Введение к работе
1. Актуальность темы
Актуальность исследования случайных смещений изображений лазерных пучков за линзой приемного телескопа определяется необходимостью учета данного явления в системах лазерной локации и сопровождения объектов естественного и искусственного происхождения, пеленгации, дальнометрирования, распознавания объектов, оптической связи и др. Именно это явление определяет точность и надежность работы данных систем. В настоящей диссертации рассматриваются системы лазерного сопровождения. В этих системах дрожание изображения приводит к ошибкам определения характеристик сопровождаемых объектов, таких как координаты, скорость, угол наклона и др.
Для исследования данных ошибок наряду с реальными экспериментами широко используется численное моделирование. Развитие вычислительной техники сегодня дает возможность проводить численные исследования в тех областях, где отсутствуют аналитические решения и получать результаты быстрее и дешевле, чем при проведении реальных экспериментов.
Широкое распространение получили методы моделирования на основе параболического уравнения распространения волн, в частности, метод расщепления по физическим факторам. Данный метод позволяет строить изображение произвольно заданного объекта на произвольно заданной атмосферной трассе. Однако численное моделирование лазерного сопровождения связано с новыми вычислительными трудностями по сравнению с моделированием распространения лазерного излучения на фиксированной локационной трассе. Лазерное сопровождение предусматривает изменения в широких пределах расстояния от наблюдателя до объекта, высоты объекта и угловой скорости его перемещения. Это может приводить к существенным изменениям распределения флуктуации показателя преломления вдоль трассы распространения и поперечной скорости переноса атмосферных неоднородностей. Как следствие, статистические характеристики турбулентности претерпевают существенное изменения. Вдоль одной и той же траектории полета объекта на различных участках могут быть реализованы как режим слабых, так и сильных флуктуации интенсивности пучка.
При сопровождении необходимо выполнять моделирование характеристик излучения вдоль протяженной траектории движения объекта, следовательно, возникает необходимость генерирования протяженного турбулентного экрана для учета искажающего влияния атмосферы. С математической точки зрения это означает, что необходимо выполнить построение неограниченного фазового экрана. Насколько известно из литературы, на момент начала исследований данная задача еще не была решена никем.
Необходимость усреднения результатов расчетов по турбулентным реализациям атмосферы требует выполнения большого объема вычислений. Поэтому большую актуальность имеет задача ускорения вычислений. Для достижения необходимой скорости расчетов требуется применение методов оптимизации алгоритмов с учетом возможностей существующих технологий программирования.
2. Цели и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является исследование влияния атмосферы на ошибки определения характеристик движущихся объектов в рамках задачи лазерного сопровождения. Данное исследование предполагает решение следующих основных задач:
Создание комплекса программ для численного моделирования, с помощью которого можно исследовать весь круг вопросов, возникающих при исследовании характеристик объектов при лазерном сопровождении.
Исследование влияния турбулентной атмосферы на ошибку определения координат центра тяжести оптического изображения
Исследование влияния турбулентной атмосферы на ошибки определения координат, скорости и угла наклона протяженных объектов на горизонтальных и наклонных атмосферных трассах.
3. Научная новизна работы
-
В диссертации предложен новый метод генерации турбулентных экранов. В рамках данного подхода случайные пространственно-временные изменения показателя преломления среды определяются не только поперечным переносом неоднородностей средним ветром, но и его мелкомасштабными флуктуациями.
-
Получена эмпирическая формула для положения плоскости минимального углового размера изображения. Показано, что с увеличением силы турбулентных флуктуации плоскость минимального углового размера отодвигается от приемной апертуры, приближаясь к некоторому предельному положению.
-
Для режима сильных турбулентных флуктуации получена эмпирическая формула, определяющая дисперсию смещений оптического изображения произвольного источника света при наблюдениях через апертуру малого размера.
-
Найдено выражение для положения плоскости минимальной дисперсии в режиме слабых турбулентных флуктуации.
5. Выявлены закономерности, определяющие характер зависимости ошибок определения координат, скорости и угла наклона протяженного объекта от количества отражающих элементов, расстояния между элементами, а также от параметров оптической системы и турбулентности.
