Влияние атмосферы на распространение лазерного и оптического излучения
⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3 Высокие потенциальные возможности лазерных локационных систем в ряде случаев ограничиваются из-за искажений сигналов при их распространении в атмосфере. Влияние атмосферы проявляется в виде поглощения и рассеяния волн молекулами и аэрозолями атмосферы и флуктуаций показателя преломления. Поглощение и рассеяние являются причиной ослабления лазерного и оптического излучения и учитываются обычно введением соответствующих коэффициентов пропускания Основной причиной флуктуаций показателя преломления в воздухе является турбулентное (вихревое) перемешивание слоев атмосферы, имеющих разную температуру. Диэлектрическую проницаемость атмосферного воздуха принято описывать случайной функцией координат и времени Величина пульсаций
Основные результаты для турбулентного движения получены в рамках т.н. модели Колмогорова – Обухова. Согласно этой модели турбулентные флуктуации диэлектрической проницаемости являются многомасштабными, т.е. возникают вихри разных размеров (масштабов). Верхняя граница пространственного масштаба флуктуаций ограничена размером рассматриваемого слоя воздуха и называется внешним масштабом турбулентности L 0. При изучении флуктуаций параметров волн, распространяющихся через всю толщу атмосферы, величина L 0 имеет порядок толщины атмосферного слоя (10 ÷ 30 км). Если трасса распространения волны приземная, то L 0 по порядку величины совпадает с высотой трассы z. При этом, хотя в потоке могут присутствовать и более крупные вихри, однако при наблюдении их на высоте z они воспринимаются не как отдельные вихри, а как изменение потока в целом. Вихри более мелких масштабов образуются путем деления крупномасштабных вихрей с передачей им их энергии. Такое деление происходит до тех пор, пока не начнут сказываться силы вязкости воздуха. Нижний характерный масштаб вихрей l 0, присутствующий в турбулентной среде, при котором уже не наблюдается деления и передачи энергии, называется внутренним масштабом турбулентности. Величина l 0 в реальной атмосфере в зависимости от погодных условий может принимать значения от 1 мм до десятков сантиметров. Случайные изменения показателя преломления турбулентной атмосферы первоначально приводят к искажению только фазы волнового фронта. Однако по мере дальнейшего распространения оптического излучения случайная интерференция вторичных волн, рассеянных неоднородностями показателя преломления, вызывает флуктуации и его амплитуды. Таким образом, в общем случае функцию атмосферного изменения принимаемого поля на апертуре можно представить в виде
где Для дальнейшего рассмотрения введем понятие угла изопланатизма. Это телесный угол В этом случае справедливо т.н. приближение «амплитудно-фазового экрана». Величина угла изопланатизма зависит от силы турбулентности (значения структурной постоянной Влияние амплитудных и фазовых флуктуаций по-разному сказывается на информационной структуре оптического сигнала. На рис.П2.1 показаны смоделированные для полоскового телескопа изображения точечного объекта при отсутствии атмосферных искажений (а), наличии случайных амплитудных флуктуаций в приходящем волновом фронте
С учетом сказанного, функцию атмосферного изменения поля (П2.4) можно переписать в виде
Модель турбулентных искажений оптического поля (П2.5) в литературе получила название «фазового экрана». В дальнейшем мы будем пользоваться, в основном, этой моделью.
Если протяженность турбулентной трассы L много больше размеров отдельных неоднородностей показателя преломления, то на основании центральной предельной теоремы можно показать, что случайная функция
которая справедлива для любой нормальной величины x с < x >=0, можно представить в виде Нетрудно видеть, что при Здесь
Для сферической волны, прошедшей путь L в турбулентной среде, где Для дальнейшего рассмотрения введем пространственный параметр Эта величина называется параметром Фрида и имеет смысл пространственного радиуса корреляции атмосферных искажения поля оптического излучения (П2.5). Типичное значение С учетом (П2.9) выражения для структурной и корреляционной функций приобретают простой вид Для дисперсии фазовых флуктуаций справедливо выражение
Таким образом, уровень фазовых флуктуаций определяется отношением диаметра апертуры к пространственному радиусу корреляции поля атмосферных искажений или, другими словами, числом корреляционных ячеек случайного поля Модель турбулентных искажений «фазовый экран», предполагающая наличие множества (при больших значениях D / r 0) корреляционных ячеек на апертуре телескопа, приводит к достаточно простому физическому объяснению процесса формирования картины поля при распространении лазерного излучения, например, в фокальной плоскости линзы при формировании изображения или в зоне Фраунгофера при локации удаленного объекта. Интерференция случайных полей приводит к уширению лазерного пучка, а при сильных искажениях (D / r 0>>1) и к появлению отдельных «пятен», как это видно из рис.П2.1в. В результате такого случайного (некогерентного) сложения пучков реальная разрешающая способность или расходимость δ оптической системы определяется уже не размерами ее апертуры D, а величиной r 0, т.е. по Рэлею
Размер «размазанного» вследствие атмосферных искажений изображения точечного источника будем называть пятном атмосферного видения. Его линейный размер (диаметр) равен Еще одним существенным негативным влиянием, к которому приводят фазовые искажения в турбулентной атмосфере, являются флуктуации угла прихода пучка или наклона волнового фронта
Рассмотрим теперь временные характеристики атмосферных флуктуаций. Они могут быть получены в рамках гипотезы «замороженной атмосферы», которая формулируется математически следующим образом где
где где V (h) – высотный профиль скорости ветра вдоль трассы распространения излучения. По порядку величины
Литература
1. Гальярди Р.М., Карп Ш. Оптическая связь. Пер. с англ. под ред. А.Г.Шереметьева. М.: Связь, 1978. 2. Пратт В.К. Лазерные системы связи. Пер. с англ. под ред. А.Г.Шереметьева. М.: Связь, 1972. 3. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М: Высшая школа, 1983.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|