерных пучков на каждом из расстояний измерений, определяют параметры спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды значениями, общими для всех областей возможных значений параметров всех использованных пучков для всех расстояний, то возникает усиление указанного ранее технического результата относительно повышения точности параметров СФППТС. Этот результат является следствием не увеличения количества однотипных элементов действий, а следствием использования в совокупности разнородной косвенной информации о среде.

Если распределение интенсивности излучения лазерных пучков измеряют на различных расстояниях от источника излучения, из статистических характеристик распределения интенсивности используют дисперсию смещения центра тяжести лазерного пучка, дополнительно оценивают из измеренных распределений интенсивности излучения функцию корреляции флуктуации интенсивности лазерного пучка, а область возможных значений параметров спектра флуктуации показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок, определяют из дисперсии смещения центра тяжести лазерного пучка с учетом ее зависимости от функций корреляции флуктуации интенсивности на каждом из расстояний, то возникает усиление указанного ранее технического результата. Усиление технического результата выражается в снижении требований к пучкам при сохранении точности определения параметров СФППТС либо в повышении точности при сохранении требований к пучкам. Действительно, в этом случае в ключевое соотношение между искомыми параметрами и измеряемой дисперсией смещения включают не теоретически предсказанную функцию корреляции флуктуации интенсивности, а фактически измеренную и тем самым уменьшают погрешность. Соотношение между дисперсией смещения центра тяжести лазерного пучка и функцией корреляции флуктуации интенсивности известно и взято из (Гурвич А.С., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. М.: Наука, 1976, с. 127).

Совокупность вышеизложенных признаков изобретения связана причинно-следственной связью с техническим результатом изобретения. Лазерные пучки, прошедшие через турбулентную среду, претерпевают значительные изменения. Изменения отражаются на таких статистических характеристиках, как распределение средней интенсивности и дисперсия смещения центра тяжести зондирующего лазерного пучка. Распределение интенсивности различных лазерных пучков, прошедших через турбулентную среду, оказывается чувствительным к различным участкам спектра СФППТС. Это и позволяет, проводя измерения с измененными параметрами исходного лазерного пучка и оценивая упомянутые статистические характеристики лазерного пучка, получать более полную информацию о спектре флуктуации показателя преломления турбулентной среды и, следовательно, о его параметрах.

Для извлечения этой информации используют известные соотношения между СФППТС и статистическими характеристиками распределения интенсивности. Статистические характеристики измеряются в эксперименте с погрешностями измерений. Значения каждой из оценок этих статистических характеристик для каждого из пучков с определенной точностью соответствуют целому набору параметров СФППТС, составляющих область возможных значений. Поскольку различные статистические характеристики интенсивности различных лазерных пучков оказываются чувствительными к различным участкам СФППТС, области возможных значений параметров СФППТС, пересекаясь, уточняют значения искомых параметров. Технический результат является следствием не увеличения количества однотипных элементов действий, а следствием использования в совокупности разнородной косвенной информации о среде, полученной из оценок выбранных статистических характеристик распределения интенсивности лазерных пучков с разными диаметрами и/или разными длинами волн, прошедших турбулентную среду.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа повышается точность и надежность определения параметров СФППТС при определении всей совокупности параметров одновременно. Реализация операций способа при адекватности физической модели обязательно приводит к пересечению областей возможных значений параметров СФППТС, т.е. способ гарантирует определение конкретных значений параметров СФППТС. При этом лазерные пучки, направляемые в турбулентную среду, могут быть между собой не связаны какими либо условиями, а экспериментальные измерения могут быть проведены не одновременно, а последовательно (в эксперименте должно соблюдаться лишь очевидное требование - статистические характеристики турбулентной среды должны быть неизменными на протяжении всего эксперимента).

Требования к форме пучков менее строгие по сравнению с прототипом. В способе отсутствуют требования к взаимному расположению пучков. То есть предлагаемый способ характеризуется снижением требований к пучку и существенным упрощением эксперимента по сравнению с прототипом. Способ определяет все параметры СФППТС в соответствии с погрешностями оценок используемых статистических характеристик и, следовательно, в соответствии с погрешностями измерений интенсивности, в то время как в прототипе нет явной зависимости ошибки определения параметров спектра СФППТС от погрешностей измерений интенсивности. В отличие от аналогов и прототипа способ обеспечивает определение одновременно всех параметров СФППТС.

