Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Общая характеристика флуктуации лазерного излучения на атмосферных трассах (обзор литературы) 11
1.1. Краткое описание турбулентных процессов в тропосфере 11
1.2. Результаты теоретических исследований 19
1.3. Данные экспериментальных работ 31
ГЛАВА II. Описание экспериментального стенда и методики измерений 40
2.1. Экспериментальная база 40
2.2. Методика обработки данных 44
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование флуктуации лазерных пучков с различной апертурой 48
3.1. Флуктуационная структура излучения в отсутствие перемежаемости турбулентности 48
3.2. Влияние перемежаемости турбулентности на статистические характеристики излучения 56
3.3. Влияние осадков 69
ГЛАВА IV. Анализ и интерпретация результатов эксперимента 73
4.1. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных 73
4.2. Численный эксперимент 76
Выводы 84
Литература 87
- Краткое описание турбулентных процессов в тропосфере
- Методика обработки данных
- Влияние перемежаемости турбулентности на статистические характеристики излучения
- Сопоставление экспериментальных и теоретических данных
Введение к работе
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 флуктуации 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 флуктуации, 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.
Цель и задачи
Цель диссертационной работы состоит в многопараметрическом анализе апертурных эффектов стохастизации лазерного излучения на приземных городских трассах при различных состояниях атмосферной турбулентности. Работа предполагает решение двух взаимосвязанных задач. Первая из них заключается в получении, обработке и сопоставлении экспериментальных данных, характеризующих в широком наборе метеопараметров флуктуационную структуру лазерных пучков с различной апертурой. Вторая задача состоит в поиске возможности теоретических оценок трансформации характеристик лазерного излучения при изменении свойств атмосферной турбулентности. При решении указанных задач особое внимание уделяется анализу эффектов, связанных со случайными смещениями лазерных пучков на приемной апертуре.
Научная новизна результатов
В диссертационной работе впервые на городских приземных трассах в условиях неустойчивости атмосферной турбулентности экспериментально определены зависимости, характеризующие влияние на процессы стохастизации излучения апертуры лазерных пучков. Для теоретического описания наблюдаемых эффектов и интерпретации установленных закономерностей предложены подходы, позволяющие адаптировать известные представления о стохастизации излучения в атмосфере с однородными и изотропными турбулентными процессами для случая перемежающейся турбулентности.
Положения, выносимые на защиту
1. Реализованная при проведении исследований оптическая
схема экспериментального стенда с атмосферной трассой, а также
разработанные методики регистрации и обработки данных о
флуктуациях излучения позволяют осуществлять анализ и сравнение
статистических характеристик излучения для различных параметров атмосферных трасс.
В условиях стационарных характеристик турбулентности с увеличением апертуры коллимированных лазерных пучков имеет место постепенное усложнение пространственной структуры излучения от квазирегулярной к спеклоподобной. При этом поведение пучков соответствует основным теоретическим представлениям, относящихся к модели однородной и изотропной турбулентности.
Являющаяся следствием перемежающейся мелкомасштабной турбулентности спорадическая стохастизация лазерного пучка характеризуется резким увеличением дисперсии локальных флуктуации интенсивности и существенными искажениями амплитудно-фазового профиля; в то же время влияние перемежаемости турбулентности на флуктуации центра тяжести пучка проявляются гораздо слабее. Время пребывания пучка в стохастическом состоянии в сильной степени зависит от апертуры пучков и резко увеличивается, если число Френеля трассы превосходит единицу.
Даже слабые осадки на трассе в виде снега или дождя значительно уменьшают случайное блуждание пучка в плоскости приемной апертуры. При этом в спектре колебаний пучка усиливаются низкочастотные колебания.
Интерпретацию наблюдаемых апертурных эффектов, влияющих на характер спорадической стохастизации излучения, можно дать на основе расчетных соотношений, справедливых для модели однородной и изотропной турбулентности, в которых изменения состояния турбулентности сводятся к изменению внутреннего масштаба турбулентности при постоянном значении структурной характеристики флуктуации показателя преломления.
Достоверность результатов
Достоверность результатов обеспечивается тщательной проработкой методик измерений, многократностью проводимых экспериментов, согласием экспериментальных результатов с данными теоретического анализа и современными знаниями о турбулентной атмосфере и процессах распространения в ней световых волн.
