Способ и устройство для измерения поперечной составляющей скорости ветра и турбулентности атмосферы на основе датчика Шэка-Гартмана Российский патент 2025 года по МПК G01P5/26 G01W1/00 

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для бесконтактного измерения средней и мгновенной составляющей скорости ветра, поперечного к оптической трассе, а также структурной характеристики показателя преломления и параметра Фрида, и может быть использовано для построения адаптивных оптических систем, работающих на турбулентных атмосферных трассах.

Известен трассовый оптический измеритель скорости поперечного ветра, работающий на основе измерения временного сдвига взаимной корреляционной функции флуктуаций интенсивности лазерного излучения в двух точках, разнесенных в приёмной плоскости перпендикулярно к трассе, в пределах первой зоны Френеля [«Оценивание интегральной скорости ветра и турбулентности в атмосфере по искажениям видеоизображений естественно освещенных объектов» А.Л. Афанасьев, В.А. Банах, А.П. Ростов Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 13. №4. С. 285-293. DOI: 10.15372/ АОО201.510.535]. В качестве оптического источника использовался твердотельный лазер. Лазерный пучок проходит через турбулентный слой атмосферы и попадает в приемный блок на два пространственно разнесенных фотоприемника. Перенос оптических неоднородностей на трассе вызывает флуктуации интенсивности на фотоприемниках, имеющие временную задержку относительно друг друга, равную времени перемещения турбулентных неоднородностей между фотоприемниками. Статистический анализ сигналов с фотоприемников позволяет определить время ветрового переноса турбулентных неоднородностей на заданное расстояние и вычислить скорость ветра, которая вычислялась по сдвигу максимума взаимно корреляционных функций сигналов, а турбулентность атмосферы в виде структурной характеристики оценивается по дисперсии флуктуаций и при этом содержит ошибку, возникающую при изменении угла наклона волнового фронта в результате дрожания излучения под действием турбулентности.

Известно устройство для измерения поперечной составляющей скорости ветра, основанное на измерении локальных турбулентных неоднородностей воздуха, переносимых ветром, и вызывающих локальные искажения в регистрируемых оптических изображениях, которое описано в работе [Лавринов В.В. Исследование функциональных возможностей датчика Шэка-Гартмана в адаптивных оптических системах. Дис. канд. физ.-мат.наук. 2017. Томск. https://www.iao.ru/files/iao/theses/thesis90/text.pdf].

Согласно гипотезе «замороженности» под действием поперечной составляющей скорости ветра турбулентные неоднородности показателя преломления движутся неизменными в течение определенного отрезка времени в плоскости входной апертуры оптической системы.

Лазерный пучок распространяется вдоль атмосферной трассы, проходит через объектив измерителя скорости ветра и масштабирующую оптику, формирующую плоскопараллельный пучок, проходит через линзовый растр датчика Шэка-Гартмана и фокусируется в плоскости видеокамеры. Для вычисления направления и скорости ветрового поперечного переноса турбулентных искажений лазерного излучения применен метод, основанный на корреляционном анализе координат энергетических центров тяжести фокальных пятен (центроидов) в плоскости регистрации датчика Шэка-Гартмана.

Датчик Шэка-Гартмана регистрирует турбулентные неоднородности в виде матриц из фокальных пятен или гартманограмм. В результате имеется совокупность коррелированных между собой последовательных изображений, регистрируемых видеокамерой. Каждое из изображений, начиная со второго, является результатом смещения в поперечном направлении предыдущего изображения.

Вычисление скорости поперечного ветрового переноса в плоскости входной апертуры оптической системы соответствует перемещению турбулентных неоднородностей вдоль оси х, расчет коэффициентов корреляции выполняется относительно столбцов в матрице из фокальных пятен. Для вертикальной составляющей вычисляются смещения турбулентных неоднородностей относительно оси у, тогда расчет коэффициентов корреляции проводится относительно строк гартманнограмм.

Данные датчика Шэка-Гартмана представляют собой файлы с координатами центроидов, последовательно зарегистрированных видеокамерой с частотой N кадров в секунду в течение заданного времени.