Использование оценок распределения средней интенсивности лазерных пучков на различных расстояниях от источника излучения усиливает технический результат относительно повышения точности и надежности определения параметров. Распределение средней интенсивности зависит как от параметров СФППТС, так и от расстояния до источника излучения. Изменяя расстояние до источника излучения при неизменной среде и измеряя распределение средней интенсивности, получаем совокупность разнородной косвенной информации о среде. Использование распределения средней интенсивности позволяет упростить эксперимент, так как в этом случае оценку статистической характеристики (распределения средней интенсивности) можно произвести путем увеличения экспозиции при регистрации излучения, что упрощает процесс регистрации и обработки эксперимента.

Использование оценок дисперсии смещения центра тяжести лазерного пучка на различных расстояниях с дополнительно оцененной функцией корреляции флуктуации интенсивности лазерного пучка, когда область возможных значений параметров СФППТС, соответствующую погрешностям оценок, определяют из дисперсии смещения центра тяжести лазерного пучка с учетом ее зависимости от функций корреляции флуктуации интенсивности на каждом из расстояний, приводит к усилению указанного ранее технического результата. Усиление технического результата выражается в снижении требований к пучкам при сохранении точности определения параметров СФППТС либо в повышении точности при сохранении требований к пучкам. В этом случае в ключевое соотношение между искомыми параметрами и измеряемой дисперсией смещения включают не теоретически предсказанную функцию корреляции флуктуации интенсивности, а фактически измеренную, и тем самым уменьшают погрешность.

На фигуре 1 представлено сечение пространства поиска по одной из координат. Здесь приведены две области возможных значений параметров СФППТС, определенные по дисперсиям смещения центра тяжести пучков разных диаметров. Сечение проведено через точку найденных параметров СФППТС. Видно, что области возможных значений параметров СФППТС для двух пучков представлены вытянутыми достаточно большими областями. Эти области пересекаются, и область их пересечения является небольшой и достаточно компактной. Координаты центра этой области соответствуют полученным значениям искомых параметров СФППТС, а величина области соответствует точности определения этих параметров. Фиг.1 демонстрирует, что технический результат является следствием не увеличения количества однотипных элементов действий, которое может каждую из областей сделать тоньше, а следствием использования в совокупности разнородной косвенной информации о среде (область пересечения существенно меньше каждой из областей).

На фигуре 2 приведены примеры измерений распределения интенсивности лазерных пучков λ= 1,06 мкм диаметрами 1 см и 3 см в дальней зоне (500 м от источника излучения) и примеры оценок дисперсии смещений энергетического центра тяжести и распределения средней интенсивности пучков для реального эксперимента с турбулентной средой. На фигуре 2А изображены образцы отдельных реализации распределений интенсивности лазерных пучков. На фиг.2В приведены оценки дисперсии смещений энергетического центра тяжести, полученные в результате статистической обработки эксперимента. На фигуре 2С приведены распределения средней интенсивности этих пучков.

На фигуре 3 представлен результат конкретного выполнения способа с использованием измерений дисперсии смещения энергетического центра тяжести пучков, который относится к использованию пучков разных диаметров и одинаковых длин волн. Отдельные реализации распределения интенсивности, полученные в эксперименте, были приведены на фигуре 2А. Для визуализации вся область возможных значений параметров СФППТС представлена дискретным набором трехмерных точек с одинаковым шагом по каждому из параметров. На фигуре 3А изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ = 1,06μ диаметром 1 см, область представлена 849 трехмерными точками (849 наборов значений параметров). На фиг.3В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ = 1,06μ диаметром 3 см; в области 90 трехмерных точек (90 набор значений параметров). Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фиг. 3С, область представлена 4 трехмерными точками (4 наборов значений параметров). Центр этой области L₀ - 2,3 см, l₀ - 0,2 см и C_n ² 5,3Е-10 м^-2/3 принимаем за значение параметров СФППТС.

