Способ определения вертикального профиля интенсивности оптической турбулентности в атмосфере
METHOD FOR DETERMINING THE VERTICAL PROFILE OF THE INTENSITY OF OPTICAL TURBULENCE IN THE ATMOSPHERE

n
2
Изобретение относится к области метеорологии и физики атмосферы и может быть использовано при создании систем контроля интенсивности оптической турбулентности на вертикальных трассах и для поддержки работы адаптивных оптических систем астрономических телескопов или систем слежения за воздушно-космическим пространством. Основным параметром, характеризующим интенсивность оптической турбулентности в атмосфере, является структурная характеристика показателя преломления C.
T
n
2
2
Известен акустический способ определения структурной характеристики температуры C, из которой можно определить C. Акустический способ основан на пульсационных измерениях скорости ветра и температуры в атмосфере с помощью бистатического содара, работающего на явлении рассеяния акустических волн атмосферными мелкомасштабными турбулентными неоднородностями (В.Ф. Крамар и др. Бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы, патент RU 2735909 C1). Недостатками способа являются небольшая дальность зондирования в несколько сотен метров.
n
2
Известен способ анализа дифференциальных дрожаний двух или четырех изображений звезды (DIMM - Differential Image Motion Monitor), построенных на одном объективе (Sarazin M., Roddier F. The ESO differential image motion monitor // Astron. Astrophys. 1990. V. 227, N 1. P. 294-300). Недостатком способа является отсутствие возможности получения вертикального распределения характеристики C, т.к. способ DIMM является интегральным.
n
2
Известен усовершенствованный способ MASS-DIMM (MASS - Multi Aperture Scintillation Sensor), в котором DIMM прибор дополняется кольцевыми апертурами для измерения вертикального распределения характеристики C (Kornilov V., Tokovinin A., Vozyakova O., Zaitsev A., Shatsky N., Potanin S., Sarazin M. MASS: a monitor of the vertical turbulence distribution // Proc. SPIE. 2003. V. 4839. P. 837-845). Недостатком способа является низкое пространственное разрешение и нечувствительность к турбулентному слою вблизи поверхности земли.
n
2
Известен способ определения высотного профиля C(z) методом триангуляции, когда производится измерение корреляции интенсивности мерцаний двух звезд с известным угловым расстоянием между ними (SCIDAR - SCIntillation Detection and Ranging). В способе SCIDAR анализируется кросскорреляционная функция двойной звезды (Vernin J., Roddier F. Experimental determination of two-dimensional spatiotemporal power spectra of stellar light scintillation Evidence for a multilayer structure of the air turbulence in the upper troposphere // J. Opt. Soc. Am. 1973. V. 63. P. 270-273). Недостатком способа является необходимость использования большого телескопа (не менее 1,5 м) и трудности с нахождением двойных звезд с большим угловым разносом и требуемой яркостью.
n
2
Известен способ определения высотного профиля C(z) методом триангуляции, когда по двойной звезде производится измерение кросскорреляционной функции наклонов волнового фронта (SLODAR - SLOpe Detection And Ranging) с помощью датчика Шэка-Гартмана (Wilson R.W. SLODAR: measuring optical turbulence altitude with a Shack-Hartmann wavefront sensor // Mon. Not. R. Astron. Soc. 2002. V. 337, Iss. 1. P. 103-108). Недостатком способа также является необходимость использования большого телескопа (не менее 1,5 м) и трудности с нахождением двойных звезд с большим угловым разносом и требуемой яркостью.
n
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лидарный способ дистанционного измерения интенсивности оптической турбулентности, в котором дифференциальный способ DIMM сочетается с использованием лазерной опорной звезды (Gimmestad G.G., Roberts D.W., Stewart J.M., Wood J.W. Development of a lidar technique for profiling optical turbulence // Opt. Engin. 2012. V. 51, N 10. P. 101713-1-101713-18). Прототип работает следующим образом. Излучение импульсного лазера фокусируется на заданной высоте с помощью телескопа передатчика лидара, создавая яркую искусственную звезду. Приемная система лидара одновременно регистрирует четыре изображения звезды с помощью маски, расположенной перед приемным телескопом. Благодаря турбулентности, изображения во времени смещаются относительно друг друга. Регистрируя и анализируя временные ряды относительных перемещений звезды, можно оценить интенсивность оптической турбулентности в атмосфере. Недостатками способа являются небольшая дальность зондирования (менее 2 км) и низкая оперативность из-за необходимости перемещения искусственной звезды по высоте для получения профиля структурной характеристики показателя преломления C.
n
2
Техническим результатом предлагаемого изобретения является дистанционное оперативное определение вертикального профиля структурной характеристики показателя преломления C непосредственно от поверхности земли.
