Введение к работе
Актуальность темы. Проблема улучшения характеристик световых пучков, распространяющихся в атмосфере, представляет большой интерес для современной лазерной физики и ее приложений. Высокие потенциальные возможности лазерных информационных, технологических и измерительных систем в значительной степени ограничиваются условиями распространения световых волн в реальных средах, в частности в атмосфере. Действие атмосферы на оптический сигнал вызывает его ослабление и искажения на неоднородностях показателя преломления и других рассеивателях, (например, аэрозольное рассеяние).
Для волн оптического диапазона главную роль играют возмущения показателя преломления , которые возникают из-за малых вариаций температурь: [0.1-1К], вызванных турбулентным перемешиванием воздуха ветром и конвекцией. С другой стороны распространение мощного лазерного излучения в атмосфере сопровождается развитием ряда нелинейных эффектов, из которых наиболее низкий энергетический порог имеет тепловое самовоздействие. В сильном световом поле происходит нагрев воздушного канала распространения за счет молекулярного поглощения света воздухом и образуется наведенная "линза", на которой пучок испытывает рефракцию. Наиболее сильно влияние атмосферы проявляется в протяженных оптических каналах, например, на приземных горизонтальных и наклонных трпссах.
Для повышения эффективности функционирования систем атмосферной оптики используют ряд методов, таких, как выбор оптимальных параметров системы, целенаправленное изменение свойств оптического канала и другие. Применение адаптивных методов и систем является одним из наиболее эффективных способов ослабления возмущающего действия атмосферы.
В настоящее время широкое распространение получили теоретические методы, базирующиеся на численном моделировании и позволяющие при сравнительно небольших затратах исследовать эффективность адаптивных оптических систем в самых разнообразных условиях.
Одной из проблем, представляющих большой практический интерес, является повышение достоверности численного прогнозирования энергетических и :татистических характеристик лазерных пучков, распространяющихся в реальной
ітмосфере. В рамках этой проблемы представляется важным провести в единой иодели последовательный учет совместного влияния нестационарной тепловой
линзы и турбулентных флуктуации показателя преломления на амплитудно фазовые искажения световой волны. Этому должна предшествовать тщательна, методическая проработка модели крупномасштабных фазовых искажение играющих основную роль при распространении мощного излучения в атмосфере.
Другая важная проблема, привлекающая в настоящее время все больше внимание специалистов в области адаптивной оптики, состоит в пеобходимості разработки новых алгоритмов управления волновым фронтом пучкої Исследования последних лет показали, что традиционные методы управленш пучками, основанные на измерении градиента целевой функции, оказывают^ малоэффективными в условиях помех в цепи обратной связи, при флуктуация] параметров пучка и среды, при компенсации нестационарных нелинейны: искажений. Есть основания ожидать, что привлечение идей и методов теори» оптимизации нелинейных распределенных систем позволит сформировать НОВЫ! подходы к проблеме управления световыми пучками в адаптивных оптическиз системах.
Цели диссертационной работы.
-
Разработка простой и экономичной численной модели, достоверж описывающей крупномасштабные искажения волнового фронта светового пучка распространяющегося в турбулентной атмосфере.
-
Синтез новых алгоритмов адаптивной коррекции нелинейных > турбулентных искажений световых пучков, которые не требуют измерениі градиента целевой функции.
-
Анализ эффективности и устойчивости разработанных алгоритмов і условиях переходных процессов, возникающих на атмосферных трассах пру пульсациях скорости ветра и флуктуациях показателя преломления.
Научная новизна исследований заключается в следующем.
-
Развита динамическая модель крупномасштабных искажений волновогс фронта светового излучения, распространяющегося в турбулентной атмосфере Созданы расчетные схемы, позволяющие генерировать случайные последовательности коэффициентов разложения фазы по полиномам Цернике, обладающие требуемыми статистическими свойствами с наперед заданной точностью.
-
Впервые для задач управления световыми пучками в реальном времени применен симплекс-метод. Разработаны оригинальные модификации этого метода,
предназначенные для повышения его устойчивости при наличии переходных процессов на трассе пучка.
-
Проведено исчерпывающее сравнение эффективности симплекс-метода и градиентной процедуры "восхождения на холм" в задачах компенсации стационарного и нестационарного теплового самовоздействия. Разработана методика оптимизации параметров управления в зависимости от условии распространения лучков.
-
Впервые рассмотрено совместное влияние высокочастотных пульсаций скорости ветра и крупномасштабных флуктуации показателя преломления на энергетические характеристики пучков. Оценены предельные возможности адаптивной компенсации искажений пучков в этих условиях на основе симплекс-метода.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
Результаты диссертации, а также разработанная в ходе ее выполнения библиотека специализированных подпрограмм для IBM совместимых компьютеров и рабочих станций типа DEC АХР 3000, могут быть использованы при проектировании систем атмосферной оптики, а также для прогнозирования их продельных возможностей.
Па зашиту выносятся следующие положения:
-
Развитая в работе численная модель крупномасштабных фпзопмх искажений позволяет прогнозировать средние значения и дисперсии флуктуации энергетических характеристик световых пучков, распространяющихся в атмосфере, для произвольных пространственных спектров турбулентности при любых значениях внешнего и внутреннего масштабов. Модель дает возможность также получить временные автокорреляционные функции и частотные спектры энергетических характеристик пучка.
-
Синтезированные на основе симплекс-метода алгоритмы управления волновым фронтом световых пучков обладают существенными преимуществами по сравнению с градиентной процедурой "восхождения на холм", широко используемой в настоящее время в адаптивных системах апертурного зондирования. При компенсации стационарной ветровой рефракции симплекс-метод позволяет достичь максимума освещенности объекта за меньшее, чем в градиентной процедуре, число измерений целевой функции, В нестационарном режиме симплекс-метод обеспечивает надежную компенсацию ветровой
рефракции при знычмтслыю более слабых требованиях к быстродействию адаптивной системы.
'Л. Разработанная м работе методика позволяет найти оптимальные параметры управления: рн.чмер симплекса, длину градиентного шага, область допустимых значений управляемых координат, требуемое быстродействие адаптивной системы г лг.писимости от конкретных условий распространения: длины трассы, среднего параметра нелинейности, длительности импульса и др.
Апиробтшя работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на XI и XII Межреспубликанских симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (г.Томск НИЦ, ПШЗ), на VII Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург ПШ), The European Symposium on Sattelite and Remote Sensing (Rome, Italy 1994), The International Conference on Atmospheric Propagation and Remote Sensing III (Orlando, USA 1994), на VIII Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург 1995), на 15-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург 1995).
ПуГілдікаціїа По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 - те.ик-ы докладов. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, иыводоп, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 153 сірапмцьі и включает в себя 59 рисунков и список литературы из 104 наименований.