На фигуре 4 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию пучков одинаковых диаметров 1 см и разных длин волн: λ=1,06 мкм и λ=10,6 мкм. В результате оценки дисперсии смещения энергетического центра тяжести получили 2 области возможных значений параметров спектра, соответствующие погрешностям измерений, представленные на фигуре 4А и 4В соответственно. На фигуре 4А изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=1,06 мкм. На фигуре 4В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ= 10,6 мкм. Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 4С.

На фигуре 5 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию пучков разных диаметров и разных длин волн: λ= 1,06 мкм диаметром 1 см и λ=10,6 мкм диаметром 3 см. В результате оценки дисперсии смещения энергетического центра тяжести получили 2 области возможных значений параметров спектра, соответствующие погрешностям измерений. На фигуре 5А изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=1,06 мкм диаметром 1 см. На фигуре 5В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=10,6 мкм диаметром 3 см. Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 5С.

На фигуре 6 представлен результат конкретного выполнения способа для определения параметров СФППТС, который относится к использованию пучков разных диаметров и одинаковых длин волн: (λ=1,06 мкм диаметром 1 см и λ=1,06 мкм диаметром 3 см) при оценивании распределения средней интенсивности. Отдельные реализации распределения интенсивности были приведены на фигуре 2А, а оценки распределения средней интенсивности, полученные из этого эксперимента, приведены на фигуре 2С. На фигуре 6А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ= 1,06 мкм диаметром 1 см. На фигуре 6В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ= 1,06 мкм диаметром 3 см. Совокупный учет дает область значений параметров, представленную на фигуре 6С.

На фигуре 7 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию пучков разных диаметров и разных длин волн: λ= 1,06 мкм диаметром 1 см и λ=10,6 мкм диаметром 3 см и оцениванию распределения средней интенсивности. На фигуре 7А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм. На фигуре 7В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм. Совокупный учет дает область значений параметров, представленную на фигуре 7С.

На фигуре 8 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию пучков одинаковых диаметров и разных длин волн: λ=1,06 мкм диаметром 3 см и λ=10,6 мкм диаметром 3 см и оцениванию распределения средней интенсивности. На фигуре 8А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм. На фигуре 8В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм. Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 8С.

На фигуре 9 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию измерений пучков разных диаметров и одинаковых длин волн: λ=1,06 мкм диаметром 1 см и λ=1,06 мкм диаметром 3 см при оценивании и распределении средней интенсивности и дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучков. На фигуре 9А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности λ= 1,06 мкм диаметром 1 см. На фигуре 9В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 1 см. На фигуре 9С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм с диаметром 3 см. На фигуре 9D изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 3 см. Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 9Е.

На фигуре 10 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию измерений пучков одинаковых диаметров 3 см и разных длин волн: λ= 1,06 мкм и λ=10,6 мкм при оценивании и распределения средней интенсивности и дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучков. На фигуре 10А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности λ=1,06 мкм диаметром 3 см. На фигуре 10В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 3 см. На фигуре 10С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см. На фигуре 10D изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ= 10,6 мкм диаметром 3 см. Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 10Е.

На фигуре 11 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к использованию пучков разных диаметров и разных длин волн: λ= 1,06 мкм диаметром 1 см и λ=10,6 мкм диаметром 3 см при оценивании и распределении средней интенсивности и дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучков. На фигуре 11А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности λ= 1,06 мкм диаметром 1 см. На фигуре 11В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 1 см. На фигуре 11С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см. На фигуре 11D изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=10,6 мкм диаметром 3 см. Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 11Е.

На фигуре 12 представлен результат конкретного выполнения, который относится к измерениям интенсивности пучков на различных расстояниях от источника излучения при оценивании распределения средней интенсивности. На фигуре 12А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм диаметром 15 см на дистанции 150 м. На фигуре 12В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм диаметром 15 см на дистанции 2000 м. На фигуре 12С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ= 10,6 мкм диаметром 15 см на дистанции 150 м. На фигуре 12D изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм диаметром 15 см на дистанции 2000 м. Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 12Е.