Практическая значимость
Практическая значимость работы определяется возможностью использования полученных в ней результатов для оптимизации характеристик разнообразных метрологических, локационных и навигационных устройств, а также систем связи, использующих открытые каналы распространения излучения. Кроме того, разработанные методики могут найти применение в системах, обеспечивающих лазерный мониторинг состояния приземной атмосферы.
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались на конференциях: ICONO'95, Санкт-Петербург, (1995); «Лазерные технологии - 98», Шатура, (1998); Nineteenth International Laser Radar Conference, Maryland, USA, (1998); «Прикладная оптика'98», Санкт-Петербург, (1998); «Распространение радиоволн», Казань, (1999); 20 International Laser Radar Conference abstracts (IPSL), Vichy, France, (2000); «Оптика-2000», Санкт-Петербург, (2000); VIII Join International Symposium "Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics", Иркутск, (2001); «Оптика-2001», Санкт-Петербург, (2001); всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах», г. Красновидово, МО, (2002); «Оптика-2003», Санкт-Петербург, (2003); «ВНКСФ-10», г.Москва (2004); всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в
неоднородных средах», п-т Университетский, МО, (2004); «Ломоносов-2004», г. Москва (2004).
Публикации
Полученные научные результаты отражены в 25 публикациях (из них 15 - тезисы докладов). Некоторые из используемых в работе методов обработки данных получили освещение в изданном монографическом учебном пособии.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 102 страницах. Она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 102 наименований, содержит 23 рисунка, 2 таблицы.
Краткое содержание диссертации
В первой главе, представляющей литературный обзор по теме работы, рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния геометрии атмосферных трасс и характеристик среды распространения на структуру флуктуации лазерного излучения. Проанализированы литературные сведения, относящиеся к особенностям турбулентных процессов в приземном воздушном слое. Рассмотрены наиболее общие подходы к теоретическому описанию взаимодействия излучения с турбулентной средой. Обсуждается согласованность теоретических представлений с результатами экспериментов. Обзор завершается анализом проблем и вопросов, слабо освещенных в литературе.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной базы, включающей горизонтальную и наклонную атмосферные локационные трассы, построенные с использованием зданий Московского государственного университета на Воробьевых горах. В ней описывается методика многопараметрического анализа статистических
параметров лазерных пучков в условиях их спорадической стохастизации, а также оценки турбулентных характеристик атмосферы. Приведены основные характеристики оптического тракта экспериментального стенда и используемых приемно-регистрирующих устройств. Описаны вопросы, относящиеся к проведению экспериментов с изменяющимися по апертуре пучками, а также с пучками, распространяющимися по близким траекториям. Рассматриваются приемы компьютерной обработки видеоизображений лазерных пучков.
В заключение второй главы приведены результаты предварительных экспериментов, в ходе которых было установлено, что наилучшие условия для наблюдения влияния изменения турбулентности на флуктуации излучения существуют на горизонтальной трассе.
В третьей главе описана постановка экспериментов на приземной
атмосферной трассе, целью которых является обнаружение и анализ
апертурных эффектов стохастизации излучения. Проведено сравнение
результатов экспериментов с узкими коллимированными пучками с
экспериментальными данными, относящимися к пучкам с другой
геометрической конфигурацией. Особое внимание уделяется анализу
процессов стохастизации излучения в различных метеоусловиях,
характеризующихся различными состояниями турбулентности и
наличием осадков. Приведены результаты экспериментов с пучками,
распространяющимися по параллельным трассам, позволяющие на
более корректной основе выявить влияние величины выходной
апертуры узконаправленных пучков на процессы стохастизации. В
удобной для анализа форме приведены сведения о флуктуациях
интенсивности и случайных смещениях центров тяжести пучков.
Установленные физические зависимости дополнительно
проиллюстрированы видеоизображениями лазерных пучков, полученными для разных условий.
В четвертой главе дана интерпретация наблюдаемых эффектов. Для интерпретации привлечена расчетная модель, позволяющая оценивать влияние изменения состояния мелкомасштабной турбулентности на статистические характеристики лазерных пучков. На основе этой модели дана интерпретация результатам приведенных экспериментов. Показано, что наблюдаемые эффекты могут быть описаны на основе теоретических представлений, развитых для среды с однородной и изотропной турбулентностью с поправкой на изменение величины внутреннего масштаба турбулентности. Для интерпретации данных использованы так же результаты численного моделирования, в основе которого лежит применение модели прохождения лазерного пучка через движущийся фазовый экран.