Недостатком вышеописанного устройства является то, что чувствительность к изменению углов наклона волнового фронта, распространяющегося в турбулентной атмосфере оптического излучения, приводит к смещению на фотоприемной матрице видеокамеры датчика Шэка-Гартмана всего пучка в целом, при этом на субапертурах линзового растра регистрируются разные (соседние) фрагменты приходящего пучка, смещение которых определено углом наклона волнового фронта, поэтому возникают ошибки измерений, при которых направление ветра в соседних кадрах может определяться даже как противоположные по направлению.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа и создание оптического устройства, позволяющего бесконтактно измерять перпендикулярные к трассе распространения излучения горизонтальную и вертикальную составляющие скорости ветра, а так же параметры турбулентности атмосферы: структурную характеристику показателя преломления C_n² и параметр Фрида r₀, свободные от ошибки, вызываемой дрожанием источника и приемника излучения. В основе работы устройства лежит корреляционный метод анализа последовательных кадров случайных сигналов, формирующихся при прохождении лазерного излучения через турбулентную атмосферу.

Турбулентность, движущаяся в поперечном направлении со скоростью ветра, согласно с гипотезой «замороженности» турбулентности, представляет совокупность коррелированных случайных кадров, каждый из которых, начиная со второго, является результатом смещения в поперечном направлении первого зарегистрированного кадра.

Технический результат изобретения заключается в улучшении точности измерения скорости ветрового поперечного переноса турбулентных неоднородностей на входной апертуре системы.

Целью изобретения являются:

1. Стабилизация общих углов наклона волнового фронта оптического излучения, распространяющегося вдоль случайно-неоднородной трассы и приходящего на датчик волнового фронта Шэка-Гартмана; измерение методом корреляционного анализа величины смещений регистрируемых видеокамерой центроидов относительно центров субапертур во времени, размещая их координаты в матрице и определяя число столбцов и строк с максимальным значением корреляции между зафиксированными кадрами, вычислять горизонтальную и вертикальную составляющие скорости ветра на входной апертуре системы.

2. В создании устройства для формирования стабильного массива данных, полученных датчиком волнового фронта Шэка-Гартмана для вычисления характеристик турбулентности C_n² и r₀, а также горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра на трассе распространения оптического излучения.

Общий угол наклона волнового фронта, распространяющегося вдоль атмосферной трассы излучения, равен углу отклонения всего пучка от оси распространения.

Поставленная задача заявляемого изобретения достигается тем, что для исключения ошибок измерения величины поперечного ветрового переноса, вызванных флуктуацией общих углов наклона волнового фронта, распространяющегося вдоль атмосферной трассы оптического излучения, и для повышения точности измерения скорости поперечных составляющих скорости ветра предлагается способ и устройство стабилизации изображения излучения на фотоприёмной матрице видеокамеры по измерениям текущего угла общего наклона волнового фронта на входной апертуре объектива, устанавливающие наклон корректирующего зеркала дефлектора в положение, которое компенсирует смещение координат центра тяжести изображения в последнем кадре, вызванное общим наклоном волнового фронта (общим углом наклона по х и общим углом наклона по у).

Особенность устройства заключается в том, что за счет введения в устройство контура коррекции общих углов наклона волнового фронта, состоящего из датчика общих углов наклона и оптического дефлектора, размещенных перед датчиком волнового фронта Шэка-Гартмана, устраняется дрожание общих углов наклона волнового фронта всего пучка, которое измерительной системой воспринимается как пульсации направления скорости ветра при определении величины скорости поперечного ветрового переноса и параметров турбулентности атмосферы.

Реализация заявляемого изобретения достигается тем, что устройство содержит:

- короткофокусный сферический зеркально линзовый отражатель (1);

- атмосферную трассу (2);

- оптическое приемное устройство (3);

- оптический дефлектор (4);

- блок управления дефлектором (5);

- источник лазерного излучения (6);

- оптический светоделитель (7);

- датчик волнового фронта Шэка-Гартмана (8);

- датчик общих углов наклона (9);

- блок управления оптической системой (10).