На фигуре 13 представлен результат конкретного выполнения способа, который относится к измерениям на различных расстояниях (500 м и 2 м) интенсивности излучения при использовании дисперсии смещения центра тяжести и функции корреляции флуктуации интенсивности лазерного пучка. На фигуре 13А изображена область возможных значений параметров пучка λ=1,06 мкм с диаметром 1 см по дисперсии и функции корреляции флуктуации интенсивности. На фигуре 13В изображена область возможных значений параметров, определенная по измерениям интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см по дисперсии и функции корреляции флуктуации интенсивности. Совокупный учет дает область значений параметров, представленную на фигуре 13С.

Способ реализуется в следующей последовательности операций.

Через исследуемую турбулентную среду пропускают лазерные пучки различных диаметров и/или различных длин волн λ и фиксируют распределения интенсивностей на одинаковых или различных расстояниях от источника излучения для каждого из пучков в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, с помощью фотоприемных устройств и цифровой записи сигналов. Измерения осуществляют за время, в течение которого статистические характеристики турбулентной среды остаются неизменными. Производят числовую обработку измерений, в результате которой получают оценки статистических характеристик интенсивности лазерных пучков для каждого из лазерных пучков, в том числе для каждого из расстояний. В качестве статистических характеристик в различных модификациях реализации изобретения могут быть использованы распределение средней интенсивности лазерного пучка и/или дисперсия смещения центра тяжести лазерного пучка. Затем из оценок статистических характеристик распределения интенсивности на основании известных соотношений, связывающих статистические характеристики распределения интенсивности со СФППТС, получают область возможных значений параметров СФППТС, соответствующую погрешностям оценок, определяют параметры СФППТС областью пересечения всех полученных областей возможных значений параметров всех использованных пучков. Координаты центра области пересечения принимают за искомые параметры.

Примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1.

Были проведены натурные испытания, где в качестве турбулентной среды использовался воздушный поток, происходящий от промышленной воздухонагревательной установки с диаметром выходного сопла 50 см. В качестве источника излучения использовался лазерный излучатель на гранате. Система регистрации излучения была построена на основе ПЗС-камер и включала в себя помимо ПЗС-камер и входной оптической системы быстродействующий аналого-цифровой преобразователь Miro-DC, ЭВМ на базе процессора Р-200 ММХ и систему синхронизации запуска лазера. Лазерные пучки с длиной волны λ=1,06 мкм диаметрами 1 см и 3 см с круглой апертурой и с равномерным начальным распределением интенсивности проходили через воздушную зону сильной турбулентности толщиной 50 см. То есть для определения параметров СФППТС использовались лазерные пучки разных диаметров и одинаковых длин волн, а в качестве статистической характеристики использовалась дисперсия смещения энергетического центра тяжести лазерного пучка.

На фигуре 2А изображены образцы отдельных реализации распределений интенсивности лазерных пучков с длиной волны λ=1,06 мкм диаметрами 1 см и 3 см в дальней зоне для реального эксперимента с турбулентной средой. Там же приведены оценки дисперсии смещений энергетического центра тяжести и распределения средней интенсивности этих пучков, полученные в результате статистической обработки эксперимента.

Для дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучка, распространяющегося вдоль оси Z, соотношение, связывающее эту статистическую характеристику со СФППТС, имеет вид:

где

Здесь
- корреляционная функция распределения интенсивности в плоскости наблюдения ξ;
P₀ ² - мощность в пучке;
L - расстояние до плоскости наблюдения, перпендикулярной направлению распространения пучка.

Для пучка диаметром 1 см дисперсия смещения центра тяжести пучка, зафиксированного на расстоянии 500 м от источника излучения: σ21

= 7,56±0,324 см².
Для пучка диаметром 3 см дисперсия смещения центра тяжести пучка, зафиксированного на расстоянии 500 м от источника излучения: σ22 = 1,515±0,002 см².
Затем производился поиск параметров спектра, удовлетворяющих полученным значениям дисперсии с соответствующим уровнем погрешности в трехмерной области изменения параметров: l₀ от 0,1 до 1,8 см, L₀ от 1 до 55 см, C_n ² от 3,3•10^-10 м^-2/3 до 4,5•10^-9м^-2/3
Определение области возможных значений параметров производят из следующего соотношения:

где - погрешность, соответствующая i-му пучку.

В область возможных значений параметров включают все трехмерные точки (все совокупности значений параметров), удовлетворяющие неравенству (2).