Краткое описание турбулентных процессов в тропосфере
Для описания турбулентных процессов в тропосфере часто используется модель однородной изотропной турбулентности. В основе этой модели лежит следующее фундаментальное выражение для структурной функции флуктуации показателя преломления [1]:
Здесь г, и r2 - радиус-векторы двух точек в пространстве, /0 -внутренний масштаб турбулентности, L0 — внешний масштаб турбулентности. Приведенная формула представляет формулировку «закона 2/3» Колмогорова-Обухова для флуктуации показателя преломления. Величина Сгп носит название структурной характеристики флуктуации показателя преломления. Она входит во все основные соотношения, определяющие характер распространения волновых пучков в атмосфере, и зависит от многих факторов: характера трассы, времени года и суток, метеорологических условий и т.д. На рис. 1.1.1 представлен энергетический спектр w(l) тропосферных неоднородностей (w - кинетическая энергия вихревых образований размера / в единице объема). Внутренний масштаб турбулентности /0 соответствует наименьшему размеру неоднородностей и обычно в условиях развитой турбулентности составляет 1-Ю мм. Внешний масштаб турбулентности L0 определяет верхнюю границу инерционного интервала и соответствует расстояниям, на которых сохраняется корреляция между флуктуациями показателя преломления и выполняется закон (1). Следует заметить, что некоторая неопределенность в выборе L0 не оказывает существенного влияния на результаты расчетов, так как при выполнении условия а « LQ (где а — характерный поперечный размер пучка или приемной апертуры) внешний масштаб выпадает из результатов расчета основных статистических характеристик световой волны, поскольку учитываются лишь неоднородности с размерами порядка д. В реальных условиях в экспериментах на приземных трассах в роли внешнего масштаба турбулентности выступает высота трассы. Одновременно в атмосфере присутствуют неоднородности самых различных размеров. Существует несколько аналитических выражений для описания энергетического спектра неоднородностей [2-8]. Закону «двух третей» (1) соответствует трехмерный пространственный спектр неоднородностей показателя преломления вида В этом выражении к = 2п/1 - пространственное волновое число неоднородностей - изменяется в области к0 «к«кт (/ - размер неоднородностей, кт = 5,92//0 , к0 = l/L0 ). Такой спектр получил название колмогоровского. Достаточно хорошее согласие с экспериментальными данными дает использование модели спектра вида: Для аппроксимации энергетического спектра неоднородностей в энергетическом интервале часто используют модель Кармана: или более удобную для вычислений модель При переходе от пространственных характеристик излучения к временным в расчетах обычно используется гипотеза «замороженной» турбулентности. Основные ее положения состоят в следующем. Скорость движения любого достаточно малого элемента среды можно представить в виде суммы: где V0 - усредненная скорость потока, V, - турбулентная скорость или скорость хаотического движения. Если при этом соблюдается условие то можно считать, что за время необходимое для перемещения среды между приемными элементами, разнесенными на расстояние р (V± - скорость переноса неоднородностей в направлении, перпендикулярном направлению распространения), пространственное распределение параметров среды в системе координат, движущейся со скоростью V0, не претерпевает существенных изменений. Иными словами, предполагается, что на временных интервалах турбулентными движениями в среде можно пренебречь.
Методика обработки данных
Пограничный и приземный атмосферные слои являются весьма сложной гидродинамической системой, поведение которой определяется многими независимыми параметрами. При сильной устойчивости турбулентность подавляется. Однако на фоне относительно спокойной среды могут наблюдаться отдельные турбулизованные области. Спектральный состав турбулентности в этих областях отличается значительно большим весом мелкомасштабных возмущений.
В случае слабого ветра при устойчивой стратификации в потоке имеется нерегулярная составляющая, масштабы которой более или менее независимы от высоты, велики по направлению ветра и малы по вертикали. При значительном ветре формирующиеся вихри имеют тенденцию к закручиванию в спирали, оси которых параллельны направлению вектора средней скорости ветра.
На мелкомасштабную турбулентность (ММТ) налагаются значительно более крупные, почти горизонтальные вихри с горизонтальными размерами порядка сотен и более метров и временными масштабами порядка десятков минут. Природа этих вихрей в значительной мере определяется нерегулярностями подстилающей поверхности.
