Способ измерения фокусного расстояния рефракционных каналов

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ РЕФРАКЦИОННЫХ КАНАЛОВ, включающий зондирова ние излучением рефракционного канала пой углом V 2 -f , где а. при ом ом ом :ширина рефракционного канала; L расстояние от источника зондирующего излучения до приемника;f - расстояние от источника зондирующего излучения до оси канала, регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного расстояния F рефракционного канала, отличающийс я тем,что, с целью увеличения точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала, зондирование осуществляют тепловым некогерентным i . излучением, регистрируют среднюю кривизну волнового фронта зондирую (Л щего излучения, а фокусное расстояние рефракционного канала определяют из соотношения S - JrCth(L/F). г

C0IO3 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

716 A (19) (11) (51) 4 G 01 N 21/41

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

@С .:-„„„„

ollMcAHHE изоьряткни ", К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«:.7)», 1) S = — — cth(L/F).

F (21) 3667984/24-25 (22) 29.11.83 (46) 30.12.86. Бюл. № 48 (71) Институт оптики атмосферы

СО АН СССР (72) М.С. Беленький, И.П. Лукин и В.Л. Миронов (53) 535.24(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N- 516130, кл. Н 01 $ 3/00, 1976.

Арманд С.А., Бисярин В.П., Ефременко В.В.; Колосов М.А., КорниловЛ,Н.

Изучение рефракционных свойств зоны просветления водно-капельного аэрозоля посредством бокового просвечивания зондирующим лазерным пучком.

Изв.вузов. - "Радиофизика", 1981, т. 24, № 5, с. 556-564. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОКУСНОГО

РАССТОЯНИЯ РЕФРАКЦИОННЫХ КАНАЛОВ, включающий зондирование излучением рефракционного канала под углом а„ вЂ” 2- при Р«а,„, где а„ ширина рефракционного канала; Ь— расстояние от источника зондирующего излучения до приемника;1 — расстояние от источника зондирующего излучения до оси канала, регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного расстояния F рефракционного канала, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала, зондирование осуществляют тепловым некогерентным излучением, регистрируют среднюю кривизну волнового фронта зондирующего излучения, а фокусное расстояние рефракционного канала определяют из соотношения

116371

27е

55 где d — диаметр пучка мощного оптим" ческого излучения; — изменение диэлектрической проницаемости канала. 20

Известен способ определения угловой расходимости пучка путем регистрации распределения интенсивности в двух поперечных сечениях пучка.

Недостатком известного способа яв- 25 ляется невозможность измерения расходимости излучения большой мощности, что обусловлено разрушением оптических элементов, помещенных в мощный пучок. 30

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ измерения фокусного расстояния рефракционных каналов, включающий зондирование излучением рефракционного канала под углом = 2 — ш при а

Ь аом

I где а,„ — ширина канала; 40 — длина трассы зондирующего излучения к .оси канала; — расстояние от источника ом зондирующего излучения до оси канала, 45 регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного. расстояния Р рефракционного канула.

При регистрации определяют рефракционное смещение энергетического центра зондирующего излучения.

Однако положение энергетического центра лазерного пучка зависит не только от Фокусного расстояния реф-. ракционного канала, но также от турбулентного состояния атмосферы. В турбулентной атмосфере случайные смещения энергетического центра пучИзобретение относится к области измерения параметров оптического излучения, в частности рефракционных каналов, возникающих при прохождении через атмосферу мсшного оптического излучения, и может быть использовано для дистанционного определения фокусного расстояния рефракционного канала, образованного в атмосфере при распространении через нее лазерного из- 10 лучения большой мощности. Под фокусным расстоянием рефракционного канала понимают величину

6 2 ка могут на несколько порядков превышать рефракционное смещение, т.е. измерения в таких условиях будут невозможны. В реальных условиях атмосферы на трассе длиной L > 10 м ошибка, вносимая турбулентностью, всегда будет значительной.

Целью изобретения является увеличение точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала.

Поставленная цель достигается тем, что, как и в известном способе,включающем зондирование рефракционного канала излучением под углом

1р= 2а /1 приp = а, где а „ — ширина рефракционного канала

У

L - paqcToaHHe от источника зондирующего излучения до приемника; — расстояние от источника зоном дирующего излучения до оси канала, регистрацию параметров прошедшего канал излучения и определение по результатам регистрации фокусного расстояния F рефракционного канала, зон,дирование осуществляют тепловым некогерентным излучением, регистрируют среднюю кривизну волнового фронта

S зондирующего излучения, а фокусное расстояние рефракционного канала определяют из соотношения

S = — — с к(-),.

