Способ измерения фокусного расстояния рефракционных каналов Советский патент 1986 года по МПК G01N21/41 

i11 Изобретение относится к области измерения параметров оптического излучения, в частности рефракционных каналов, возникающих при прохождении через атмосферу мцрного оптического излучения, и может быть использовано для дистанционного определения фокусного расстояния рефракционного канала, образованного в атмосфере при рас пространении через нее лазерного излучения большой мощности. Под фокус ным расстоянием рефракционного кана понимают величину 2 . где d - диаметр пучка мощного опти ческого излучения; - изменение диэлектрической проницаемости канала. Известен способ определения угло вой расходимости пучка путем регистрации распределения интенсивности в двух поперечных сечениях пучка. Недостатком известного способа я ляется невозможность измерения расходимости излучения большой модности, что обусловлено разрушением оптических элементов, помещенных в мо ный пучок. Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ измерения фокусного расстояния рефракционных каналов, включанлдий зондирование излучением рефракционного канала под углом

где а„„ - ширина канала;

ом L

длина трассы зондирующего излучения к оси канала;

Р„„ расстояние от источника зондирующего излучения до оси канала,

регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного расстояния F рефракционного канала. При регистрации определяют рефракционное смещение знергетического центра зондирующего излучения.

Однако положение энергетического центра лазерного пучка зависит не только от фокусного расстояния рефракционного канала, но также от турбулентного состояния атмосферы. В турбулентной атмосфере случайные смещения энергетического центра пуч-

На фиг. 1 изображена блок-схема

40 устройства, реализующего данный способ при использовании специального источника теплового излучения; на фиг. 2 - блок-схема устройства, использующего в качестве источника теплового излучения выходное зеркало мощного лазера, создающего рефракционный канал в атмосфере.

Если используется специальный источник теплового излучения, то способ

50 осуществляют следующим образом. Тепловое излучение -от источника 1 под. небольшим углом ц к оси рефракционного канала 2, созданного излучением мощного лазера 3 на СО посылают в