Технический результат способа достигается с помощью специализированного турбулентного лидара, работающего на эффекте усиления обратного рассеяния, и плоского поворотного зеркала. Зондирование атмосферы лидаром осуществляется следующим образом. Лидарная трасса зондирования организована так, что вначале лазерный пучок распространяется параллельно поверхности земли на расстояние, равное слепой зоне лидара (≈1 км), а затем поворотным плоским зеркалом пучок направляется вертикально вверх. Передатчик лидара посылает в атмосферу лазерные импульсы и принимает эхосигналы. Эхосигналы основного и дополнительного приемных каналов регистрируются фотоприемниками в режиме счета фотонов, затем в виде электрических одноэлектронных импульсов поступают в систему регистрации, где они накапливаются. Затем накопленные эхосигналы передаются в компьютер, где они обрабатываются (Разенков И.А. Оценка интенсивности турбулентности из лидарных данных. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 01. С. 32-40. DOI: 10.15372/AOO20200104). Результатом работы системы является информация о высотном распределении интенсивности оптической турбулентности.
Особенность способа заключается в том, что впервые для дистанционного контроля интенсивности турбулентности используется система, работающая на эффекте усиления обратного рассеяния. Эффект усиления обратного рассеяния возникает при двойном (прямом и обратном) распространении оптического излучения в турбулентной атмосфере (Виноградов А.Г., Гурвич А.С., Кашкаров С.С., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. «Закономерность увеличения обратного рассеяния волн». Свидетельство на открытие № 359. Приоритет открытия: 25 августа 1972 г. в части теоретического обоснования и 12 августа 1976 г. в части экспериментального доказательства закономерности. Государственный реестр открытий СССР // Бюл. изобретений. 1989. № 21). Аналоги работают на других принципах и эффект усиления обратного рассеяния не используют. В отличие от аналогов, преимущества системы заключаются в способности контролировать интенсивность турбулентности с высоким пространственным разрешением непосредственно от поверхности земли.
В способе применяется турбулентный лидар [RU 165087 U1, 2014; RU 177661 U1, 2017], трасса зондирования которого состоит из горизонтального участка и вертикального участка.
1
2
Контроль интенсивности турбулентности в атмосфере осуществляется приемо-передатчиком, блоком регистрации эхо-сигналов и блоком обработки информации. Трасса зондирования лидара имеет горизонтальный (≈1 км) участок и вертикальный (>10 км). Лидаром с пространственным разрешением 15 м производится зондирование атмосферы в вертикальном направлении. Принимаемые приемо-передатчиком эхосигналы в виде фотоэлектрических импульсов поступают в блок регистрации, где они анализируются дискриминатором, затем прошедшие дискриминатор фотоэлектрические импульсы преобразуются в сигналы стандартного TTL-уровня. Сигналы TTL-уровня поступают на счетчик фотонов, который производит накопление сигналов вдоль всей трассы зондирования. Накопленная информация о пространственном распределении эхосигналов основного P(z) и дополнительного P(z) приемных каналов, где z - дистанция от лидара, из блока регистрации передается в блок обработки информации. Время накопления эхосигналов в каждом цикле измерений составляет 1 мин. В блоке обработки вычисляют фактор q(z) влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму: . Вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления согласно алгоритму: , где: R - радиус приемо-передающей апертуры лидара;  - волновое число; λ - длина волны;  - масштаб Френеля.
n
2
Краткое описание чертежей. На фиг. 1 показана схема зондирования. Трасса зондирования имеет горизонтальный участок А и вертикальный участок Б. Поворот луча вверх осуществляется поворотным зеркалом. Слепая зона лидара показывает минимальное расстояние, начиная с которого турбулентный лидар способен дать информацию о структурной характеристике C. Горизонтальный участок А выбирается равным слепой зоне лидара. У поверхности земли интенсивность атмосферной турбулентности максимальная. На вертикальном участке Б интенсивность атмосферной турбулентности быстро убывает с высотой.
n
n
2
2
На фиг. 2 представлена аналитическая модель Хафнагеля-Волли профиля структурной характеристики оптической турбулентности C для ночного времени (Parenti R.R., Sasiela R.J. Laser-guide-star for astronomical application // J. Opt. Soc. Amer. A. 1994. V. 11, N 1. P. 288-309). Высотный профиль характеристики C(z) на фиг. 2 вычислен согласно алгоритму , где z - высота.
