Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Прл отразэнда когерентного излучения от шероховатой поверхности, при его прехсхдекка через турбулентну» среду, пространственно неоднородные оптически^волокна и т.д. формируется случайное интерференционное поле -спекл-струхтура рассеянного излучения, отедставдяиьаа собой резкие пространственные флуктуации амплитуды и *азы. Построение соответствующих моделей рассеяния и детектирования излучения представляет значительный интерес как для развития физических представлений о пространственно-временных характеристиках рассеянного когерентного .излучения и методов статистической я когерентной оптика, так а для сольного числа практических приложений. Так, в задачах оптической локации, аддитивной сптпкя, диагностики атмосферы и других спэкл-эффект создает значатэльныа сптачес-кий сум. С другой сторона, спекл-картнна содержит информацию о микрорельефа поверхности, параметрах перемещении. Креме того, зуновые свойства динамаческоа спекл-картины, вознахашвй при дрдхении рассеивающего объекта, могут сыть использованы для формирования пучков со случайной модуляцией интенсивности.
Несмотря на наличие пнрекого круга физических явлений* свя- -занных с рассеянием вола статистически неровной поверхностью, обилие теоретических, статей и наличие ряда монографий Н-+1 далеко нв исчерпывают содержание . вопроса. Классические работы по математическому доследовании рассеяния волн на статистически неровной поверхностя 12—*3 рассматривала две предельные ситуации: в первом случае неровности предполагались малыми и приценялся метод везмуценяи з той ала иной форме, во втором - рассматривалась дифракция на сходь угодно высоких, но достаточно плавных неровностях, с пожидьо метода Кирхгофа. Применительно к оптике наибольший интерес представляет второй метод. Работы целого ряда авторов, в которых развивался этот метод, нэ схватывают всего многообразия ситуаций, встречапанхея на опыте. Достаточно подробно изучены средние н фдуктуационные характеристики рассеянного излучения как при распространении в свободном пространстве 12,3], так я при наличии оптнчесхой изобраяагсей системы С-П. Корреляционные «а характеристика хоропо изучены лазь в случае распространения излучения в свободном пространстве [5]. При наличии оптической изебрахащвй системы пространственные коррвля-
ционные характеристики рассмотрены в предельных ситуациях большого числа рассеивателей и в случае, когда каждая неоднородность хорошо разрешается оптической системой 4]. Вне теоретического рассмотрения остались пространственно - временные корреляционные характеристики рассеянного излучения в плоскости изображения оптической системы в случае, когда излучение' формируется при рассеянии на движущихся шероховатых поверхностях с малым числом не-однородаостей.
Более поздняя теоретическая модель - модель нормально развитой спекл-картины 16,73, такке описывает рассеяние на неодно-родностях,. размеры которых значительно превосходят длину волны излучения, но, в отличие от метода Кирхгофа, не требует плавности неоднородностей. Эта модель применима при выполнении следующих условий: наличие большого числа рассеивателей, фазы, связанные с каждым из которых, равномерно распределены"в интервале (-%,%), неизменность поляризации, полностью когерентное освещение. Характеристики спекл - картин, описывающихся этой моделью, изучены достаточно хорошо: поле рассеянного излучения подчиняется гауссовой статистике, а относительная дисперсия флуктуации интенсивности равна единице о^/<1>2 = 1. Но актуальным остается изучение характеристик спекл-картины, если не все. приведенные выше условия выполняются и наблюдается отклонение от модели нормально развитой спекл-картины. Это может Сыть связано с влиянием частичной когерентности падающего излучения, малого числа рассеивателей, усредняющего действия приемных апертур. Характеристики рассеянного излучения в этих ситуациях изучены не полностью.
Кроме того, исследования в рамках указанной модели предполагали, что рассеивающая поверхность является в среднем плоской." Для описания спекл-структуры в случае, когда это не так, необходимо обобщение имеющихся представлений. Такие работы в литературе отсутствовали, как и работы, посвященные теоретическому описанию нормально развитой слекл-каргины, формирующейся при прохождении излучения через объемный рассеиватель. Эксперимэнталь-. ныэ же работы показывают [8], что при выполнении условий однократного рассеяния, флуктуационныэ характеристжи рассеянного-излучения могут описываться моделью нормально развитой спекл -структуры (о^/<1>2 = 1), однако для описания корреляционных характеристик, а соответственно и пространственной структуры рассеянного излучения, требуется модификация имеющихся прадставле-
« t
нив.
Модель нормально развитой спекл-картины предполагает дельта - корреляции фазовых факторов 6,9 J і'- т.е. микроструктура ново рхностя предполагается настолько тонкой, что в дифракционном интеграле коэффициент корреляции для поля излучения, рассеянного на-отдельных поверхностных нэоднородкостях можно ашгроксимиро-вять б -.функцией Дирака. Это представление аесьма эффективно, т.к. позволяет в аналитическом виде выразить корреляционные характеристики рассеянного излучения. Границы же применимости этого подхода четко не определены.
Сказанное определило круг вопросов, рассматриваемых в данной работе.