При безразличной стратификации крупномасштабные меандры играют значительно меньшую роль, а может быть, и совершенно отсутствуют; энергия же высокочастотных вихрей почти постоянна по высоте. Масштабы горизонтальных компонент скорости мало меняются с высотой, тогда как масштаб вертикальной скорости растет с высотой по линейному закону. Следовательно, у земной поверхности в атмосфере присутствуют одновременно вихри различных размеров, причем наименьшие из них вносят наибольший вклад в пульсации вертикальной скорости.
Структура турбулентности при конвекции (неустойчивая стратификация) исследована достаточно подробно. В этих условиях существуют области «струй» относительно теплого воздуха и, в основном, с восходящими движениями, но обладающие и высокочастотными пульсациями как температуры, так и вертикальной скорости. В областях нисходящих движений температурное поле характеризуется относительной однородностью. Возможность различить, что является непосредственной причиной возникновения струи - термическая неоднородность (например, «горячее пятно» на поверхности почвы), или механическое выталкивание, или другие внутренние факторы, вызывающие температурные аномалии внутри среды — практически отсутствует. В нижних слоях на струи налагаются мелкомасштабные вихри механического происхождения, ослабевающие с высотой.
Непосредственно у поверхности Земли градиент скорости ветра вынуждает струи изгибаться по направлению среднего ветра. Поэтому некоторые струи располагаются вдоль линий, более или менее параллельных направлению ветра, так что на высоте порядка 20 м продольный масштаб становится больше поперечного. Мелкомасштабные флуктуации скорости по-прежнему наблюдаются как внутри, так и вне струй, но температурные флуктуации вне струй, создающие фон ММТ, оказываются ослабленными. Соответствующие данные наблюдений пока еще немногочисленны. Весьма ограниченный характер носят сведения об особенностях вихревых образований, формирующихся в городских условиях [15]. Расширение базы данных и разработка для ее интерпретации теоретических моделей представляют в настоящее время весьма актуальную проблему. Заканчивая общую характеристику процессов в атмосфере при свободной конвекции, отметим, что как теория, так и результаты экспериментов допускают возможность формирования конвективными потоками квазирегулярных (так называемых когерентных) структур типа ячеек Бенара. Однако для областей в непосредственной близости от земной поверхности эта возможность еще не подтверждена прямыми экспериментальными данными.
Остановимся теперь на физической природе неустойчивостей, присущих движущейся воздушной массе. Они могут возникать в результате наложения гравитационно-сдвиговых волн на воздушный поток, который сам по себе является устойчивым [11]. В условиях сохранения энергии волн рост волнового числа неоднородностей влечет за собой увеличение их амплитуды, что, в свою очередь, приводит к возникновению на гребне волны зон локальной гидродинамической неустойчивости. Такой механизм, ограничивающий рост амплитуд волн и приводящий к образованию «вкрапленных» в ламинарный поток турбулентных пятен, называют вторичной неустойчивостью или неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца. В ходе экспериментальных и теоретических исследований было установлено, что, хотя с ростом числа Ri возможности возникновения турбулентных пятен (через механизм разрушения гребней волн) постепенно уменьшаются, однако, нельзя указать такого числа Ri, при котором возможность появления турбулентных пятен полностью исключалась бы. На значительную роль сдвиговых эффектов в движущемся потоке указывают также данные модельных экспериментов, проведенных со сдвиговыми течениями жидкости, подогреваемой сверху. Эксперименты показали, что даже в условиях температурной инверсии возможно образование тонких вихревых струй, сориентированных вдоль потока. Нельзя исключать проявления этих эффектов и в атмосфере при движении воздушной массы под действием ветра вблизи подстилающей поверхности. Весьма вероятно, что наблюдаемые в некоторых случаях спорадические изменения уровня пульсаций температуры при слабом ветре и сильном выхолаживании подстилающей поверхности также связаны с указанными явлениями.
Влияние перемежаемости турбулентности на статистические характеристики излучения
Теория распространения излучения в турбулентной атмосфере, основанная на законе 2/3 Колмогорова-Обухова, получила разностороннюю проверку в ходе экспериментальных работ, которые были развернуты широким фронтом сразу после появления лазеров. Количество таких работ исчисляется сотнями. Их результаты получили обобщение в ряде монографий и обзоров. Среди них следует отметить фундаментальные труды [1,2,4,17,18,27,47-50]. Они содержат экспериментально полученные данные о влиянии метеоусловий как на состояние атмосферной турбулентности, так и на состояние лазерных пучков. В ходе измерений особое внимание уделялось таким статистическим характеристикам излучения, как флуктуации интенсивности, изменение диаметра пучка и угла прихода, смещение центра тяжести.
