Рефракция оптических волн в атмосферно-оптических системах

• Автор: Носов, Виктор Викторович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 379 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. СЛУЧАЙНАЯ РЕФРАКЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ В ОТКРЫТОЙ
ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ
§1.1. Дисперсия смещений оптического пучка в открытой турбулентной
атмосфере. Сравнение теории с экспериментом
§ 1.2. Зависимость смещений пучка от длины трассы. Эффект насыщения
дисперсии угловых смещений
§ 1.3. Границы применимости среднеинтенсивного приближения
§ 1.4. Корреляционная функция случайных смещений оптических пучков . . . .
§ 1.5. Корреляция смещений оптических пучков в приземном слое атмосферы . .
§ 1.6. Корреляционная функция временных смещений оптического пучка . . . .
§ 1.7. Частотные спектры временных смещений пучка
Г л а в а 2. ЛУЧЕВОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ В ЗАДАЧАХ РЕФРАКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ

§ 2.1. Теорема Эренфеста для атмосферно-оптических систем
2.1.1. Граничные условия на плоскостях раздела
2.1.2. Поле световой волны в многослойной атмосферно-оптической
системе
2.1.3. Уравнение для поля волны в многослойной атмосферно-оптической системе
2.1.4. Световой поток в атмосферно-оптической системе
2.1.5. Формула Эренфеста в составных атмосферно-оптических системах . .87 § 2.2. Лучевое приближение в задачах рефракции волн
в атмосферно-оптических системах
2.2.1. Дифракционные и средние дифракционные лучи
2.2.2. Лучевое приближение в задачах рефракции оптического излучения
в простейших атмосферно-оптических системах
2.2.3. Лучевое приближение в задачах рефракции оптического излучения в
в составных атмосферно-оптических системах
§ 2.3. Амплитудно-фазовый луч в случайно-неоднородной среде
2.3.1. Основные соотношения теории амплитудно-фазовых флуктуаций
2.3.2. Средняя фаза оптического пучка в турбулентной среде
2.3.3. Средний амплитудно-фазовый луч оптической волны
в случайно-неоднородной среде
§ 2.4. Сингулярная фаза оптической волны и се регуляризация
2.4.1. Сингулярная фаза оптической волны и ее регуляризация. Основные соотношения
2.4.2. Регуляризация фазы для некогерентного оптического пучка
2.4.3. Регуляризация фазы для сфокусированного когерентного оптического пучка
2.4.4. Регуляризация фазы для пучка в условиях сильного турбулентного уширения
2.4.5. Регуляризация фазы для случая приемников с малыми размерами . .159 § 2.5. Лучевое приближение в открытой атмосфере. Границы применимости
лучевого приближения
Г л а в а 3. СЛУЧАЙНАЯ РЕФРАКЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН В АТМОСФЕРНООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
§ 3.1. Дисперсия дрожания оптических изображений
§ 3.2. Пространственная и временная корреляции смещений
оптических изображений