4. Практическая значимость работы
-
Метод генерации неограниченных турбулентных экранов с учетом временных флуктуации показателя преломления позволяет решать новый класс задач - моделирование продолжительных наблюдений - а также позволяет неограниченно долго моделировать лазерное сопровождение для случая, когда изображения объекта на соседних кадрах находятся в пределах угла изопланатизма.
-
Предложенная одноэкранная модель распространения лазерного излучения, а также разработанные численные параллельные методы вычислений позволяют сократить время расчетов на порядок и таким образом перейти к решению динамических нелинейных задач атмосферной оптики.
-
Предложенные аналитические выражения для положения плоскости минимального углового размера изображения и минимальной дисперсии флуктуации центра тяжести изображения позволяют найти оптимальное положение плоскости фотодетектора цифровой камеры для минимизации ошибки определения координат объекта, вызванной турбулентностью.
-
Выявленные зависимости ошибок измерения характеристик объекта от параметров турбулентной атмосферы и приемной оптической системы дают возможность повысить точность лазерного сопровождения движущихся объектов в атмосфере.
Практическая значимость работы также подтверждается тем, что разработанные расчетные программы использовались при выполнении международных контрактов ИОА СО РАН и Sandia National Laboratories (2004-2006), а также ряде хоздоговоров ИОА СО РАН. Работа поддерживалась грантом РФФИ № 09-02-09203 «Моб_з» для поездки на международный симпозиум «Photonics.West 2009». Зарегистрированные программы ЭВМ используются в ИОА СО РАН для дальнейших исследований.
5. Защищаемые положения
1. Разработан метод формирования фазовых экранов неограниченной протяженности с учетом мелкомасштабных временных флуктуации показателя преломления. Метод позволяет
моделировать дрожание центра тяжести пучка так, что корреляционная функция принимает вид, близкий к экспериментальным зависимостям. В пределах радиуса корреляции отличие не превышает 5%.
-
Плоскость минимального углового размера изображения объекта в атмосфере и минимальной дисперсии дрожания изображения не совпадают. Отношение дисперсий дрожания изображения в данных плоскостях в режиме слабых турбулентных флуктуации может достигать 4. При размере источника меньше дифракционного размера это отношение не превышает 1.2.
-
При тепловом самовоздействии влияние неоднородного распределения среднего показателя преломления на дрожание центра тяжести оптического изображения является преобладающим, по сравнению с влиянием наведенных флуктуации среды. Вследствие этого дисперсия дрожания изображения уменьшается в подветренной области (область нелинейной дефокусировки) и увеличивается в наветренной области (область нелинейной фокусировки)теплового канала.
-
Влияние турбулентности на ошибку определение угла наклона сопровождаемых объектов, размеры которых меньше первого масштаба корреляции (короткие) и размеры которых больше второго масштаба корреляции (длинные) существенно различается. Зависимость ошибки определения угла наклона от силы турбулентных флуктуации / является линейной для длинных объектов и параболической для коротких объектов. Зависимость ошибки определения угла наклона от внешнего масштаба турбулентности для длинных объектов является более выраженной, чем для коротких объектов.
6. Апробация результатов работы
По материалам диссертации опубликовано 23 работы, из них 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 статьи в трудах SPIE, 1 статья в трудах международных конференций, 13 тезисов докладов конференций. В Государственном реестре программ и баз данных зарегистрировано 4 программы ЭВМ.
Основные результаты работы обсуждались: на международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск 2004, Томск 2005, Томск 2006, Бурятия 2007, Томск 2009, Томск 2011), International Symposium on Optical Science and Technology (Denver, 2004), SPIE Photonics West (San Jose, 2009), Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2005" (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «High Power Laser Beams» (Нижний Новгород, 2006), XXV Международной конференции по лазерному
зондированию «International Laser Radar Conference» (Санкт-Петербург, 2010), XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011).
7. Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения; общий объем работы 132 страницы; работа содержит - 1 таблицу и 66 рисунков; список цитируемой литературы включает 151 наименование.
8. Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. В государственном реестре зарегистрированы две программы ЭВМ без соавторов. Опубликована 1 статья без соавторов. Материалы, представленные в работе получены в результате аналитических исследований, а также численных экспериментов, выполненных автором в ИОА СО РАН.
Похожие диссертации на Численное моделирование лазерного сопровождения объектов в турбулентной атмосфере