Для сопоставления экспериментальных данных поведения лазерного пучка с характеристиками турбулентных процессов в атмосфере были разработаны и реализованы в экспериментах методики измерения параметров, определяющих интенсивность турбулентности и структуру пространственного спектра турбулентных образований [1]. В ходе исследований было установлено, что параметры турбулентности могут изменяться в очень широких пределах. Так, структурная характеристика флуктуации показателя преломления Сп может изменяться в диапазоне КГ17-КГ10 м 2//3, внутренний масштаб турбулентности /0 в интервале одного миллиметра до нескольких сантиметров, а внешний масштаб турбулентности может отличаться от внутреннего на несколько порядков, изменяясь в интервале от 10" до 103л . Основной вывод, который можно сделать из экспериментальных работ, состоит в том, что модель случайно-неоднородной турбулентной среды Колмогорова-Обухова и разработанные методы расчета параметров излучения позволяют дать удовлетворительное объяснение многим экспериментальным данным.
Было установлено, что в зависимости от метеоусловий, времени суток, геометрических параметров пучка и трассы могут наблюдаться режимы как слабых, так и сильных флуктуации. При этом режимы слабых и сильных флуктуации имеют не только количественные, но и качественные различия. К первым - относится прежде всего резкое увеличение нормированной дисперсии флуктуации интенсивности (от 0,1 для слабых флуктуации до 1 для сильных) и уменьшение размера зоны корреляции изменений интенсивности (при сильных флуктуациях она значительно уступает размерам пучка). Ко вторым - следует отнести изменение закона, которому подчиняется плотность распределения флуктуации интенсивности (слабые флуктуации подчиняются нормальному закону, а сильные - логнормальному); кроме того, при сильных флуктуациях на волновом фронте лазерных пучков появляются винтовые дислокации фазы. Исследования показали, что режим флуктуации определяется пространственно-временным поведением структурной характеристики флуктуации показателя преломления Сп, внутренним и внешним масштабами турбулентности /0 и LQ.
Важно отметить, что большинство экспериментальных данных о распространении излучения в атмосферных каналах распространения, наиболее адекватных теоретическим представлениям, были получены на горизонтальных трассах в условиях стационарных метеопараметров и ровной подстилающей поверхности (часто в ее роли выступала либо поверхность водоема, либо ровный участок степи). В таких условиях удается с достаточно высокой точностью рассчитать характеристики излучения и сопоставить им результаты эксперимента. Иначе обстоит дело, когда исследуется распространение лазерных пучков на приземных трассах в условиях городского ландшафта. Сложная структура воздушных течений и вихревых образований, связанная с каньонными и сдвиговыми эффектами, не позволяет рассматривать свойства атмосферной турбулентности статистически однородными вдоль трассы. Это крайне затрудняет интерпретацию экспериментальных данных. К дополнительным трудностям приводит перемежаемость турбулентности. Наиболее значительно влияние на характеристики излучения оказывает перемежаемость мелкомасштабной турбулентности, так как мелкомасштабные вихревые образования могут существенно исказить амплитудно-фазовый профиль пучка.
Многолетние систематические исследования особенностей распространения лазерного излучения на городских трассах в условиях перемежаемости мелкомасштабной турбулентности были проведены на физическом факультете МГУ силами лаборатории когерентной оптики кафедры оптики и спектроскопии и лаборатории тропосферного распространения радиоволн кафедры радиофизики. Результаты этих исследований нашли отражение в двух кандидатских диссертациях [10, 51].
В ходе выполнения указанных работ было показано, что на приземных трассах в широком диапазоне изменения метеопараметров может наблюдаться явление структурной перемежаемости лазерных пучков, характеризующееся спорадической стохастизацией амплитудно-фазового распределения. Стохастизация излучения приводит к кардинальным изменениям характеристик. Эти изменения проявляются, прежде всего, в топологической перестройке волнового фронта, а также в образовании спеклоподобной структуры распределения интенсивности со степенью контрастности приближающейся к единице.