Блок-схема устройства приведена на фиг. 1

Лазерное излучение от источника (6) поступает на короткофокусный сферический зеркально линзовый отражатель (1), при отражении от которого на атмосферной трассе (2) формируется оптический пучок с плоским волновым фронтом, и попадает на оптическое приемное устройство - телескоп (3). Сформированное телескопом изображение стабилизируется по углу управляемым зеркалом дефлектора (4). Отраженное от дефлектора оптическое излучение разделяется оптическим светоделителем (7) на два пучка. Первый пучок фокусируется на матрице видеокамеры датчика общих углов наклона (9), фиксирующего отклонение излучения от оси распространения, и используется для вычисления общего наклона волнового фронта. Второй пучок, отраженный от светоделителя, фокусируется на матрице видеокамеры датчика волнового фронта Шэка-Гартмана (8), где измеряются локальные смещения фокальных пятен относительно центров субапертур. Видеосигналы с обеих видеокамер анализируются блоком управления оптической системой (10), который вычисляет сигнал угла поворота зеркала для блока управления дефлектором (5) и вычисляет направление и скорость перемещения фокальных пятен относительно центров субапертур в датчике Шэка-Гартмана (8) по корреляции координат центроидов в столбцах и строках матрицы, образованной по выборке кадров, полученных датчиком Шэка-Гартмана, а также параметры турбулентности атмосферы по массиву накопленных данных.

Работа устройства осуществляется циклами, состоящими из двух этапов.

На первом этапе проводится коррекция общих углов наклона волнового фронта приходящего оптического излучения. Пучок (2) от источника лазерного излучения (6) поступает на приемное устройство - телескоп (3), отражается от управляемого зеркала дефлектора (4) и фокусируется на матрице видеокамеры общих наклонов (9), где регистрируется текущее положение стабилизируемого изображения. По измерениям видеокамеры (9) на решающем устройстве (10) вычисляется величина поворота зеркала дефлектора для блока управления дефлектором (5). Поворотом зеркала дефлектора на фотоприемной матрице стабилизируется положение центра тяжести изображения приходящего пучка.

На втором этапе работы устройства стабилизированный по углу наклона лазерный пучок поступает на датчик Шэка-Гартмана (8), где видеокамерой фиксируется сформированная датчиком гартманограмма из фокальных пятен. Данные датчика Шэка-Гартмана представляют собой файлы с координатами центроидов, зарегистрированными видеокамерой. Форма и положение фокальных пятен в пределах субапертур линзового растра обусловлено наличием локальных турбулентных неоднородностей в парциальных пучках, на которые линзовый растр разбивает оптическое излучение, и которые со скоростью ветрового переноса в течение некоторого времени переносятся неизменными вдоль входной апертуры системы.

По результатам измерения координат центроидов относительно центров субапертур растра формируются матрицы, столбцы и строки которых используются для корреляционного анализа с соответствующими им матрицами данных предыдущих кадров.

В работе [Лавринов В.В. Исследование функциональных возможностей датчика Шэка-Гартмана в адаптивных оптических системах. Дис. канд. физ.-мат. наук. 2017. Томск. https://www.iao.ru/files/iao/theses/thesis90/text.pdf] показано, что вычисленные составляющие скорости поперечного ветрового переноса относительно координаты по горизонтали соответствуют перемещению турбулентных неоднородностей вдоль оси х, при этом расчет коэффициентов корреляции выполняется относительно столбцов. Координаты матрицы по вертикали соответствуют смещению турбулентных неоднородностей относительно оси у, тогда расчет коэффициентов корреляции проводится относительно строк гартманограмм.

По результатам корреляционного анализа вычисляются поперечные составляющие скорости ветра за промежуток времени между двумя максимально коррелирующими между собой кадрами.