§ 3.3. Частотные спектры смещений оптических изображений
§ 3.4. Случайные смещения оптических изображений на трассах с отражением
3.4.1. Случайные смещения изображений слабо уширенного оптического пучка
на трассе с однократным отражением
3.4.2. Лучевое приближение для случайных смещений изображений
на трассе с однократным отражением
3.4.3. Многократное отражение в турбулентной среде
§ 3.5. Дрожание астрономических изображений
3.5.1. Влияние подстилающего рельефа на дрожание
астрономических изображений
3.5.2. Качество астрономических изображений
Г л а в а 4. РЕГУЛЯРНАЯ РЕФРАКЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН В АТМОСФЕРНООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
§ 4.1. Основные положения теории оптической регулярной
рефракции в открытой атмосфере
§ 4.2. Регулярная рефракция световых волн в простейших
атмосферно-оптических системах
§ 4.3. Регулярная рефракция световых волн на трассах с отражением
4.3.1. Регулярная рефракция световых волн на трассе с однократным отражением
4.3.2. Регулярная рефракция световых волн на трассе с многократным отражением
§ 4.4. Методы измерений углов оптической регулярной рефракции в атмосфернооптических системах
4.4.1. Методы измерений углов рефракции в простейших атмосфернооптических системах
4.4.2, Методы измерений углов рефракции на трассах с отражением. . . .
§ 4.5. Оптический Фурье-метод восстановления характеристик среды
Глава 5. РЕФРАКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЫ . . 263 § 5.1. Полуэмпирические гипотезы теории турбулентности в анизотропном
пограничном слое
5.1.1. Введение
5.1.2. Теоретические представления для скоростей диссипации кинетической энергии 8 и температуры N в анизотропном пограничном слое. . . .
5.1.3. Экспериментальная проверка полуэмпирических гипотез в анизотропном пограничном слое
5.1.4. Эффективный изотропный слой
5.1.5. Внешний масштаб турбулентности в анизотропном пограничном слое.289 § 5.2. Когерентные структуры в турбулентной атмосфере
5.2.1. Введение
5.2.2. Когерентные структуры в закрытом помещении
5.2.3. Расширение понятия «когерентная структура».
Реальная турбулентность
5.2.4. Когерентные структуры в открытой атмосфере
5.2.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приложение А. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ФЛУКТУАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНЫХ СМЕЩЕНИЙ ПУЧКОВ И
СМЕЩЕНИЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ ИСТОЧНИКОВ
ЛИТЕРАТУРА
УКАЗАТЕЛЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена исследованию рефракции оптических волн в атмосфернооптических системах. На защиту выносятся следующие положения:
1. Теоретический анализ случайной рефракции оптических волн в открытой атмосфере можно выполнять в среднеинтенсивном приближении. Это приближение заключается в замене случайной интенсивности пучка на среднюю в функциональном представлении для вектора энергетического центра тяжести. Максимальная погрешность приближения приходится на промежуточную область флуктуаций интенсивности и не превышает 20%.
2. С увеличением турбулентного уширения пучка дисперсия угловых смещений оптических пучков в открытой атмосфере отклоняется от линейного закона, характерного для области слабого турбулентного уширения. С ростом дистанции распространения дисперсия угловых смещений насыщается. Корреляционные функции смещений имеют двухмасштабный характер. Характерная частота смещений определяется временем переноса неоднородностей со средней скоростью поперечного ветра через эффективный радиус пучка.
3. Теоретический анализ случайной рефракции оптических волн как в открытой атмосфере, так и в составных атмосферно-оптических системах можно выполнять в лучевом приближении. Это приближение использует геометрооптическую фазу вдоль среднего амплитудно-фазового луча, нормального к поверхности средней фазы. После регуляризации сингулярной фазы лучевое приближение совпадает со среднеинтенсивным.
4. Случайные смещения оптических изображений отличаются от случайных смещений оптических пучков в открытой атмосфере заменами эффективного радиуса пучка: а) в отсутствие сингулярности фазы - на наименьшую величину из эффективного радиуса падающего пучка и радиуса приемника, б) при наличии сингулярности, вызванной исходной некогерентностыо, - на начальный радиус некогерентного пучка. В условиях слабого уширения пучка М- кратное отражение в системе из двух зеркал на расстоянии L друг от друга, приводит к 2М - кратному увеличению дисперсии, по сравнением с дрожанием без отражений на полной трассе длиной 2LM; при замене одного из зеркал на уголковый отражатель наблюдается эффект компенсации.
5. Теоретический анализ регулярной рефракции оптических волн как в открытой атмосфере, так и в составных атмосферно-оптических системах можно выполнять в приближении параболического уравнения с заменой диэлектрической
проницаемости первыми членами ее разложения в степенной ряд. Это приближение
совпадает с лучевым.
6. Угол регулярной рефракции в приемной системе для плоской волны в два раза больше, чем для сферической. М - кратное отражение плоской волны в системе из двух больших зеркал приводит к 2М - кратному увеличению угла регулярной
рефракции по закону зеркального отражения; при замене одного из зеркал на
уголковый отражатель наблюдается эффект компенсации.

('х/Р= 1). Расфокусировка излучения (х/Р < 1) уменьшает дисперсию случайных смещений центра тяжести. Последнее обусловлено увеличением диаметра пучка и, следовательно, уменьшением вклада в смещения малых неоднородностей с размерами меньше диаметра пучка. Изменение размеров внешнего масштаба оказывает заметное влияние на дисперсию смещений пучка. Так, например, увеличение параметра р (р —> оо) приводит к её увеличению. При этом в области сильного турбулентного уширения пучка выражение (20) дает предельное значение дисперсии. При уменьшении внешнего масштаба (а точнее, уже для малых отношений а/1о) величина <рс2> существенно уменьшается.
Проведем сравнение полученных здесь результатов с экспериментом. Экспериментальные данные для дисперсии смещений сфокусированного пучка (х/Р =1) ранее сравнивались с расчетной величиной [23] <рс2>о (формула (16а)). В пределах разброса экспериментальных точек отмечалось удовлетворительное согласие [28, 29] получаемых результатов с формулой для <рс2>о . Значительные отклонения опытных данных от этой зависимости были обнаружены на длинной надводной трассе [33, 15]. Однако, как уже отмечалось, представление для <рс2>о справедливо только в области слабого уширения пучка, как за счет турбулентности, так и за счет дифракции на апертуре. Кроме того, это представление не учитывает конечных размеров внешнего масштаба турбулентности и корреляции флуктуаций интенсивности в пучке. Мы проведем сравнение с экспериментом с учетом всех этих факторов.
т/^(2а>
Рис. 1. Сравнение расчетных результатов с экспериментом [28]. Сплошная кривая -представление (16), штриховая линия - а0= <рс2>от/х,
Рис. 2. Асимптотика (16) и эксперимент [29]. Сплошная кривая 1 - представление (16), штриховая линия 2 - а0 = <р*>о112/х, кружки - эксперимент.
О = 31.9; х/Р = 1; X = 0.63 мкм; х = 1750 м; а = 7.5 см; Ло « < А > = 1.3 м; V к 0.4; (3 =
кружки - эксперимент.
П = 86; х/Р- 1,7, = 0.63 мкм, х = 250 м, а = 4.65 см; А0 « < А > = 1 м; V » 2; Р = 100 Как уже было отмечено, внешний масштаб турбулентности существенным образом
влияет на величину дисперсии смещений пучка. К сожалению, специальный контроль его
размеров в экспериментах [28, 29, 33] не проводился. В этих работах указываются лишь