Целы) работы являлось изучение флуктуационкых, спектрально-корреляционных характеристик и характеристик обнаружения рассеянного когерентного излучения пряменитэльно к задачам фотсметри-рования рассеянного лазерного излучения и задаче формирования лазерного пучка со случайной модуляцией интенсивности; развитие и уточнение модели рассеяния когерентного излучения шероховатой поверхностью в широком диапазоне условий освещения и наблюдения.
Основные положения, выносимые на загиту: I. Установлено соотношение подобия для дисперсии флуктуации облученности а флуктуации знаргетачаскс! яркости-рассеянного когерентного излучения, которое позволяет испсльзсзать результаты расчетов дисперсии флуктуации"облученности для оценка дисперсии флуктуации энергетической яркости и наоборот.
2. Показано, что при освещении когерентным пучкса шерохова
той, в среднем неплоской, поверхности пространст-венная автокор
реляционная функция поля рассеянного излучения в дальней зоне
пропорциональна Фурье - образу от распределения энергетической
яркости освещенной поверхности.
3. Получены асимптотические оценки дисперсии флуктуации
сродней по приемной апертуре облученности- и энергетической яр
кости при измерении диффузно рассеянного от шероховатой понег-Х-
ности излучения при частично когерентном освещении.
-
В приближении однократного рассеяния получена зависимость гтоосттзанствэнной нзтсчогт^з-~тстгіг"'*-г:гп;*- ^-,-^^---^, f^**^ -,r-?^-^^-... -w—:, -^с_=^;=го -іоСоз Cv^c.i^,; і—jjciibirr..j, z : ііарамягрсз оснеаащего пучка и геометрии наблюдения.
-
Установлены границы применимости дельта-коррелированного-
-6-.
подхода при определении корреляционных свойств рассеянного шероховатой поверхностью когерентного излучения.
6. Получена асимптотическая оценка пространственно - временной корреляционной функции флуктуации интенсивности рассеянного излучения в случае малого числа рассеивателей, учитывающая влияние случайного амплитудного экрана. Научная новизна. -;".._
Впервые проведен анализ совместного влияния размеров и формы приемной апертуры, степени когерентности и размеров освещапдего пучка на дисперсию флуктуации фотометрических характеристик рассеянного когерентного излучения. " .
Проанализировано приближение О-коррелированных неоднородностей для вычисления корреляционной функции поля при рассеянии когерентного излучения шероховатой поверхностью. Впервые исследованы пространственные и временные корреляционные свойства излучения, рассеянного движущейся шероховатой поверхностью, в широком диапазоне изменения параметров освещающего пучка, характеристик шероховатой поверхности и оптической изображающей системы.
Представления статистической теории нормально развитой спекл-картины обобщены на случай, когда рассеивающая поверхность не является в среднем плоской, а также на случай, когда излучение проходит через объемный рассеиватель. Впервые корреляционные характеристики рассеянного излучения для этих случаев выражены через фотометрические характеристики отражения тел .и" оптические характеристики рассеивающей среда.
Практическая ценность работы.
Сііекл-флуктуации сигнала принципиально. ограничивают точ
ностные характеристики аппаратуры, использующей рассеянное ко
герентное излучение. Поэтому исследования флуктуационных харак
теристик спекл-картины важны для оценки возможностей систем ре-
гастрации рассеянного лазерного излучения и позволяют провести
оптимизацию схем измерений с использованием рассеянного коге
рентного излучения. Проведенные в настоящей работе вычисления
позволяют получігть количественные оценки дисперсии флуктуации
средней по приемной апертуре облученности при измерении даффузно
рассеянного излучения.
Изучение спектрально-корреляционных свойств рассеянного на диижущихся поверхностях излучения играет важную роль в определении пространственно - временной структуры рассеянного излучения.
которая несет информацию о параметрах движения поверхности, а. в случае малого числа рассеивателэй и о мжггсплрглатрах рассеивающей поверхности.
Результаты, полученные при исследовании спектрально- корреляционных характеристик рассеянного когерентного излугашя и .характеристик обнаружения полезного сигнала, были использованы при разработке источников непрерывного случайно-модулированного ис-лучения в НПО "Астрофизика". Акт использования прилагается к диссертации.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ВНЦ ТОЙ им. -С.И.Вавилова", на заседании ведомственной рабочей комиссии по направленно "Фотометрические приборы" в "Доме оптики", на 12 Всесоюзном семинаре "Импульсная фотометрия" (1988г.) и 7 Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (1Э88Г.).
Основное содержание диссертации изложено в 6 статьях.
Личный вклад автора. При. непосредственном участии автора определены пути решения задач исследования, предложены алгоритмы вычислений и дана интерпретация полученных результатов.
Непосредственно автором проведены теоретические исследования статистических характеристик рассеянного когерентного излучения, получены соотношения для флуктуанионных и спектрально -корреляционных характеристик излучения, проведены численные расчеты. Выполнена обработка экспериментальных данных и получена автокорреляционная функция когерентного излучения, рассеянного * в слое молочного стекла.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, , шести глав, заключения и списка литературы. Изложена.на 144 машинописных страницах, включая 11 рисунков и список литературы, содержащий 113 наименований.