Работа устройства для измерения поперечной составляющей скорости ветра и турбулентности атмосферы на основе датчика Шэка-Гартмана по координате Х отражена на временной диаграмме процессов (фиг. 2), где:

11 - получение кадра видеокамеры 9;

12 - вычисление координат Х, У центроида в кадре с видеокамеры 9;

13 - вычисление величины смещений координат Х, У центроида относительно центра субапертуры в кадре с видеокамеры 9;

14 - установка угла поворота зеркала дефлектора;

15 - получение кадра с видеокамеры 10;

16 - вычисление координат Х, У всех центроидов относительно центров субапертур в кадре видеокамеры 10;

17 - запись координат центроидов в матрицу;

18 - вычисление смещений координат центроидов за время между зафиксированными кадрами с максимальным значением корреляции;

19 - вычисление скорости ветрового переноса и параметров турбулентности атмосферы.

Вычисление поперечной составляющей скорости ветра основывается на определении линейной зависимости между временными выборками двух столбцов (строк) координат центроидов из набора гартманограмм, получаемых с датчика Шэка-Гартмана.

Поперечная составляющая скорости ветра пропорциональна переносу светового поля на расстояние S на входной субапертуре системы. Перенос осуществляется под действием ветра в плоскости входной апертуры измерителя за период времени Dt, т.е. , где - расстояние между анализируемыми линзами, Nlens - число линз в строке матрицы гартманограммы. Время переноса определяется, как отношение числа смещений турбулентного изображения Nscr за период T=1/f к частоте отработки камеры f, т.е. .

Данный способ определения скорости ветра представлен в виде следующего алгоритма [Лавринов В.В. Исследование функциональных возможностей датчика Шэка-Гартмана в адаптивных оптических системах. Дис. канд. физ.-мат.наук. 2017. Томск. https://www.iao.ru/files/iao/theses/thesis90/text.pdf].

Для каждого фокального пятна гартманограммы, регистрируемой в плоскости приемного устройства, вычисляются координаты центра тяжести распределения интенсивности в окне анализа размером:

где - измеренные в пределах окна анализа значения интенсивности.

Для каждого кадра формируются две матрицы смещений координат центроидов, вычисленных относительно центров субапертур: и . По мере регистрации кадров матрицы дополняются.

Далее вычисляются коэффициенты корреляции элементов каждого столбца последнего кадра относительно элементов всех столбцов всех предыдущих кадров за время T, соответствующее длине выборки N, время T здесь равно времени переноса «замороженной» турбулентности при минимальном значении скорости ветра, измеряемого данным прибором.

Определяются пары столбцов с максимальным значением коэффициентов корреляции.

Затем вычисляются разности между номерами этих столбцов, умноженные на размер области входной субапертуры, соответствующие расстоянию и направлению, которое проходят «замороженные» неоднородности за время, выраженное количеством кадров до момента, когда проявляется максимальная корреляция.

Формула для определения текущего значения мгновенной скорости имеет следующий вид:

где h - шаг входной субапертуры; nfinal - номер столбца последнего кадра Nfinal, образующего пару с максимальной корреляцией; ncorr - номер столбца кадра Ncorr, образующего пару с максимальной корреляцией относительно столбца nfinal, Ncorr - номер кадра со столбцами с максимальной корреляцией относительно последнего кадра; Dt - время между кадрами.

Фокальные пятна на гартманограмме соответствуют элементам матрицы из смещений координат центроидов относительно центров субапертур растра . Каждый столбец состоит из Nlens элементов. Зависимость между столбцами выражается коэффициентом линейной корреляции

где , - номера анализируемых столбцов матрицы ; соответствуют номерам анализируемых гарманограмм.

Вычисление скорости поперечного ветрового переноса относительно координаты , соответствует перемещению турбулентных неоднородностей вдоль оси х, расчет коэффициентов корреляции выполняется относительно столбцов. Координаты h соответствуют смещению турбулентных неоднородностей относительно оси у, тогда расчет коэффициентов корреляции проводится относительно строк гартманнограмм.

Параметры атмосферы: структурная характеристика показателя преломления C_n² и радиус Фрида r₀.

Среднее значение структурной характеристики C_n² вычисляется по выборке измерений дисперсии смещений энергетического центра тяжести одного фокального пятна гартманограммы датчика Шэка-Гартмана согласно формуле:

где - длина трассы, - диаметр субапертуры в линзовом растре датчика.

