Оптические характеристики турбулентной атмосферы

Оптические характеристики турбулентной атмосферы [c.14]

Оптические способы, используемые для определения характеристик турбулентной атмосферы, условно можно разделить на два класса пассивные и активные. В первом случае в месте приема измеряются характеристики излучения от источников естественного происхождения, например звезд, солнца и др. Во втором случае используется специальный излучатель-передатчик оптического (чаще всего лазерного) излучения и измеряются характеристики излучения, прошедшего в атмосфере некоторое расстояние. Часто оказывается удобным использовать локационные схемы, при которых измерения осуществляются в отраженных световых потоках от детерминированных отражателей или от естественных атмосферных образований, например аэрозольных слоев. При использовании оптических методов параметры атмосферы могут быть получены как осредненные по всей трассе измерений, так и в виде профилей их средних значений по направлению распространения оптического луча. [c.216]

В ряде практических ситуаций важно обнаружить и выделить из шумов полезный сигнал, являющийся некогерентным (например, при приеме многомодового излучения лазера, прошедшего турбулентную атмосферу при обнаружении ретранслированного и несущего информацию или отраженного от цели когерентного излучения оптически шероховатой отражающей поверхностью и т. д.). Поскольку некогерентный сигнал и шумовое поле имеют гауссовское распределение амплитуд и описываются гауссовскими весовыми функциями (плотность распределения вероятностей комплексной амплитуды), то и весовая функция, соответствующая суперпозиционному полю также является гауссовской. В частном случае при выделении некогерентного сигнала и медленно флуктуирующих шумов при близких частотах сигнала й шума и медленных флуктуациях сигнала распределение вероятностей потока фотоэлектронов характеризуется законом Бозе—Эйнштейна (10 а) 1 табл. 1.1). Однако в общем случае присутствие шумового поля вызывает изменение распределений при этом спектрально — корреляционные характеристики шумового поля, величина смещения центральной частоты шума относительно центральной частоты сигнала и время наблюдения Т существенно изменяют вид получающихся распределений. [c.48]

В главах 1 и 2 книги содержатся сведения о турбулентных флуктуациях показателя преломления и методах теории распространения электромагнитных волн оптического диапазона в случайно-неоднородных средах. Специальный раздел посвящен методам решения задач на локационных трассах. В главах 3—6 излагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований статистических характеристик поля пучков оптического излучения, распространяющегося в турбулентной атмосфере на связных трассах. Анализируются средняя интенсивность, когерентность, пространственно-временная структура флуктуаций фазы и интенсивности излучения, случайная рефракция оптических пучков в зависимости от турбулентности на трассе и параметров приемной и передающей оптических систем. В главах 7 и 8 рассматриваются результаты исследований распространения лазерного излучения на локационных трассах. Дается последовательный теоретический анализ влияния интенсивности турбулентности, свойств отражающей поверхности и параметров лазерного источника, отражателя и приемника на эффекты, обусловленные корреляцией встречных волн. Систематизируются результаты экспериментальных исследований распространения лазерного излучения на трассах с отражением в турбулентной атмосфере. В главе 9 описаны методы и аппаратура лазерного зондирования атмосферной турбулентности. [c.6]

Простейшую модель переноса оптического излучения в турбулентной атмосфере можно представить как прохождение светового потока через бесконечное множество прозрачных линзоподобных образований разной оптической силы и размеров, не имеющих четких границ и хаотически движущихся друг относительно друга при общем направленном движении всей совокупности за счет ветрового переноса. В результате световой поток в плоскости приема будет иметь случайное распределение интенсивности и фотоприемник будет регистрировать сигнал в виде реализации случайной функции времени с параметрами, зависящими также от размеров и типа оптической системы (антенны). Соответственно результаты экспериментальных исследований характеристик оптических волн, распространяющихся в атмосфере, получаемые даже в одинаковых условиях, могут быть состоятельны и сопоставимы между собой лишь в том случае, если они статистически обеспечены и корректно обработаны методами математической статистики. [c.10]

При исследовании распространения оптического излучения на неоднородных трассах в турбулентной атмосфере в выражении для средней интенсивности (3.21) необходимо сохранять зависимость структурной характеристики флуктуаций диэлектрической проницаемости С от расстояния. В этом случае функция [c.53]

В главе проведено обобщение имеющихся в научной литературе сведений о поведении пространственно-временных характеристик флуктуаций интенсивности света в турбулентной атмосфере. Рассмотрены дисперсия, пространственная корреляция и спектры интенсивности оптических пучков, влияние неполной пространственной когерентности источника на характеристики флуктуаций, частотная корреляция и распределение вероятностей интенсивности. Однако количество публикаций по результатам исследований флуктуаций интенсивности столь велико, что охватить их все не представляется никакой возможности. Так, за пределами материала главы оказались вопросы влияния приемной оптической системы на флуктуации принимаемого сигнала, результаты исследований продольной корреляции интенсивности в случайно-неоднородных средах. С этими материалами можно ознакомиться по монографиям [36, 47, 56, 72], а также по оригинальным работам [9, 22, 55, 58, 91, 97]. [c.84]