55 атмосферу и принимают после выхода из канала линзой 4, положение изображения источника теплового излучения в области изображения линзы определяют при помощи диаф1 агмы 5 и приемника ка могут на несколько порядков превьпиать рефракционное смещение, т.е. измерения в таких условиях будут невозможны. В реальных условиях атмосферы на трассе длиной L , 10 м ошибка, вносимая турбулентностью, всегда будет значительной. Целью изобретения является увеличение точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала. Поставленная цель достигается тем, что, как и в известном способе,включающем зондирование рефракционного канала излучением под углом 2ао„ /L при , „„ Ро« а. где а - ширина рефракционного канала;расстояние от источника зондирующего излучения до приемника;расстояние от источника зондирующего излучения до оси канала, регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного расстояния F рефракционного канала, зондирование осуществляют тепловым некогерентным излучением, регистрируют среднюю кривизну волнового фронта S зондирующего излучения, а фокусное расстояние рефракционного канала определяют из соотношения - J cth(|),. 311 а по нему судят о средней кривизн волнового фронта и, следовательно,о фокусном расстоянии рефракционного канала., В том случае, когда используется тепловое излучение выходного зер кала мощного лазера (см.фиг.2), способ осуществляется следующим образом Тепловое излучение от выходного з.еркала 7 лазера 8 на СО принимают линзой 9, расположенной вблизи от края рефракционного канала 10 так, что оптическая ось линзы наклонена под не; большим углом Ц к оси ректифика онного канала, диафрагма 11 и приемник 12 фиксируют положение изображеНИН выходного зеркала, а по нему судят о фокусном расстоянии рефракдион|ного канала. Изобретение основано на зависимости средней кривизны волнового фронта теплового излучения (фазовая часть функции взаимной когерентности второго порядка) от флуктуации диэлектрической проницаемости (показателя преломления) среды канала и однозначной связи с фокусным расстоянием рефракционного канала соотношением (1). Для теплового излучения средняя кривизна волнового фронта не зависит от характеристик случайных неоднородностей среды. .Распространение зондирующего пучка в параксиальной области рефракционного канала описывается параболическим уравнением квазиоп.2ik g.P + й,Е(х,р)(х,р). Р Е (х,р) - (x,p) О (2) 2Tt/Д,Д - длина волны излучения в вакууме; фокусное расстояние рефракционного канала (F О - фокусирующий канал; р2 О - дефокусирующий канал) ; I йТ - изменение средней диэлектрической проницаемости воздуха с изменением температуры;(х,р ) - флуктуационная часть диэлектрической проницаемости li R где Р усло кой где 16 атмосферного воздуха;X - продольная,а р ,z|поперечная координаты. На основе уравнения (2) можно получить уравнение для функции взаимной когерентности второго порядка г;(х, р, i) Е(х, р) Е(х,р,): (Р, -Р, )1 -|г(Р,-Я,) г,(х,р,рЬ о,(3) . где А(р) 2Тт||азеФ(зе)ехр(); Ф (эе)- спектральная плотность флуктуации диэлектрической проницаемости среды. Влияние случайных неоднородностей среды учитывают в безаберрационном приближении, т.е. считают, что А(0) - А(р) где D 0,68(С2)5 Сг - структурный параметр aTMjсферной турбулентности. Функцию взаимной когерентности второго порядка частотно-разнесенных волн в плоскости источника задают в виде Га(0,,Р,)Ег« е::р{(Я,-Р,) (р-р) V Г, ГУ/ Е - начальная амплитуда пучка; а - начальная ширина зондирующего пучка; RO - радиус кривизны волнового фронта в центре излучающей апертуры; р - радиус когерентности источника. ешение уравнения (3) с начальным вием (А) вьфажают в параметричесформе2 (х. Я, . Д,) g(х) ехр { -g(х)- 2,- S(x)(-Я,V 4(х) (5) ч g(x), S(x) и Ч (х) - неизвестные функции с начальными ус ловиями: g(0) 1, s(o) L 4(0) 1. функция S(x) имеет смысл кривизн среднего волнового фронта S(x) - (4)( ) + + Я (.1+4 ) sh4) +H()VD(a, {fch(p ()Kfsh($)-f4ch()l + i) «ch()sh(O + s;(,) , + M($) н.г,. 21.„и. Dxa , a ФУНКЦИИ H() и M() - ком бинации ch() и sh() (из-за их гро моздкости здесь не приводятся). Из анализа формулы (6)следует, что средняя кривизна волнового фронта теплового излучения(р ) определя ется выражением ) -) т.е. не зависит от характеристик случайных неоднородностей среды. Отметим, что при L F cth(L/F)« и, следовательно. как для рефракционных каналов,созда ваемых в приземном слое атмосферы современными мощными лазерами, можн ожидать значений F.: 10 - 10 м, то длину трассы для зондирующего излучения следует выбирать из условия L 10 - 10 м. Что касается средней кривизны волнового фронта лазерного излучения, то она сильно зависит от случайных неоднородностей среды канала (возможно различие в 2-3 раза) и, значит, измерения фокусного расстояния рефракционного канала будет сопровождаться большими ошибками (даже более 100%), Если источником излучения большо мощности, создающего рефракционный канал в атмосфере, служит лазер с металлическими зеркалами, то в каче стве источника теплового излучения можно использовать выходное зеркало мощного лазера. В примере конкретной реализации способа используются следующие при66боры: электрическая лампа накаливания мощностью 25 Вт, лазер 3 на COj мощ ностью 100 Вт, линзы 4 и 9 с фокусным расстоянием 10 м, ФЭУ 6 и 12, лазер 8 на COj с мощностью 10 Вт. Если 4- О и р О, источник теплового излучения и приемное устройство находятся на оси рефракционного канала, то это невозможно реализовать практически, так как излучение большой мощности, создающее канал, разрушает устройства, помещенные на его пути. В случае, когда , Р - а , источник теплового излучения и приемное устройство находятся максимально близко к каналу, но вне его, а измеряемая величина - средняя кривизна волнового фронта определяется соотношением S -lcth(|), т.е. для измерения реализуются максимально благоприятные условия. В третьем случае, когда М , Я а, зондирующее излучение пронизывает рефракционньш канал под большим углом, что приводит к уменьшению эффекта (пропорционально уменьшению длины участка трассы распространения зондирующего излучения, проходящего в канале) и к искажению информации об искомом параметре - фокусном расстоянии канала, так как в этом случае в формулу для средней кривизны волнового фронта будет входить эффективное фокусное расстояние канала .,-L4.,n)V/, F F е где R - координата точки наблюдения; Н - единичньй вектор проекции нормали (задает направление наклона передающей апертуры). В том случае, когда Чучастка трассы, проходящего в канале, будет равна диаметру канала (т.е. 10- 1 м), а эффективное значение фокусного расстояния канала будет равно бесконечности. Увеличение точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала достигается в предлагаемом способе по сравнению со способом, описанном в прототипе, по следующим причинам. Погрешность определения фокусного расстояния канала в известном способе определяется точностью измерения рефракционного смещения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ РЕФРАКЦИОННЫХ КАНАЛОВ, включающий зондирова ние излучением рефракционного канала пой углом V 2 -f , где а. при ом ом ом :ширина рефракционного канала; L расстояние от источника зондирующего излучения до приемника;f - расстояние от источника зондирующего излучения до оси канала, регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного расстояния F рефракционного канала, отличающийс я тем,что, с целью увеличения точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала, зондирование осуществляют тепловым некогерентным i .излучением, регистрируют среднюю кривизну волнового фронта зондирую(Л щего излучения, а фокусное расстояние рефракционного канала определяют из соотношения S - JrCth(L/F). г