Радиус Фрида r₀ для плоского волнового фронта связан со структурной характеристикой показателя преломления C_n² выражением:

где - волновое число; - длина волны.

Заявленное устройство состоит из входного объектива, оптического дефлектора и датчика волнового фронта Шэка-Гартмана, которые обеспечивают обратную связь. Излучение, распространяющееся через турбулентную атмосферу, подвергается воздействию оптических неоднородностей, представляющих флуктуации показателя преломления, которые в течение времени измерения под действием поперечной составляющей ветра неизменными движутся вдоль апертуры входного объектива.

Настоящее изобретение используется для определения параметров турбулентной атмосферы, которые дают качественные и количественные характеристики турбулентных неоднородностей и скорость их ветрового переноса.

Наличие обратной связи между датчиком волнового фронта Шэка-Гартмана как измерителя характеристик неоднородностей и скорости их ветрового переноса и дефлектором устраняет дрожание общих углов наклона волнового фронта пучка, распространяющегося в турбулентной атмосфере, и обеспечивает увеличение точности измеряемых характеристик.

Изобретение относится к средствам измерения поперечной составляющей скорости ветра и параметров турбулентности атмосферы. Сущность: устройство для измерения указанных параметров включает источник (6) лазерного излучения, короткофокусный сферический зеркально-линзовый отражатель (1), телескоп (3), оптический дефлектор (4) с управляемым зеркалом, блок (5) управления дефлектором, оптический светоделитель (7), датчик (8) волнового фронта Шэка-Гартмана с видеокамерой, датчик (9) общих углов наклона с видеокамерой, блок (10) управления оптической системой. При этом датчик (9) общих углов наклона с видеокамерой и оптический дефлектор (4) объединены в контур коррекции общих углов наклона, представляющий собой систему обратной связи и размещенный перед датчиком (8) волнового фронта Шэка-Гартмана. Технический результат: повышение точности измерения поперечной составляющей скорости ветра. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство измерения поперечной составляющей скорости ветра и параметров турбулентности атмосферы, включающее источник (6) лазерного излучения, короткофокусный сферический зеркально-линзовый отражатель (1), телескоп (3), оптический дефлектор (4) с управляемым зеркалом, блок (5) управления дефлектором, оптический светоделитель (7), датчик (8) волнового фронта Шэка-Гартмана с видеокамерой, датчик (9) общих углов наклона с видеокамерой, блок (10) управления оптической системой, при этом датчик (9) общих углов наклона с видеокамерой и оптический дефлектор (4) объединены в контур коррекции общих углов наклона, представляющий собой систему обратной связи и размещённый перед датчиком (8) волнового фронта Шэка-Гартмана.

2. Способ измерения поперечной составляющей скорости ветра и параметров турбулентности атмосферы, осуществляемый устройством по п.1, заключающийся в возбуждении лазерного излучения с использованием источника (6) лазерного излучения, отражении лазерного излучения от короткофокусного сферического зеркально-линзового отражателя (1) и формировании на атмосферной трасе (2) оптического пучка с плоским волновым фронтом, поступающего на телескоп (3), стабилизации сформированного телескопом (3) изображения оптического пучка по углу с помощью управляемого зеркала дефлектора (4), разделении отражённого от дефлектора (4) излучения с помощью оптического светоделителя (7) на два пучка, причём первый пучок фокусируется на матрице видеокамеры датчика (9) общих углов наклона и используется для вычисления общих наклонов волнового фронта, а второй пучок фокусируется на матрице видеокамеры датчика (8) волнового фронта Шэка-Гартмана, с помощью которого измеряются локальные смещения фокальных пятен относительно центров субапертур, анализе сигналов с обеих видеокамер и вычислении угла поворота зеркала дефлектора (4) для блока управления (5) дефлектором посредством блока (10) управления оптической системой, где также рассчитываются направление и скорость ветрового переноса локальных смещений фокальных пятен по данным, получаемым от датчика (8) волнового фронта Шэка-Гартмана, и определяются параметры турбулентности атмосферы.