Введение к работе
Актуальность темы определяется всё более интенсивным применением оптических технологий в задачах передачи информации, узкона-правлепной транспортировки энергии электромагнитного излучения, формирования изображения в условиях реальной атмосферы. Методы и устройства адаптивной коррекции представляют собой средство радикальной борьбы со снижением эффективности атмосферных оптических систем, обусловленным крупномасштабными неоднородностя-ми показателя преломления. Такие неоднородности возникают в результате турбулентного перемешивания воздушных масс в атмосфере, а также за счёт молекулярного и аэрозольного поглощения в канале распространения мощного оптического излучения.
Адаптивные оптические системы (ЛОС) позволяют в реальном масштабе времени:
улучшить фокусировку лазерного излучения на мишень и увеличить интенсивность фокального пятна;
уменьшить расплывание изображений астрономических и других объектов в телескопах, повысить четкость изображения и снизить вероятность ошибки в задачах распознавания объекта;
снизить уровень пгума и повысить скорость передачи информации в системах оптической связи.
Об актуальности проблемы свидетельствуют и ежегодные международные конференции по адаптивной оптике, проводимые SPIE (The International Society for Optical Engineering), присутствие секций по адаптивной оптике в программах других конференций, тематика которых связана с оптикой атмосферы. В 1994 году вышел специальный выпуск Журнала Американского Оптического Общества, посвященный проблемам адаптивной коррекции атмосферных искажений. Ежегодно выходит специальный выпуск журнала СО РАН "Оптика атмосферы и океана". В последние годы АОС интенсивно внедряются в астрономические телескопы, в том числе и в России, где разрабатывается собственный оригинальный проект 10-ти метрового адаптивного телескопа ACT-10.
Начавшееся широкое практическое внедрение адаптивных оптических систем выявило ряд вопросов, требующих дальнейшего развития теории распространения оптических волн в атмосфере в условиях адаптивного управления. Поиск ответов на возникающие вопросы приводит к необходимости разработки детальной и адекватной математической модели АОС и использованию такого метода исследования, как численный эксперимент, который основывается на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих распространение оптических волн в атмосфере. В рассматриваемой задаче основным из
них является параболическое волновое уравнение, решаемое без привлечения дальнейших приближений и упрощений. Волновое уравнение дополняется уравнением теплопереноса и стохастическим описанием турбулентных флуктуации показателя преломления в атмосфере.
Численный эксперимент позволяет учесть максимально возможное число факторов для адекватного моделирования АОС и даёт возможность в рамках единого подхода исследовать практически любую значимую характеристику излучения - эффективный размер светового пятна, пиковую интенсивность, мощность в приёмной апертуре, статистические характеристики интенсивности и фазы излучения. В отношении АОС численный эксперимент позволяет просчитать и предсказать эффективность различных конфигураций системы, что потребовало бы значительных затрат времени и средств при проведении натурного эксперимента. Состояние вопроса
Первые работы, посвященные численному моделированию атмосферных искажений пучков и изображений а также возможности их адаптивной коррекции относятся к началу 70х годов. Они выполнялись параллельно в нескольких крупных лабораториях США (Линкольнская, Ливерморская и др.). Здесь будет уместно, в частности, отметить первые сообщения о результатах численного моделирования теплового самовоздействия Гебхардта и Смита /1,2/, Брэдли и Херрмана /3/, а также Ульриха с соавторами /4/. Первая работа по фазовой компенсации теплового расплывания /5/ опубликована 1974 году, в том же году вышла и первая публикация по численному исследованию адаптивной коррекции турбулентных искажений изображения /6/. В 1976 году вышла известная работа Флека и Морриса /7/, в которой детально описывается методика решения нестационарной задачи теплового самовоздействия в турбулентной атмосфере. В 1977 году вышел первый специальный выпуск Журнала Американского Оптического Общества, обобщавший результаты теоретических и экспериментальных работ в области адаптивной оптики в США.
В СССР первые работы по этой тематике начинаются с конца 70х годов. Первая работа по теории адаптивной коррекции опубликована В.П. Лукиным в 1977 году /8/. Работы по численному исследованию АОС представлены публикациями Б.САгровского и В.В.Воробьёва с соавторами /9/ (ИФА), П.А.Коняева /10/ (ИОА, 1979). К этому же году относятся первые работы по фазовой коррекции нелинейных искажений МА.Воронцова и С.С.Чеснокова /11/ а также В.А.Выслоуха, К.Д.Егорова и В.П.Кандидова /12/ (МГУ). Определённый итог первых лет работы в этом направлении подвели специальные тематические выпуски журнала Известия вузов "Физика" 1983 и 1985 годов и монографии Воронцова М.А., Шмальгаузена В.И. «Принципы адаптивной
оптики», Лукина В.П. «Атмосферная адаптивная оптика» и Воронцова М.А., Корябина А.В., Шмальгаузена В.И. «Управляемые оптические системы». К этому же времени (1985—1986гг.) относится начало работы автора по этой тематике.