Структурная характеристика показателя преломления является основным параметром, характеризующим турбулентное состояние атмосферы, и входит во все соотношения, описывающие флуктуационные явления в пучках оптического излучения, распространяющегося в атмосфере. Соответственно практически любой эксперимент по изучению распространения света в турбулентной атмосфере позволяет определить параметр или его инте- [c.227]

Монография Дистанционное оптическое зондирование атмосферы (том 8) посвящена бурно развивающейся проблеме, связанной с использованием оптических волн для целей зондирования атмосферы как активными, так и пассивными дистанционными методами. Особое внимание уделено анализу методов и технических средств лазерных атмосферных зондов и полученных с их помощью профилей и полей аэрозолей, облачности, ветра, температуры, давления, влажности и газовых компонентов атмосферы, характеристик атмосферной турбулентности. [c.8]

Теория флуктуационных явлений при распространении оптического излучения через турбулентные неоднородности в атмосфере в настоящее время достаточно подробно разработана как в общей постановке [14, 15, 24], так и специально для лазерных пучков [21]. Однако совместное влияние турбулентных неоднородностей и аэрозольных частиц на флуктуационные характеристики оптического излучения при распространении через атмосферу изучено пока слабо. [c.214]

При использовании контактных датчиков для измерения параметров турбулентных течений в атмосфере практически всегда вносится их возмущающее воздействие на структуру турбулентных неоднородностей среды. В то же время оптическое излучение, прошедшее некоторый путь в атмосфере, содержит в себе информацию о турбулентном состоянии атмосферы, которая может быть извлечена из флуктуаций его параметров. Поскольку при малых уровнях плотности светового потока оптическое излучение не изменяет характеристики среды и не оказывает влияния на перераспределение энергии в турбулентных вихрях любых масштабов, применение оптических методов для определения параметров турбулентности имеет неоспоримые преимущества перед методами, использующими контактные датчики. [c.216]

Важно отметить, что при оптическом дистанционном зондировании измеряются флуктуации показателя преломления турбулентности, а не флуктуации поля скоростей. Как указывалось выше, эти две характеристики тесно связаны между собой. Однако в некоторых случаях, например в нейтральной атмосфере, при сильных флуктуациях скорости оптический эффект может быть малым [224]. [c.249]

Полученные результаты позволяют перейти непосредственно к синтезу алгоритмов распознавания и анализу их эффективности. Естественно, что для распознавания особое значение имеет информация, закодированная в пространственной структуре лазерного излучения, по которой можно судить о форме лоцируемой цели и о характеристиках ее поверхности, В повседневной практике подобная информация получается непосредственно из анализа оптических изображений. Однако в лазерной локации даже тогда, когда влияние турбулентной атмосферы оказывается незначительным, формируемое изображение настолько отличается от обычного (см. гл. 2), что воспользоваться известными алгоритмами оказывается возможным лишь при весьма существенном их усовершенствовании. В общем случае оптимальная обработка приводит к более сложным операциям нежели формирование изображения, что естественно усложняет вид той информации, которая поступает на вход алгоритмов распознавания. Отмеченные особенности предъявляемой для распознавания информации, обладающей к тому же ярко выраженным статистическим характером, приводят к необходимости при синтезе алгоритмов распознавания опираться на основные принципы теории статистических решений. [c.132]

Исследованию распространения оптического излучения в турбулентной атмосфере уделяется значительное внимание в связи с широким применением лазеров в оптических системах, предназначенных для работы в земной атмосфере. Если атмосферные газы и аэрозоли вызывают преимущественно энергетическое ослабление оптического излучения, то турбулентные пульсации показателя преломления приводят к случайному перераспределению энергии в оптических пучках, определяя таким образом технические возможности лазерных систем. Действительно, точность геодезических лазерных приборов, пространственное и временное разрешение лазерных локаторов, возможности и точность определения параметров среды дистанционными лазерными методами можно оценить только с учетом флуктуаций поля оптических пучков. Вызываемые турбулентностью случайные изменения показателя преломления могут суш,ественно ограничивать технические характеристики оптических систем, так что в ряде случаев сама целесообразность их применения должна определяться на основе оперативного прогнозирования флуктуаций поля лазерного излучения с учетом сложившейся в атмосфере оптико-метеороло-гической ситуации [46] (ссылки даны по списку цитируемой литературы ко второй главе). [c.5]

Ко второй группе атмосферных эффектов относятся прежде всего явления, связанные с турбулентным характером атмосферы. Турбулентные потоки воздуха обусловливают возникновение местных флуктуаций плотности атмосферы и, следовательно, изменение ее коэффициента преломления. Эти флуктуации имеют микромасштабное время корреляции порядка нескольких миллисекунд. Изменения коэффициента преломления вызывают изменение оптической длины пути луча. В результате в пределах лазерного пучка могут нарушиться существовавшие в нем фазовые соотношения. В силу случайного характера турбулентности коэффициент преломления вдоль всего пути распространения лазерного излучения изменяется случайным образом. Поэтому в качестве основной характеристики в данном случае выступает некоторый поперечный корреляционный размер ркор- В соответствии с определением ркор — есть минимальное расстояние между двумя ближайшими лучами, которые из-за прохождения участков атмосферы с различными коэффициентами преломления оказываются некоррелированными у цели. [c.52]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...