В результате числовой обработки получили 2 области возможных значений параметров спектра, соответствующие погрешностям измерений, представленные на фигуре 3А и 3В соответственно. Для визуализации области возможных значений параметров СФППТС представлены дискретным набором трехмерных точек с постоянньм шагом по каждому из параметров (шаг по l₀ 0,1 см, шаг по L₀ 1,3 см, шаг по C_n ² 1•10^-10 м^-2/3). На фигуре 3А изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка диаметром 1 см, область представлена 849 трехмерными точками (849 наборов значений параметров). На фигуре 3В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка диаметром 3 см; область представлена 90 трехмерными точками (90 наборов значений параметров). Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 3С, область представлена 4 трехмерными точками (4 набора значений параметров). Центр этой области принимаем за значение параметров СФППТС. l₀=0,2 см, L₀=2,3 см, C_n ²= 5,3•10^-10м^-2/3.

Пример 2.

Второй пример конкретного выполнения относится к использованию измерений дисперсии смещения энергетического центра тяжести пучков одинаковых диаметров 1 см и разных длин волн: λ=1,06 мкм и λ=10,6 мкм.

Для реализации этого примера были проведены аналогичные натурные испытания, где в качестве турбулентной среды использовался также мощный воздушный поток, ограниченный в пространстве. Система регистрации излучения была аналогична используемой при реализации первого примера. В качестве источника излучения использовался также СО₂ лазер. Лазерные пучки одинаковых диаметров 1 см и разных длин волн: λ=1,06 мкм и λ=10,6 мкм с круглой апертурой и с равномерным начальным распределением интенсивности проходили через воздушную зону сильной турбулентности толщиной 600 см.

В результате числовой обработки получили 2 области возможных значений параметров спектра, соответствующие погрешностям измерений, представленные на фигуре 4А и 4В соответственно. Для визуализации области возможных значений параметров СФППТС представлены дискретным набором трехмерных точек с постоянным шагом по каждому из параметров в соответствующих диапазонах изменения: l₀ от 0,1 до 1,8 см с шагом 0,05 см, L₀ от 1 до 55 см с шагом 2 см, C_n ² от 3,3•10^-10 до 4,5•10^-9 м^-2/3 с шагом 1•10^-10 м^-2/3.

На фигуре 4А изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=1,06 мкм, область представлена 200 трехмерными точками (200 наборов значений параметров). На фигуре 4В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=10,6 мкм; область представлена 1283 трехмерными точками (1283 наборов значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 4С, область представлена 16 трехмерными точками (16 наборов значений параметров). Центр этой области l₀=0,25 см, L₀=4 см, C_n ²= 6,3•10^-10 М^-2/3 принимаем за значение параметров СФППТС.

Пример 3.

Этот пример конкретного выполнения относится к использованию измерений дисперсии смещения энергетического центра тяжести пучков разных диаметров и разных длин волн: λ=1,06 мкм с диаметром 1 см и λ=10,6 мкм с диаметром 3 см. Турбулентная среда была использована та же, что и в первом примере реализации. Области возможных значений параметров СФППТС представлены дискретным набором трехмерных точек в тех же диапазонах изменения и с теми же шагами, что и в примере 1. В результате получили 2 области возможных значений параметров спектра, соответствующие погрешностям измерений. Эти области представлены на фигуре 5А и 5В соответственно. На фигуре 5А изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=1,06 мкм с диаметром 1 см, область представлена 849 трехмерными точками (849 наборов значений параметров). На фигуре 5В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см, область представлена 174 трехмерными точками (174 наборов значений параметров). Совокупный учет дисперсии всех пучков дает область значений параметров, представленную на фиг. 5С, область представлена 6 трехмерными точками (6 наборов значений параметров). Центр области: l₀=0,2 см, L₀=2,3 см, C_n ²= 5,3•10^-10 м^-2/3.

Пример 4.

Этот пример конкретного выполнения относится к использованию измерений распределений средней интенсивности пучков разных диаметров и одинаковых длин волн: (λ=1,06 мкм диаметром 1 см и λ=1,06 мкм диаметром 3 см). Распределения средней интенсивности, полученные в эксперименте, приведены на фигуре 2. Эти распределения получены с использованием усреднения коротких экспозиций распределения интенсивности, тот же результат получается при использовании длинной экспозиции. Проведение эксперимента с длинной экспозицией существенно упрощает эксперимент.