Сопоставление экспериментальных и теоретических данных
В ходе обработки данных были определены значения радиусов корреляций гс изменений интенсивности в последовательности изображений пучков, относящихся к приведенным реализациям, и значения среднеквадратичных отклонений ос центров тяжести обрабатываемых пучков. Они составили для узкого пучка: гс=(0,64±0,02)сл , стс = 0,32см при t tQ и гс =(0,5 ±0,03) см, GC=0,42CM при t t0; для широкого пучка: гс =(0,59±0,03)см, сс=0,35см при t t0 и rc =(0,51 ±0,04)см, ас=0,3\см при t tQ. Таким образом, усиление стохастизации излучения при развитии ММТ приводит к некоторому уменьшению гс. Это связано с появлением в изображениях пучков небольших по размеру фрагментов поперечной структуры. ММТ также заметным образом влияет на "дрожание" узкого пучка, увеличивая величину стс. Влияние же ее на поведение пучка с большим диаметром гораздо слабее. Указанный факт подтвердили и данные, полученные путем усреднения по нескольким экспериментальным реализациям при переходе к интенсивной ММТ. Согласно этим данным, переход узкого пучка в стохастическое состояние сопровождается увеличением GC для горизонтальных отклонений от значений стс =(0,32±0,02)см до ас =(0,42±0,03)см. Для пучков с увеличенным диаметром при смене состояний турбулентности среднеквадратичные отклонения центра тяжести в пределах ошибок совпадали. Измерение спектров Фурье сигналов, характеризующих случайные смещения пучков, показало, что при переходе к другому состоянию турбулентности в их структуре не происходит сколь-нибудь серьезных изменений. Смещения ЦТ пучков в вертикальном направлении, как показали измерения, слабо отличались от смещений в горизонтальном направлении. Этот факт подтверждает рис. 3.2.6, на котором графически представлено смещение Y ЦТ пучков в вертикальном направлении. Для узкого пучка полученное в результате усреднения по реализациям значение ос увеличивалось при стохастизации от ас =(0,33±0,02)см до ас =(0,46±0,03)ам. Для широкого пучка заметных изменений в поведении пучка не обнаруживалось. Хотя сопоставление данных о величинах ос и гс, относящихся к колебаниям пучка в горизонтальном и вертикальном направлениях, не обнаружило сколь-нибудь существенных качественных отличий, оценка корреляции смещений показывала определенное различие в поведении пучков. Так, была обнаружена определенная корреляция смещений в вертикальном направлении («0,4). Корреляция смещений в горизонтальном направлении практически отсутствовала. Это можно объяснить проявлением анизотропии турбулентности в приземной атмосфере.
Было рассмотрено также влияние перемежаемости турбулентности на флуктуации интенсивности в ЦТ пучков. Трансформация структуры флуктуации интенсивности при развитии ММТ для узкого коллимированного пучка и пучка с диаметром 2,4 см показано на рис. 3,2.7.
Видно, что при развитии ММТ пучок малого диаметра испытывает более кардинальные изменения в структуре флуктуации. Это связано с тем, что пучок малого диаметра при развитии ММТ переходит из квазирегулярного состояния в стохастическое, пучок же большего диаметра стохастизован вне зависимости от развития ММТ (рис. 3.2.7).
Было рассмотрено также влияние перемежаемости турбулентности на флуктуации интенсивности в фиксированной точке приемной апертуры. Эта точка совпадала со средним положением центра тяжести пучка в обрабатываемой последовательности видеокадров. Как свидетельствуют данные эксперимента, при возникновении ММТ для узкого пучка нормированное на среднюю интенсивность среднеквадратичное отклонение ст7 возрастает от значения
В ходе работы анализировалось также влияние на флуктуационную структуру излучения изменения состояния турбулентности в условиях периодически возникающего снегопада. На рис. 3.3.1 представлены графики смещений (в относительных единицах) центра тяжести узкого коллимированного пучка при наличии снегопада (кривая 7) и в его отсутствие (кривая 2) в сеансе, когда скорость ветра составляла примерно 3,3 м/с, а температура - + 2 С.
Как видно из графиков, наличие осадков вызывает заметное снижение среднеквадратичных отклонений центров тяжести пучков. Так, для реализаций, приведенных нарис. 3.3.1, ас =0,63 см в условиях снегопада и тс =0,84 еж - в его отсутствие. Поскольку эксперименты ставились в условиях слабого снегопада, появление осадков не приводило к сколь-нибудь заметным изменениям интенсивности пучков и вида распределения плотности вероятностей флуктуации.