Кратко охарактеризовать состояние исследований в области численного моделирование атмосферных адаптивных систем к этому моменту можно следующим образом. Были разработаны базовые численные методы для решения задачи распространения оптических волн в случайно-неоднородных средах, в том числе и теплового самовоздействия мощных пучков; были начаты работы по созданию численных моделей конкретных элементов АОС с учётом их геометрических характеристик и пространственно-временного разрешения, а также - поиск наиболее эффективных алгоритмов коррекции.
В Институте оптики атмосферы СО РАН целевой пакет программ для моделирования теплового самовоздействия в случайно-неоднородной среде был разработан П.А.Коняевым в конце 70х - начале 80х годов. Этот пакет и являлся отправной точкой для постановки последующей, более сложной задачи создания комплексной модели АОС, учитывающей ограничения, вносимые элементами контура оптической обратной связи, а также исследования эффективности различных схем и алгоритмов коррекции. Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось » исследование эффективности фазовой компенсации турбулентных искажений волнового фронта в оптическом телескопе в режиме сильных флуктуации интенсивности и при больших остаточных искажениях;
исследование механизма автоколебательного режима, возникающего в адаптивной оптической системе «быстрого» фазового сопряжения при коррекции теплового самовоздействия на однородной горизонтальной трассе;
исследование эффективности низкомодовоп коррекции теплового самовоздействия мощного лазерного пучка на вертикальной трассе;
развитие и совершенствование численной модели атмосферных искажений волнового фронта оптического излучения, учитывающей низкочастотную часть пространственного спектра атмосферной турбулентности и позволяющей исследовать различные режимы теплового самовоздействия мощного излучения;
создание адекватной численной модели контура обратной связи адаптивной оптической системы;
Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи:
разработана методика динамического моделирования крупномасштабных турбулентных искажений оптических волн, вносимых атмосферой;
усовершенствована программа численного решения уравнения теп-лопереноса, обеспечивающая моделирование процесса теплового взаимодействия среды и пучка в различных режимах конвекции;
метод линзового преобразования координат обобщён на случай произвольной оптически неоднородной среды, что позволило получить формулы для пересчёта профилей значимых параметров атмосферы в преобразованную систему координат и эффективно использовать численные методы и схемы решения волнового уравнения;
разработаны численные модели опорной волны, датчика и корректора искажений, позволяющие исследовать работу различных схем коррекции с учётом ограничений, вносимых реальными оптическими устройствами.
Научная новизна результатов.
-
Предложен, обоснован и реализован метод моделирования крупномасштабной части спектра турбулентных искажений волнового фронта, основанный на генерировании псевдослучайных временных реализаций линейных и квадратичных аберраций волнового фронта.
-
Впервые проведено систематическое исследование параметров ФРТ (функции рассеяния точки) оптического телескопа, при работе адаптивной системы в режиме частичной компенсации турбулентных искажений волнового фронта.
-
Впервые для режима сильных флуктуации интенсивности проведён сравнительный анализ эффективности алгоритмов фазовой компенсации и фазового сопряжения при коррекции турбулентных искажений.
-
Проведено исследование эффективности низкомодовой коррекции теплового самовоздействия на вертикальной трассе для различных начальных распределений интенсивности в сечении мощного пучка с учётом зависимости направления эффективного поперечного ветра от продольной координаты (высоты).
-
Детально исследованы особенности "быстрой" АОС фазового сопряжения при коррекции теплового самовоздействия на однородной трассе, в результате чего обнаружено возникновение дислокаций волнового фронта в поле опорного пучка и показана связь между осцил-ляциями параметров пучка и возникновением дислокаций. Достоверность результатов работы обеспечивается:
использованием в проводимых исследованиях принятой современ
ной математической модели распространения оптических волн в
атмосфере, базирующейся на одновременном решении параболиче-
ского волнового уравнения, уравнения теплопереноса и моделировании турбулентных искажений с модифицированным колмогоров-ским спектром, учитывающим внешний масштаб турбулентности;
тестированием предложенных и использованных в работе численных схем и моделей АОС на примерах, допускающих сопоставление результатов с ранее известными, полученными аналитическими методами и методами численного моделирования;
физической непротиворечивостью полученных результатов, их статистической обеспеченностью;
сравнением наиболее значимых результатов с результатами экспериментальных исследований, их соответствием и согласованностью.
