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

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в схемах дистанционного зондирования интенсивности оптической турбулентности в атмосфере и для поддержки работы адаптивных оптических систем астрономических телескопов или систем слежения за воздушно-космическим пространством.
C
n
2
Основным параметром, характеризующим интенсивность оптической турбулентности в атмосфере, является структурная характеристика показателя преломления .
C
C
В.Ф. Крамар и др
T
n
2
2
Известен акустический способ определения структурной характеристики температуры , из которой можно определить . 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 (. 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.
Sarazin M., Roddier F.
C
n
2
Известен способ анализа дифференциальных дрожаний двух или четырех изображений звезды (DIMM - Differential Image Motion Monitor), построенных на одном объективе ( 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 , т.к. способ DIMM является интегральным.
C
Kornilov V., Tokovinin A., Vozyakova O., Zaitsev A., Shatsky N., Potanin S., Sarazin M.
n
2
Известен усовершенствованный способ MASS-DIMM (MASS - Multi Aperture Scintillation Sensor), в котором DIMM прибор дополняется кольцевыми апертурами для измерения вертикального распределения характеристики  ( 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.
C
(z)
Vernin J., Roddier F.
n
2
Известен способ определения высотного профиля  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 ( 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.
C
(z)
Wilson R.W.
n
2
Известен способ определения высотного профиля  методом триангуляции, когда по двойной звезде производится измерение кросс-корреляционной функции наклонов волнового фронта (SLODAR - SLOpe Detection And Ranging) с помощью датчика Шэка-Гартмана ( 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.
Gimmestad G.G., Roberts D.W., Stewart J.M., Wood J.W.
C
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 ( 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 искусственной 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 заявляемого изобретения является определение вертикального профиля структурной характеристики показателя преломления .
C
C
C
Разенков И.А.
C
n
n
n
n
2
2
2
2
Технический результат изобретения достигается использованием трассового измерителя структурной постоянной коэффициента преломления , турбулентного лидара и плоского поворотного зеркала, благодаря которому лидарная трасса зондирования имеет горизонтальный участок, равный длине трассы измерителя. Совместное зондирование атмосферы лидаром и трассовым измерителем осуществляется следующим образом. Лидарная трасса зондирования организована так, что вначале лазерный пучок распространяется параллельно поверхности земли на расстояние, равное длине пути трассового измерителя , а затем поворотным плоским зеркалом лидарная трасса направляется вертикально вверх. Передатчик лидара посылает в атмосферу лазерные импульсы и принимает эхо-сигналы. Эхо-сигналы основного и дополнительного приемных каналов регистрируются фотоприемниками в режиме счета фотонов, затем в виде электрических одноэлектронных импульсов поступают в систему регистрации, где они накапливаются. Работа трассового измерителя  организована следующим образом. Лазер трассового измерителя находится рядом с турбулентным лидаром, а приемник трассового измерителя находится рядом с поворотным зеркалом, которое направляет лидарную трассу зондирования вертикально вверх. Лазерный пучок непрерывного излучения трассового измерителя проходит рядом с горизонтальным участком лидарной трассы. Приемник трассового измерителя регистрирует и оцифровывает электрические сигналы, пропорциональные интенсивности лазерного излучения на трассе распространения. Накопленные лидарные эхо-сигналы и сигналы трассового измерителя передаются в компьютер, где они совместно обрабатываются ( Эвристический подход к определению структурной характеристики  из лидарных данных. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. №03. С.195-204. DOI: 10.15372/AOO20220304). Результатом работы системы является определение высотного распределения интенсивности оптической турбулентности с высоким пространственным разрешением непосредственно от поверхности земли.
Виноградов А.Г., Гурвич А.С., Кашкаров С.С., Кравцов Ю.А., Татарский В.И.
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 ( «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 // Бюлл. 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.
C
n
2
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет применения турбулентного лидара, трассового измерителя структурной постоянной коэффициента преломления  и специализированной обработке получаемой информации в реальном времени.
P
(z)
P
(z)
q(z)
Разенков И.А.
C
C
R
λ
1
2
n
n
,0
2
2
Лидарная система для контроля интенсивности турбулентности в атмосфере состоит из приемопередатчика, блока регистрации эхо-сигналов и компьютера. Трасса зондирования лидара имеет горизонтальный участок и вертикальный участок. Лидаром производится зондирование атмосферы в вертикальном направлении. Принимаемые приемопередатчиком эхо-сигналы 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 эхо-сигналов основного  и дополнительного  приемных каналов, где z - дистанция от лидара, из блока регистрации передается в компьютер. Время накопления эхо-сигналов в каждом цикле измерений составляет 1 мин. В компьютере вычисляется фактор  влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму: . Вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления согласно алгоритму ( Эвристический подход к определению структурной характеристики  из лидарных данных. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. №03. С.195-204. DOI: 10.15372/AOO20220304): , где:  - значение структурной характеристики у поверхности земли, определяемое из измерений трассового измерителя;  - радиус приемо-передающей апертуры лидара;  - волновое число;- длина волны;  - масштаб Френеля.
C
I
L
n
2
Трассовый измеритель структурной характеристики  состоит из маломощного непрерывного лазера и приемника. Трасса измерителя располагается рядом с горизонтальным участком трассы турбулентного лидара. Непрерывное излучение лазера распространяется в турбулентной атмосфере, приемник трассового измерителя регистрирует интенсивность света  в виде электрических сигналов, которые фильтруются, оцифровываются и передаются в компьютер. Далее вычисляется относительная дисперсия флуктуаций интенсивности света согласно алгоритма: , где  - среднее значение интенсивности света. Затем вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления согласно алгоритму (формула Рытова): , где  - длина трассы.
C
C
C
L
n
n
n
2
2
2
На фиг.1 показана схема зондирования турбулентным лидаром совместно с работой трассового измерителя структурной характеристики . Приемопередатчик лидара и лазер трассового измерителя располагаются рядом. Также рядом располагаются плоское поворотное зеркало, которое направляет лидарную трассу вертикально вверх, и приемник трассового измерителя . Горизонтальный участок трассы лидара и расстояние между лазером и приемником трассового измерителя структурной характеристики  равны величине , которая может быть от 100 до 500 м.
L
C
I
L
C
L
C
C
(z)
n
n
,0
n
,0
n
2
2
2
2
2
Принцип работы турбулентного лидара основан на эффекте увеличения обратного рассеяния (УОР). Лидарная трасса имеет горизонтальный участок , размер которого совпадает с длиной пути трассового измерителя структурной характеристики . Трассовый измеритель производит регистрацию и накопление серии электрических сигналов, пропорциональных интенсивности лазерного излучения , прошедшего турбулентную трассу длиной . Электрические сигналы во времени изменяются случайным образом, причем, дисперсия отклонений сигналов пропорциональна интенсивности турбулентности. Результатом работы трассового измерителя является относительная дисперсия флуктуаций интенсивности β, из которой определяется интенсивность оптической турбулентности в виде характеристики  у поверхности земли на трассе . Турбулентный лидар и трассовый измеритель работают синхронно. Параметр , полученный из данных трассового измерителя, используется в качестве входного параметра для определения высотного профиля структурной характеристики  из лидарных данных.
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.