Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере

• Автор: Маганова, Мария Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

ГЛАВА I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЛУКТУАЦИЙ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА АТМОСФЕРНЫХ ТРАССАХ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
§ 1.1. Краткое описание турбулентных процессов в тропосфере
§ 1.2. Результаты теоретических исследований
§ 1.3. Данные экспериментальных работ
ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И
МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
§ 2.1. Экспериментальная база
§ 2.2. Методика обработки данных
ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С РАЗЛИЧНОЙ
АПЕРТУРОЙ
§ 3.1. Флуктуационная структура излучения в отсутствие
перемежаемости турбулентности
§ 3.2. Влияние перемежаемости турбулентности на статистические
характеристики излучения
§ 3.3. Влияние осадков
ГЛАВА IV. АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЭКСПЕРИМЕНТА
§ 4.1. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных
§ 4.2. Численный эксперимент
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
Актуальность темы
В настоящее время сохраняют актуальность исследования, связанные с распространением лазерного излучения в приземной атмосфере. Изучение физических эффектов, которые сопутствуют распространению лазерных пучков, имеет большое значение для совершенствования оптических систем связи, локации, а также разнообразных метрологических и лидарных устройств. Несмотря на то, что этим вопросам посвящены многочисленные публикации, целый ряд явлений, важных с теоретической и практической точек зрения, оказался слабоизученным. К ним можно отнести апертурные эффекты при распространении лазерных пучков в приземной атмосфере с изменяющимся состоянием турбулентности. Апертура пучков существенным образом влияет на структуру флуктуаций излучения, проявляющуюся в пространственно-временных изменениях интенсивности, фазы и смещениях «центра тяжести» пучков. Весьма сложный и далеко не изученный характер это влияние имеет в условиях неоднородности турбулентных процессов, развивающихся в атмосфере большого города. При этом не ясно, можно ли свести учет неоднородности турбулентности в приземном воздушном слое к небольшим поправкам к известным закономерностям, определяющим связь между турбулентностью и уровнем флуктуаций, или же требуется серьезный пересмотр основных теоретических положений, определяющих распространение лазерного пучка в открытых каналах. Исследования апертурных эффектов при распространении лазерного излучения по атмосферным трассам позволяет, в свою очередь, получить важную информацию об особенностях и изменениях структуры мелкомасштабной турбулентности.

Наконец, возросшая в настоящее время актуальность исследований в указанном направлении во многом определяется резким увеличением числа оптических систем связи, использующих открытые каналы распространения излучения. Эти системы оказывают жесткую конкуренцию кабельным волоконно-оптическим линиям передачи информации в тех случаях, когда требуется осуществить в кратчайшие сроки мобильную связь на относительно небольших расстояниях между различными приемо-передающими устройствами. Использование открытых каналов в городских условиях оказывается зачастую намного дешевле применения световолоконных устройств. При этом легче осуществить мероприятия по информационной защите.
Дальнейшее совершенствование и оптимизация характеристик систем связи, использующих распространение лазерного излучения по приземным трассам, определенным образом сдерживается явным дефицитом сведений об особенностях распространения лазерных пучков в условиях городского ландшафта, формирующим сложную динамику движения воздушной массы. Большинство ранее проведенных исследований характеристик лазерных пучков на приземных трассах выполнялось над гладкой подстилающей поверхностью. Для таких условий легче построить теоретическую модель, адекватно описывающую поведение излучения. Однако данные, полученные на таких трассах, не всегда могут быть использованы для оптимизации характеристик каналов распространения (включая их геометрические параметры), построенных с использованием городских сооружений.
Таким образом, всё вышесказанное свидетельствует об актуальности проблемы изучения распространения излучения по атмосферным трассам различной геометрии в условиях сложной динамики движения воздушной массы.

Рис. 3.1.2. Горизонтальные профили интенсивности лазерных пучков разных диаметров О', а — 3 см ; б - 3,5 см; в — 7 см; г - 10 см.
Возмущения в структуре пучков, возникающие при увеличении их апертуры, отчетливо просматриваются в форме распределения плотности вероятностей изменения интенсивности. На рис. 3.1.3 представлены функции /) распределения плотности вероятностей (гистограммы) пространственных флуктуаций интенсивности, наиболее типичные для пучков с диаметрами 3 см, 1 см и 10 см. Если при малом диаметре распределение флуктуаций интенсивности близко к нормальному, то при больших диаметрах оно лучше описывается логарифмически-нормальным законом.