Способ определения вертикального профиля интенсивности оптической турбулентности в атмосфере

Изобретение относится к области метеорологии и физики атмосферы и может быть использовано для определения вертикального профиля интенсивности оптической турбулентности в атмосфере. Сущность: выполняют зондирование атмосферы с использованием лидара, работающего на эффекте усиления обратного рассеяния, и трассового измерителя. При этом система лидара состоит из лидара, приемопередатчика эхо-сигналов, блока регистрации эхо-сигналов и компьютера. Трассовый измеритель состоит из маломощного непрерывного лазера и приемника. Трасса зондирования лидара имеет горизонтальный участок, равный длине базы трассового измерителя, располагающийся между лидаром и плоским поворотным зеркалом, и вертикальный участок, простирающийся вверх от поворотного зеркала. Трассу измерителя располагают рядом с горизонтальным участком трассы лидара. Посредством лидара зондируют атмосферу в вертикальном направлении. Принимаемые приемопередатчиком лидара эхо-сигналы в виде фотоэлектрических импульсов поступают в блок регистрации. В блоке регистрации сигналы анализируют с помощью дискриминатора, а затем преобразуют в сигналы TTL-уровня, которые поступают на счетчик фотонов. В счетчике фотонов накапливают сигналы вдоль всей трассы зондирования. Накопленную информации о пространственном распределении эхо-сигналов основного и дополнительного приемных каналов из блока регистрации передают в компьютер. В компьютере вычисляется фактор влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике. Непрерывное излучение лазера распространяют в турбулентную атмосферу и с помощью приемника трассового измерителя регистрируют интенсивность света в виде электрических сигналов. Зарегистрированные сигналы фильтруют, оцифровывают и передают в компьютер, где вычисляется относительная дисперсия флуктуаций интенсивности света. Затем вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления по формуле Рытова и определяют вертикальный профиль интенсивности оптической турбулентности в атмосфере. Технический результат: определение вертикального профиля интенсивности оптической турбулентности в атмосфере. 1 ил.

 

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.

Основным параметром, характеризующим интенсивность оптической турбулентности в атмосфере, является структурная характеристика показателя преломления C_n².

Известен акустический способ определения структурной характеристики температуры C_T², из которой можно определить C_n². 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.

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_n², т.к. способ DIMM является интегральным.

Известен усовершенствованный способ MASS-DIMM (MASS - Multi Aperture Scintillation Sensor), в котором DIMM прибор дополняется кольцевыми апертурами для измерения вертикального распределения характеристики C_n² (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.

Известен способ определения высотного профиля C_n²(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.

Известен способ определения высотного профиля C_n²(z) методом триангуляции, когда по двойной звезде производится измерение кросс-корреляционной 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.

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 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_n².

Техническим результатом заявляемого изобретения является определение вертикального профиля структурной характеристики показателя преломления C_n².

Технический результат изобретения достигается использованием трассового измерителя структурной постоянной коэффициента преломления C_n², 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 C_n², 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 C_n² 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 (Разенков И.А. Эвристический подход к определению структурной характеристики C_n² 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.

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 // 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.

Достижение технического результата в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет применения турбулентного лидара, трассового измерителя структурной постоянной коэффициента преломления C_n² и специализированной обработке получаемой информации в реальном времени.

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 P₁(z) и дополнительного P₂(z) 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 q(z) влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму: . Вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления согласно алгоритму (Разенков И.А. Эвристический подход к определению структурной характеристики C_n² из лидарных данных. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. №03. С.195-204. DOI: 10.15372/AOO20220304): , где: C_n,0² - значение структурной характеристики у поверхности земли, определяемое из измерений трассового измерителя; R - радиус приемо-передающей апертуры лидара; - волновое число; λ - длина волны; - масштаб Френеля.

Трассовый измеритель структурной характеристики C_n² 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 I 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 L - длина трассы.

На фиг.1 показана схема зондирования турбулентным лидаром совместно с работой трассового измерителя структурной характеристики C_n². Приемопередатчик лидара и лазер трассового измерителя располагаются рядом. Также рядом располагаются плоское поворотное зеркало, которое направляет лидарную трассу вертикально вверх, и приемник трассового измерителя C_n². Горизонтальный участок трассы лидара и расстояние между лазером и приемником трассового измерителя структурной характеристики C_n² равны величине L, которая может быть от 100 до 500 м.

Принцип работы турбулентного лидара основан на эффекте увеличения обратного рассеяния (УОР). Лидарная трасса имеет горизонтальный участок L, размер которого совпадает с длиной пути трассового измерителя структурной характеристики C_n². Трассовый измеритель производит регистрацию и накопление серии электрических сигналов, пропорциональных интенсивности лазерного излучения I, прошедшего турбулентную трассу длиной L. Электрические сигналы во времени изменяются случайным образом, причем, дисперсия отклонений сигналов пропорциональна интенсивности турбулентности. Результатом работы трассового измерителя является относительная дисперсия флуктуаций интенсивности β², из которой определяется интенсивность оптической турбулентности в виде характеристики C_n,0² у поверхности земли на трассе L. Турбулентный лидар и трассовый измеритель работают синхронно. Параметр C_n,0², полученный из данных трассового измерителя, используется в качестве входного параметра для определения высотного профиля структурной характеристики C_n²(z) 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.

Способ определения вертикального профиля интенсивности оптической турбулентности в атмосфере, осуществляемый лидаром, основанным на эффекте усиления обратного рассеяния, трассовым измерителем, состоящим из маломощного непрерывного лазера и приемника, трасса зондирования лидара имеет горизонтальный участок, равный по величине длине базы L трассового измерителя, горизонтальный участок располагается между лидаром и плоским поворотным зеркалом, которое направляет лидарную трассу зондирования вертикально вверх, лидар производит 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, которые поступают на счетчик фотонов, где производится накопление сигналов вдоль всей трассы зондирования, накопленная информация о пространственном распределении эхо-сигналов основного и дополнительного приемных каналов из блока регистрации передается в компьютер, где вычисляется фактор влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике, трасса измерителя располагается рядом с горизонтальным участком трассы турбулентного лидара, приемник трассового измерителя регистрирует интенсивность света I в виде электрических сигналов, которые фильтруются, оцифровываются и передаются в компьютер, вычисляется относительная дисперсия флуктуаций интенсивности света согласно алгоритму , далее вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления согласно алгоритму , где - волновое число, - длина волны, значение структурной характеристики является входным параметром в алгоритм восстановления высотного профиля структурной характеристики из лидарных данных.