Введение к работе
Актуальность темы. Настоящая диссертация посвящена экспери-іентальному исследованию статистических характеристик флуктуации нтенсивности лазерных пучков, распространяющихся в приземном слое тмосферы во время выпадения осадков.
Актуальность темы определяется теп, что несмотря на потребнэ-ти практики в использовании лазерных систем в условиях реальной тиосферы, в тем числе при выпадении осадксЕ, в научной литерату-е отсутствовали достаточно надежные и сколькс-нкбудь полные эк- перименталькые данные по влиянию осадков на флуктуационные харак-еристики лазерного сигнала. С целью оценки максимального действия тмосферы на принимаемый сигнал в работе изучаются характеристики луктуаций интенсивности лазерные пучков т.е. прием излучения про-одится приемником малого размера.
Состояние вопроса. Характерно, что экспериментальные и теоре-ические работы по обсуждаемому вопросу проводились одновременно, эаимно обогащая друг друга. 3 начале в работах Йокота Кэньэти и га Коити; Кабанова и ихалагова было установлено, что флуктуации ітическої о излучения, распространяющегося ватмосферных осадках, э своим характеристикам и своей природе во многом отличаются от 1К0ЕЫХ в.турбулентной аэрозольной атмосфере. Затем в работе Гур-та. и Покасова было показано, что спектр флуктуации интенсивно-ги лазерного излучения в слабом морссядем дожде имеет низкоча-готный (турбулентный) и высокочастотный (гидрометеорный) максиму-і.
Все это вместе с требованиями практики послужило стимулом к ізработке принципиальных основ теории флуктуации лазерного излу-;ния в осадках, которая учитывала бы совокупное действие частиц :адков и турбулентности атмосферы. Теоретический базой здесь по-іужили подходы хорошо развитые как для чисто турбулентной атмо-^еры, так и чисто рассеивающей среды. Исследования Борового, шга, Исимару, Крутикова, Лукина, Рогачевского, Тузовой позволили таественно продишуться в этом вопросе и получить некоторые к-он-)етные данные о флуктуациях интенсивности для чисто рассеиоаюцей )еды, которые частично подтверждены в измерениях в дождях (Ванг др.; Горячев и др.; Патрушев и Петров). Насколько эти реэудьта-применимы для твердых осадков {снег, град, крупа и др.), форма стиц которых сильно отличается от сферы, теоретически не г.ссле-вано, а эксперименты в этих осадках до сих пор весьма малечие-
ленны.
Влияние турбулентной аэрозольной атмосферы (без осадков) на лазерный пучок хорошо изучено и его можно определить при известных характеристиках пучка и турбулентности атмосферы. Однако последние в осадках обычно не известны и оа^ не удается сделать. Более того, до сих пор отсутствуют методики измерения характеристик турбулентности в осадках. Кроме того, теория предсказывает существование влияния параметров лазерного пучка и микрофиэических характеристик частиц на-статистику флуктуации, но эта важнейшая часть задачи для лазерных пучков фактически совсем экспериментально не исследована.
Целью диссертационной' работы является экспериментальное исследование статистических характеристик флуктуации интенсивности лазерного пучка на приземных трассах в снегопаде и дожде в зависимости от параметров пучка и атмосферных условий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые экспериментально получены статистические характеристики флуктуации интенсивности на приземных трассах длиной до двух километров во время выпадения снега.
-
Предложены новые способы и технические решения для измерения характеристик атмосферы во время выпадения осадков.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
использованием при формулировании основных выводов большого набора экспериментальных данных;
качественным соответствием результатов эксперимента с теоретическими расчетами-и экспериментами других авторов.
Научное и практическое значение результатов работы. Получен
ные в диссертации результаты позволяют провести-проверку соответ
ствующих теоретических работ. Они могут быть использованы для
оценки атмосферных помех во всепогодных лазерных системах, а так
же при разработке устройств для оперативного контроля состояния
атмосферы. „
Основные защищаемые положения; І. В узком расходящемся пучке при выпадении снега уровень, флуктуации интенсивности ( ( ) с увеличением оптической толщи (?) вначале растет, а затем стремится к величине (Ои ), зависящей от максимального размера частиц ( Dm^. ііриТ= 0.6 + 4.0 уровень флуктуация описывается зависимостью ^ = G^[I - ехр (-20^*7 )J , где <ЭН = 0,9 при "3)т = 3-5 мм и Єн = 0,75 при 3V, = 1-3 мм.
2. ири слабых флуктуациях в снегопаде гидрометеорный вклад
( Ч: ) в дисперсию флуктуации интенсивности уменьшается, а турбулентный- вклад увеличивается с усилением фокусировки пучка в плоскость приема. Гидрометеорный-вклад также уменьшается при уменьшении дифракционного параметра пучка ( Si ). При оптической толще
Т = 0,4 *0,5, максимальном размере частиц^^ 0,5 см и SI = = 2,4 + 30 гидрометеорный вклад описывается зависимостью ( >= --0.07 +0.37 ggQ .
-
Частота гидроиетеорного максимума во временном спектре флуктуации интенсивности варьирует от 0.1 до 1.6 кГц и определяется отношением скорости движения частиц к их характерному размеру. Высокочастотный участок нормированного спектра (Щ-J-)) в дожде, крупе и влажном снеге спадает по степенной (IL(J-) "AJ- ), а в сухом снегопаде - по экспоненциальной ( Li(f) «= В exp i-frj- )) зависимостям.
-
.Существенные различия свойств .флуктуации интенсивности прямого и рассеянного излучения в осадках и без- них дают возможность определения оптических параметров атмосферы путем измерения характеристик отих флуктуации, что использовано в зарегистрированных изобретениях.
Использование результатов работы. Приведенные в диссертации результаты могут быть полезными при разработке оптических систем, работающих в атмосфере, и-лазерной техники, предназначенной для контроля технологических процессов в двухфазных средах. Они могут быть использованы, например, в Институте оптики атмосферы РАН, в Институте физики атмосферы РАН, Главной геофизической обсерватории и других..
Аппробация работы. Результаты-работы докладывались и обсуждались на П - ІУ, УІ Всесоюзных симпозиумах по распространению- лазерного излучения в атмосфере "(Томе*, 1973, 1975, 1979, 1977,1981),. на ХП Всесоюзной ь:окфереііцки по распространению радиоволн' (Томск, 1978), на У Всесоюзном симпозиуме по лазерном!' и акустическом/ ' зондированию атмосферы (Томск, І978), на I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (Томск, І975),на П Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в--дисперсной среде (Обнинск,Г98ІУ, на XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1991), а также на научных семинарах Института оптики атмосферы РАН (Томск).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литерату ры. Работа содержит 129 страниц машинописного Текста. Она иллюстр; рована 76 рисунками, представленными на71 странице. В работе имев' ся 17 таблиц. Они занимают 26 страниц. Список используемой литературы содержит 152 наименования.