Для средней интенсивности пучка, распространяющегося вдоль оси Z, соотношение (1) имеет вид:

где

Φ_n(x,χ) - спектр флуктуации показателя преломления турбулентной среды,
Г02

(R-R′,ρ′) - начальная функция когерентности, зависящая от параметров лазерного пучка (длины волны, размеров и начального распределения комплексной амплитуды).

L - расстояние до плоскости наблюдения, перпендикулярной направлению распространения пучка.

Определение области возможных значений параметров производят из следующего соотношения:

где ΔI_i - погрешность, соответствующая i-му пучку.

Затем производился поиск параметров спектра, удовлетворяющих полученным значениям дисперсии с соответствующим уровнем погрешности в трехмерной области изменения параметров. Области возможных значений параметров СФППТС представлены дискретным набором трехмерных точек в тех же диапазонах изменения и с теми же шагами, что и в примере 1.

На фигуре 6А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм диаметром 1 см; область представлена 170 трехмерными точками (170 наборов значений параметров). На фигуре 6В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм диаметром 3 см; область представлена 74 трехмерными точками (74 набора значений параметров). Совокупный учет дает область значений параметров, представленную на фигуре 6С; область представлена 14 трехмерными точками (14 наборов значений параметров). Центр области: l₀=0,2 см, L₀=2,3 см, C_n ²=7,3•10^-10м^-2/3.

Пример 5.

Этот пример конкретного выполнения использует пучки разных диаметров и разных длин волн: λ=1,06 мкм с диаметром 1 см и λ=10,6 мкм с диаметром 3 см и измерения их распределений средней интенсивности. На фигуре 7А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ= 1,06 мкм с диаметром 1 см, область представлена 170 трехмерными точками (170 наборов значений параметров). На фигуре 7В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см, область представлена 62 трехмерными точками (62 набора значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 7С, область представлена 4 трехмерными точками (4 набора значений параметров). Центр этой области: l₀=0,2 см, L₀=1 см, C_n ²=9,3•10^-10 м^-2/3.

Пример 6.

Этот пример конкретного выполнения использует пучки одинаковых диаметров и разных длин волн: λ=1,06 мкм с диаметром 3 см и λ=10,6 мкм с диаметром 3 см и измерения их распределений средней интенсивности. На фигуре 8А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм с диаметром 3 см, область представлена 74 трехмерными точками (74 наборов значений параметров). На фигуре 8В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см, область представлена 62 трехмерными точками (62 набора значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 8С, область представлена 7 трехмерными точками (7 наборов значений параметров). Центр этой области: l₀=0,3 см, L₀=2,3 см, C_n ²=6,3•10^-10 м^-2/3.

Пример 7.

Этот пример конкретного выполнения относится к использованию пучков разных диаметров и одинаковых длин волн: λ=1,06 мкм диаметром 1 см и λ=1,06 мкм диаметром 3 см), а из статистических характеристик использованы и распределения средней интенсивности и дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучков. Обрабатывался эксперимент, результаты которого приведены на фигуре 2. На фигуре 9А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности λ=1,06 мкм диаметром 1 см, область представлена 170 трехмерными точками (170 наборов значений параметров). На фигуре 9В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 1 см, область представлена 849 трехмерными точками (849 наборов значений параметров). На фигуре 9С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм с диаметром 3 см, область представлена 74 трехмерными точками (74 набора значений параметров). На фигуре 9D изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 3 см, область представлена 92 трехмерными точками (92 набора значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 9Е, область представлена 1 трехмерной точкой (1 набор значений параметров) Параметры, определенные в этом примере: l₀=0,2 см, L₀=2,3 см, C_n ²= 5,3•10^-10 м^-2/3.

Пример 8.