1 L

F F

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего данный способ при использовании специального источника теплового излучения; на фиг. 2 - блок-схема устройства, использующего в качестве источника теплового излучения выходное зеркало мощного лазера, создающего рефракционный канал в атмосфере.

Если используется специальный источник теплового излучения, то способ осуществляют следующим образом. Тепловое излучение от источника 1 под. небольшим углом ч к оси рефракционного канала 2, созданного излучением мощного лазера 3 на СО, посыпают в атмосферу и принимают после выхода из канала линзой 4, положение иэображения источника теплового излучения в области изображения линзы определяют при помощи диафрагмы 5 и приемника

3 11637

6, а по нему судят о средней кривизне волнового фронта и, следовательно,о фокусном расстоянии рефракционного канала., В том случае, когда используется тепловое излучение выходного зер-5 кала мощного лазера (см.фиг.2), способ осуществляется следующим образом.

Тепловое излучение от выходного зеркала 7 лазера 8 на СО принимают линзой 9, расположенной вблизи от края tO рефракционного канала 10 так, что оптическая ось линзы наклонена под не1, большим углом М = — (к оси ректифика1 2 онного канала, диафрагма 11 и приемник 12 фиксируют положение иэображения выходного зеркала, а по нему судят о фокусном расстоянии рефракцион)ного канала.

Изобретение основано на зависимос-20 ти средней кривизны волнового фронта теплового излучения (фазовая часть функции взаимной когерентности второго порядка) от флуктуаций диэлектрической проницаемости (показателя пре-25 ломления) среды канала и однозначной связи с фокусным расстоянием рефракционного канала соотношением (1).

Для теплового излучения средняя кривизна волнового фронта не зависит 30 от характеристик случайных неоднородностей среды..Распространение зондирующего пучка в параксиальной области рефракционного канала описывается параболическим уравнением "квазиоп35 тики

16 атмосферного воздуха; — продольная, а р =1(у, z3поперечная координаты.

На основе уравнения (2) можно получить уравнение для функции взаимной когерентности второго порядка

2 (x p, p ) ex < E(x, p ) E*(x, р,)>2

-А(Р, — p, )) — —, (Р— P) ГЪ(Xý,p,p)ex

Оа где A(P) xx 2ЛЦ d ХФ. (X)exp(iXP ); Р (ЗЕ)- спектральная плотность флуктуаций диэлектрической проницаемости среды.

Влияние случайных неоднородностей среды учитывают в безаберрационном приближении, т.е. считают, что — (А(0) — A(P) j D P, )2 где D = 0,68(C2) К х

С вЂ” структурный. параметр атм.)сферной турбулентности.

Функцию взаимной когерентности второго порядка частотно-разнесенных волн в плоскости источника задают в виде 2 (0 p P, p P2) Е а

iK о (4) где К = 26/А, у2 ("),.

4Я

55 (х,р ) 2ik . " p + ь,E(x, р)+К2 f. (х,р)*

«Е (х,р): — K2 — Е(х,P) = 0 (2) длина волны излучения в вакууме; фокусное расстояние рефракционного канала (F ) 0 — фокусирующий канал;

F2 0 — дефокусирующий канал); изменение средней диэлектрической проницаемости воздуха с изменением температуры; флуктуационная часть диэлектрической проницаемости где Š— начальная амплитуда пучка; а, — начальная ширина зондирующего пучка; — радиус кривизны волнового фронта в центре излучающей. апертуры; — радиус когерентности источника.

Решение уравнения (3) с начальным условием (4) выражают в параметрической форме

Г (х, P, P )=Е ((x) exp (-е (х)-е — ее е — S(x)(P, -P,)- е(х) — -;- — ) (5) где g(х), S(x) и <(x) — неизвестные функции с на1163716 б

1 L

S = — — cth(— ) р р

40

55 чальными условиями:

g(o) = 1, s(o) = —,, Ro

Ч(0) = 1.

Функция S(z) имеет смысл кривизны среднего волнового фронта

S(z)= — — {(ch(E)- ash(E )) +

1 2

+ E, Я (.1+4 — ф=) sh (g) +Н()(Я D(a,))л к (сЬ() — sh(f )! (sh (g)- сЬ())+

+ф, g (1-4.—;) ° ch(g) sh(g) +

+ И() <- D(a,)) у Р Ка где (= â€ Р = — Я, = D(a )

FÓ . .В О х У а

О

=Dxa2, а <рункции Н() и M(g) — комбинации ch(() и sh(g) (иэ-за их громоздкости здесь не приводятся). Из анализа формулы (6) следует, что средняя кривизна волнового фронта теплового излучения(р - О) определяется выражением

1 imS (x) = — — - — - = — — cth (T)

1 ch(e,) 1 х яЩ) F т.е. не зависит от характеристик случайных неоднородностей среды.