Практическая ценность и внедрение результатов.
Обобщённая численная модель атмосферных искажений оптического получении, обоснованная и исследованная в работе, может быть использована для изучения закономерностей распространения лазерных пучков в атмосфере, в том числе, в различных режимах теплового самовоздействия: вынужденной и свободной конвекции, включая режим сканирования пучком с дозвуковой и сверхзвуковой скоростями.
Численные модели элементов АОС, разработанные в настоящей работе, могут быть использованы для исследования эффективности различных схем и конфигураций конкретных адаптивных оптических систем, а также для тестирования алгоритмов оценивания волнового фронта и алгоритмов управления корректорами.
Результаты, полученные при исследовании эффективности алгоритмов и устройств коррекции искажений пучков и изображений, могут быть использованы при разработке перспективных систем адаптивной оптики и повышения эффективности уже действующих моделей.
Разработанное при выполнении диссертационной работы программное обеспечение использовалось для проведении расчётов атмосферных искажений и эффективности конкретных схем коррекции в работах по международным контрактам с Ливерморской Национальной Лабораторией США, Институтом прикладной физики и вычислительной математики КНР, а также в рамках программы Министерства Науки и Технической Политики РФ - «Развитие атмосферных адаптивных оптико-электронных систем» (распоряжение №2512ф от 06.05.1995) . Отчёты по контрактам успешно сданы. На защиту выносятся следующие основные положения 1. Разработанная методика численного моделирования позволяет адекватно исследовать нестационарное распространение когерентного оптического излучения в турбулентной атмосфере: различные режимы теплового самовоздействия мощных пучков с учётом крупномасштаб-
ных составляющих спектра атмосферной турбулентности и высотных профилей направления и скорости ветра, в широком диапазоне чисел Френеля передающей апертуры, а также эффективность фазовой коррекции с учётом пространственного разрешения и запаздывания адаптивной оптической системы в различных схемах коррекции.
-
При коррекции турбулентных искажений изображения точечного источника возможно достижение углового разрешения близкого к дифракционно-ограниченному при отношении Штреля много меньшем 1; чем больше диаметр апертуры, тем при большем значении дисперсии фазы достигается заданный уровень контраста центрального дифракционного лепестка ФРТ относительно интенсивности в турбулентном кружке рассеяния.
-
При фазовой коррекции турбулентных искажений в условиях сильных флуктуации интенсивности алгоритм фазового сопряжения сохраняет эффективность и при длинах трасс, больших, чем длина дифракции на радиусе когерентности (индекс мерцания « 3), но при использовании традиционных методов реконструкции фазы опорной волны с использованием только безвихревой части поля локальных наклонов область эффективной коррекции ограничена областью малых флуктуации интенсивности (индекс мерцания < 1)
-
Причиной осцилляции в схеме "быстрого" фазового сопряжения при коррекции теплового самовоздействия на однородной трассе является возникновение дислокаций в опорной волне, поэтому мощность корректируемого пучка, при которой возникают дислокации в опорной волне, является пороговой мощностью, соответствующей переходу к колебательному режиму коррекции. Применение модальной реконструкции фазы уменьшает нестабильность процесса, а отключение управления по квадратичным аберрациям позволяет увеличить эффективность коррекции примерно в 2 раза.
Апробация результатов.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на XV и XVI Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (г. Алма-Ата, 1987 и г. Харьков, 1990), X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (г. Томск, 1989), XII Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (г. Томск, 1993), И и III Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (г. Томск, 1995 и 1996); а также на международных конференциях: OE/LASE'92 (США, Лос-Анжелес, конф. SPIE №1628, 1992г.), ОЕ/Aerospace Sensing (США, Орландо, конф. SPIE №1668), Large telescope adaptive optics (США, Мауи, 1992), Atmosperic Propagation and Remote Sensing Ш (США, Орландо, 1994, конф. SPIE №2222), Photonics
West'95 (США, Сан-Хосе, конф. SPIE № 2375), Adaptive Optics'95 (Мюнхен, Германия, 1995), AeroSense (США, Орландо конф. SPIE № 2471), Adaptive Optics'96 (США, Гавайи, 1996г.).
По основному содержанию диссертации опубликовано 10 статей в центральной печати и зарубежных журналах.
Личный вклад автора. Основные результаты получены автором самостоятельно. В работах выполненных в соавторстве, вклад соискателя состоял в разработке и реализации численных моделей, постановке и проведении численного эксперимента, интерпретации результатов. Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 189 страниц и содержит кроме основного текста 38 рисунков, 5 таблиц и 164 ссылки на литературу.