Этот пример конкретного выполнения относится к использованию пучков одинаковых диаметров и разных длин волн: λ=1,06 мкм диаметром 3 см и λ=10,6 мкм диаметром 3 см), а из статистических характеристик использованы и распределения средней интенсивности и дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучков. На фигуре 10А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности λ= 1,06 мкм диаметром 3 см, область представлена 74 трехмерными точками (74 наборов значений параметров). На фигуре 10В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 3 см, область представлена 91 трехмерными точками (91 наборов значений параметров). На фигуре 10С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см, область представлена 62 трехмерными точками (62 наборов значений параметров). На фигуре 10D изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=10,6 мкм диаметром 3 см, область представлена 174 трехмерными точками (174 набора значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 10Е, область представлена 1 трехмерной точкой (1 набор значений параметров) Параметры, определенные в этом примере: l₀=0,2 см, L₀= 2,3 см, C_n ²=5,3•10^-10 м^-2/3.

Пример 9.

Этот пример конкретного выполнения относится к использованию пучков разных диаметров и разных длин волн: λ=1,06 мкм диаметром 1 см и λ=10,6 мкм диаметром 3 см), а из статистических характеристик использованы и распределения средней интенсивности и дисперсии случайных смещений энергетического центра тяжести пучков, На фигуре 11А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности λ=1,06 мкм диаметром 1 см, область представлена 170 трехмерными точками (170 наборов значений параметров). На фигуре 11В изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=1,06 мкм диаметром 1 см, область представлена 849 трехмерными точками (849 наборов значений параметров). На фигуре 11С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см, область представлена 62 трехмерными точками (62 набора значений параметров). На фигуре 11D изображена область возможных значений параметров, определенная по дисперсии смещения пучка λ=10,6 мкм диаметром 3 см, область представлена 174 трехмерными точками (174 набора значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 11Е, область представлена 1 трехмерной точкой (1 набор значений параметров) Параметры, определенные в этом примере: l₀=0,2 см, L₀=2,3 см, C_n ²= 5,3•10^-10 м^-2/3.

Пример 10.

Этот пример конкретного выполнения относится к измерениям интенсивности пучков на различных расстояниях от источника излучения с использованием распределения средней интенсивности в качестве статистической характеристики. Были получены распределения средней интенсивности на расстоянии 150 м и 2000 м от источника излучения при прохождении через турбулентную атмосферу пучков диаметром 15 см длиной волны λ=1,06 мкм и λ=10,6 мкм. На фигуре 12А изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм диаметром 15 см на дистанции 150 м, область представлена 104 трехмерными точками (104 набора значений параметров). На фигуре 12В изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=1,06 мкм диаметром 15 см на дистанции 2000 м, область представлена 118 трехмерными точками (118 набора значений параметров). На фигуре 12С изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм диаметром 15 см на дистанции 150 м, область представлена 97 трехмерными точками (97 набора значений параметров). На фигуре 12D изображена область возможных значений параметров, определенная по распределению средней интенсивности пучка λ=10,6 мкм диаметром 15 см на дистанции 2000 м, область представлена 99 трехмерными точками (99 набора значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 12Е, область представлена 18 трехмерными точками (18 наборов значений параметров).

Пример 11.

Пример конкретного выполнения относится к измерениям на различных расстояниях от источника излучения с использованием оценок дисперсии смещения центра тяжести и функции корреляции флуктуации интенсивности лазерного пучка (фигура 13). В этом примере использованы пучки: λ=1,06 мкм с диаметром 1 см и λ= 10,6 мкм с диаметром 3 см. В эксперименте пучки имели некоторые отклонения от равномерного начального распределения интенсивности. Измерения интенсивности излучения производились на расстояниях 500 м и 2 м. В результате числовой обработки получили 2 области возможных значений параметров спектра, соответствующие погрешностям измерений, представленные на фигуре 13А и 13В соответственно. На фигуре 13А изображена область возможных значений параметров, определенная по измерениям интенсивности пучка λ=1,06 мкм с диаметром 1 см по дисперсии и функции корреляции флуктуации интенсивности, область представлена 222 трехмерными точками (222 набора значений параметров). На фигуре 13В изображена область возможных значений параметров, определенная по измерениям интенсивности пучка λ=10,6 мкм с диаметром 3 см по дисперсии и функции корреляции флуктуации интенсивности, область представлена 77 трехмерными точками (77 наборов значений параметров). Совокупный учет всех пучков дает область значений параметров, представленную на фигуре 13С, область представлена 1 трехмерной точкой (1 набор значений параметров). Точный результат получен за счет привлечения оценки корреляционной функции при расчетах области возможных значений параметров. В соотношение (2) была включена не теоретически предсказанная функция корреляции флуктуации интенсивности, а фактически измеренная.