На фиг. 3 показан фактор q(z), рассчитанный из отношения лидарных эхосигналов. Кривая 1 соответствует схеме зондирования на фиг. 1, включающей горизонтальный участок А и вертикальный участок Б. Кривая 2 соответствует схеме зондирования в отсутствие горизонтального участка А.
n
2
На фиг. 4 представлена относительная погрешность определения характеристики C при условии, что экспериментальная абсолютная погрешность определения фактора q(z) составляет 0,05. Кривая 1 соответствует схеме зондирования на фиг. 1, включающей горизонтальный участок А и вертикальный участок Б. Кривая 2 соответствует схеме зондирования в отсутствие горизонтального участка А.
n
n
0
1
2
n
n
n
n
n
n
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Осуществление изобретения. Принцип работы турбулентного лидара основан на эффекте увеличения обратного рассеяния (УОР). Сравним два варианта вертикального зондирования. На фиг. 1 показана схема зондирования турбулентным лидаром интенсивности оптической турбулентности, а именно, структурной характеристики показателя преломления C. Обычно используется схема зондирования, когда трасса направлена вертикально вверх. Схема зондирования на фиг. 1 отличается тем, что, она имеет горизонтальный участок А и вертикальный участок Б. Эффект УОР возникает при распространении света в турбулентной атмосфере. На фиг. 2 показан высотный профиль интенсивности оптической турбулентности C. Лазерный пучок распространяется в атмосфере, при этом на молекулах и аэрозольных частицах происходит рассеяние света, поэтому часть излучения возвращается обратно. Эффект УОР - увеличение обратного рассеяния - не меняет общую рассеянную мощность, а только перераспределяет ее в пространстве таким образом, что при обратном рассеянии на оси зондирующего пучка происходит увеличение эхосигнала. Увеличение эхосигнала с расстоянием происходит в зависимости от относительной дисперсии флуктуаций интенсивности, которую вычисляется согласно алгоритму (формула Рытова) , где k=2π/λ - волновое число; λ - длина волны. Из этой формулы следует, что по мере удаления от лидара дисперсия β растет. Лидар регистрирует два эхосигнала: основной P(z), на который турбулентность влияет, и дополнительный P(z), на который турбулентность не влияет. Из отношения эхосигналов рассчитывается лидарная функция согласно алгоритму , показанная. Фактор q(z) увеличивается от нуля и с высотой растет медленно. На фиг. 3 функция q(z) для схемы зондирования, включающей горизонтальный участок А и вертикальный участок Б (фиг. 1) показана кривой 1. Кривая 2 соответствует схеме зондирования в отсутствие горизонтального участка А. Рост кривой 1 происходит значительно быстрее кривой 2, т.к. в этом случае имеется горизонтальный участок трассы А у поверхности земли, где интенсивность турбулентности максимальная. Согласно схеме зондирования, показанной на фиг. 1, горизонтальный участок А равен слепой зоне лидара, поэтому информация о профиле C может быть получена непосредственно от поверхности земли (z=0). Высотный профиль характеристики C(z) рассчитывается из профиля фактора q(z), поэтому относительная погрешность определения δC(z) определяется относительной погрешностью δq(z). Полагая, что абсолютное значение q(z) при измерениях определяется с абсолютной погрешностью 0,05, рассчитаем относительную погрешность определения δC(z) согласно алгоритму: δC(z)=[0,05/ q(z)]×100%. Результаты расчета представлены на фиг. 4, пунктиром показан уровень погрешности 80%. Для схемы зондирования, включающей горизонтальный участок А и вертикальный участок Б (фиг. 1) погрешность менее 80% имеет место, начиная от поверхности земли. В отсутствие горизонтального участка А трассы зондирования А погрешность менее 80% будет иметь место, начиная с высоты 2,6 км. С увеличением высоты ошибка параметра C уменьшается.
Предлагаемое изобретение позволит повысить точность и надежность контроля интенсивности оптической турбулентности в вертикальном направлении и обеспечить работу адаптивных оптических систем астрономических телескопов или систем слежения за воздушно-космическим пространством.