Отметим, что при L F cth(L/F):Ì1

1 и следовательно 8 = — — а так

Э э у как для рефракционных каналов, создаваемых в приземном слое атмосферы современными мощными лазерами, можно ожидать значений F, 102 — 10 м, то длину трассы для зондирующего излучения следует выбирать из условия L 10 — 10 м. Что касается с средней кривизны волнового фронта лазерного излучения, то она сильно зависит от случайных неоднородностей среды канала (возможно различие в 2-3 раза) и, значит, измерения фокусного расстояния рефракционного канала будет сопровождаться большими ошибками (даже более 1007), Если источником излучения большой мощности, создающего рефракционный канал в атмосфере, служит лазер с металлическими зеркалами, то в качестве источника теплового излучения можно использовать выходное зеркало мощного лазера.

В примере конкретной реализации способа используются следующие приборы: электрическая лампа накаливания мощностью 25 Вт, лазер 3 на С02 мощ ностью 100 Вт, линзы 4 и 9 с фокусным расстоянием 10 м, ФЭУ 6 и 12, лазер

8 на С02 с мощностью 10З Вт.

Если Ч= О и P,„ = =О, источник теплового излучения и приемное устройство находятся на оси рефракционного канала, то это невозможно реализовать практически, так как излучение большой мощности, создающее канал, разрушает устройства, помещенные на его пути. В случае, когда Ч = 2а „/L, — а,„, источник теплового излучения ом и приемное устройство находятся максимально близко к каналу, но вне его, а измеряемая величина — средняя кривизна волнового фронта — определяется соотношением т.е. для измерения реализуются максимально благоприятные условия. В третьем случае, когда > 2a „ /L, p, а, зондирующее излучение пронизывает рефракционный канал под большим углом, что приводит к уменьшению эффекта (пропорционально уменьшению длины участка трассы распространения зондирующего излучения, проходящего в канале) и к искажению информации об искомом параметре — фокусном расстоянии канала, так как в этом случае в формулу для средней кривизны волнового фронта будет входить эффективное фокусное расстояние канала

Ф -Р.„-(, ч „,й) а. „

F=Fe где R — - координата точки наблюдения;

n — единичный вектор проекции нормали (задает направление наклона передающей апертуры).

В том случае, когда Ч- — длина

Т1 участка трассы, проходящего в канале, будет равна диаметру канала (т.е.

2а, = 10 — 1 м), а эффективное значение фокусного расстояния канала будет равно бесконечности.

Увеличение точности измерения фокусного расстояния рефракционного канала достигается в предлагаемом способе по сравнению со способом, описанном в прототипе, по следующим причинам. Погрешность определения фокусного расстояния канала в известном способе определяется точностью измерения рефракционного смещения

11637

D (Кi ) - C R ) !! ь Е AR Б

Е 10-2 — 1О, F В.

Редактор О. Кузнецова

Техред .Л.Сердюкова

Корректор M. -Самборская

Заказ 7142/4 Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )K-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Пв !изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 энергетического центра зондирующего лазерного пучка, которая зависит от величины дисперсии случайных смещений энергетического центра зондирующего лазерного пучка в случайно-неоднород- 5 ной среде, которой является реальная

c.. атмосфера. Известно, что дисперсия смещения энергетического центра коллимированного зондирующего лазерного пучка в турбулентной атмосфере имеет 10 вид

0,ОЗЗ! Г(- )

326 к- у а- . l где С вЂ” структурный параметр атмо сферной турбулентности (изменяется от

1p м "гдо 10" м " ). Для трассы протяженностью в несколько километров

Dq 10 - 10, а @К ° 10 -10

Так как величина рефракционногб сме щения энергетического центра эондиру- 25 ющего лазерного пучка может ожидаться

-! ,в пределах 10 — 10 м, то для погрешности определения фокусного расстояния рефракционного канала можно дать следующую оценку 30

16 8 т.е. ошибка может (в зависимости от состояния атмосферы) колебаться от

1 до 10007. Кроме того, в ошибку даст вклад приборная погрешность измерения положения энергетического центра зондирующего пучка, которую можно оценить в 107.

В предлагаемом способе точность .измерения фокусного расстояния рефракционного канала определяется точностью измерения смещения изображения теплового источника относительно фокальной плоскости приемной линзы

1, т ° е. ьР а1 .. F 1

При современном уровне развития тех- ники оптических измерений обычно ре-

41 ализуется точность — 1ОЕ.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известным является использование вместо дорогостоящего и сложного в настройке лазера простого теплового источника (например электрической лампы накаливания), а во втором варианте можно вообще обойтись без специально устанавливаемого источника зондирующего излучения, что упрощает процесс проведения измерений и делает устройство, реализующего данный способ,более мобильным и надежным. !