Предлагаемый способ имеет ряд преимуществ перед известными способами.

В способе используется разносторонняя информация о СФППТС, отраженная в совокупности статистических характеристик, полученных из экспериментов с различными условиями, что приводит к более точному и надежному определению параметров СФППТС. Извлечение информации из оценок статистических характеристик интенсивности нескольких зондирующих пучков, подвергнувшихся воздействию турбулентной среды, с различными характеристиками позволяет определять параметры СФППТС одновременно, сразу, а не последовательно, используя при их определении более точные соотношения. Это существенно, так как значения параметров СФППТС не являются независимыми, и при последовательном определении параметров погрешности параметров, определенных ранее, увеличивают погрешности параметров, определяемых позднее.

Способ позволяет ослабить требования к качеству формирования лазерных пучков, используемых в эксперименте, при сохранении точности определения параметров СФППТС.

Способ отличается надежностью определения параметров. Реализация операций способа при адекватности физической модели обязательно приводит к пересечению областей возможных значений параметров СФППТС, то есть метод гарантирует определение конкретных значений параметров СФППТС.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к дистанционным измерениям, и может быть использовано при проектировании лазерных информационных систем и систем доставки лазерного излучения. Для определения параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды через нее пропускают лазерные пучки различных длин волн и/или различных диаметров и измеряют распределение интенсивности этих пучков, подвергнувшихся воздействию среды, на одинаковых или различных расстояниях от источника излучения, оценивают статистические характеристики интенсивности. В качестве статистических характеристик распределения интенсивности используют распределение средней интенсивности лазерного пучка и/или дисперсию смещения центра тяжести лазерного пучка. Из статистических характеристик определяют область возможных значений параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок этих статистических характеристик для каждого из лазерных пучков, а параметры спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды определяют значениями, общими для всех областей возможных значений параметров всех использованных пучков. Параметры оценивают все в совокупности и одновременно, что позволяет использовать для их определения более точные соотношения и, как следствие, приводит к более точным и надежным результатам. Требования к формированию лазерных пучков, используемых в эксперименте, ослаблены при сохранении точности. Способ отличается надежностью. 2 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Способ определения параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды, включающий направление пучков лазерного излучения сквозь турбулентную среду, измерение распределения интенсивности излучения лазерных пучков, подвергнувшихся воздействию среды, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, оценку статистических характеристик распределения интенсивности лазерных пучков, определение параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды, отличающийся тем, что направляют пучки лазерного излучения разных диаметров и/или разных длин волн, в качестве статистических характеристик распределения интенсивности используют распределение средней интенсивности лазерного пучка и/или дисперсию смещения центра тяжести лазерного пучка, определяют из статистических характеристик распределения интенсивности область возможных значений параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок этих статистических характеристик, для каждого из лазерных пучков, определяют параметры спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды значениями, общими для всех областей возможных значений параметров всех использованных пучков. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что распределения интенсивности излучения лазерных пучков измеряют на различных расстояниях от источника излучения, из статистических характеристик распределения интенсивности используют распределение средней интенсивности, область возможных значений параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок распределения средней интенсивности, определяют из распределений средней интенсивности для каждого из лазерных пучков на каждом из расстояний измерений, определяют параметры спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды значениями, общими для всех областей возможных значений параметров всех использованных пучков для всех расстояний. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что распределение интенсивности излучения лазерных пучков измеряют на различных расстояниях от источника излучения, из статистических характеристик распределения интенсивности используют дисперсию смещения центра тяжести лазерного пучка, дополнительно оценивают из измеренных распределений интенсивности излучения функцию корреляции флуктуаций интенсивности лазерного пучка, область возможных значений параметров спектра флуктуаций показателя преломления турбулентной среды, соответствующую погрешностям оценок, определяют из дисперсии смещения центра тяжести лазерного пучка с учетом ее зависимости от функции корреляции флуктуации интенсивности.