Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы
Работы по оптической связи и локации с использованием лазеров стимулировали детальные исследования чувствительности оптических приемников и исследования по распространению световых пучков в статистически неоднородных средах. Интересные перспективы разработки дистанционных методов открылись с применением лазеров для исследования физических процессов протекающих в атмосфере, для решения проблемы прогноза погоды и т.д.. Эффективность лазерных систем принципиально ограничивается влиянием флуктуации поля в точке приема, обусловленных неоднородностьd показателя преломления атмосферы, и флуктуацией сигналов и шумов в приемном тракте. Поэтому для оптимизации и определения эффективности лазерных систем необходимо изучение флуктуации лазерного излучения и шумов, целью которого является построение их статистической модели.
Распределение вероятностей фотсотсчетов (РВФ) является исходной характеристикой для построения статистической модели лазерного излучения прошедшего или рассеянного в атмосфере. Анализ литературных данных показывает, что при исследовании статистических свойств фотоэлектронов необходимо учитывать спектральные особенности флуктуации лазерного излучения в плоскости приема и его сложную структуру, обусловленную наличием различных механизмов воздействия неоднородной среды на излучение. В большинстве случаев работы лазерных систем, в силу выполнения условий центральной предельной теоремы, поле в плоскости приемника имеет гауссовское распределение. Распределение фотоотсчетов для этого случая достаточно подробно изучено.
В некоторых важных с практической точки зрения случаях работы лазерных систем, распределение поля в плоскости приема существенно негауссовское. Например, при прямолинейном распространении, при многократном или малочастйчном рассеянии и пр., в силу не применимости по тем или иным причинам центральной предельной
теоремы, распределение поля значительно отличается от гауссовского. В этом случае известны лишь отдельные результаты в асимптотиках Т » t , S » S и Т « і , S « S , где S и S -
площади аппертуры и когерентности поля, Т и tc - времена отбора и корреляции интенсивности.
В обширной зоне между этиии асимптотиками задача определения РВФ и его моментов не поддается теоретическому решению. При экспериментальном решении задача описания распределения фотоотсчетов наталкивается на значительные сложности технического характера. Так быстротечность процессов происходящих в атмосфере (неравномерное прогревание воздуха у поверхности земли в течение дня, изменение скорости и направления ветра и др.) и необходимость обработки больших массивов чисел для получения достоверной статистической информации требукгг применения дорогостоящей, быстродействующей аппаратуры. В дополнение к сказанному, большая нестационарность состояния атмосферы усложняет воспроизводимость экспериментальных результатов и накладывает жесткое ограничение на продолжительность эксперимента.
Цель диссертационной работы и основные задачи
Основной целью настоящей работы является лабораторно -экспериментальное исследование РВФ лазерного излучения прошедшего неоднородную турбулентную среду при Т в ас,' нахождение приближенных выражений описывающих РВФ и распределение интенсивности в условиях максимально приближенных натурным атмосферным.экспериментам. Идея эксперимента состояла в том, что создав условияf интенсивной турбулизации воздуха, исключающее гауссовость поля на короткой лабораторной трассе распространения, обеспечив стационарность условий и контроль основных параметров в степени недоступной для натурно-атмосферного эксперимента, определить основные черты статистики потока фотоэлектронов и дать результатам теоретическую интерпретацию. На заключительном этапе исследований планировалось проведение натурных экспериментов в реальной атмосферной оптической трассе с целью определения возможности применения полученных результатов для локации и
зондиропания атмосферы. В связи с этим были поставлены следуют.;.о задачи:
-
Разработка и создание автоматизированной установки для изучения статистических характеристик лазерного излучения и исследование ее основных передаточных характеристик при регистрации оптического излучения в режиме счета фотонов.
-
Экспериментально изучить зависимость распределения вероятностей фотоотсчетов от времени отбора ПОИ Т 2 'Т., исследовать зависимость коэффициента корреляции от времени и определить время корреляции интенсивности лазерного излучения прошедшего турбулентную среду.
3. Путем обратного преобразования Лапласа из
экспериментальных РЕО установит» характер поведения плотности
вероятности распределения интегральной интенсивности при Т » т. и
дать результатам теоретическую интерпретацию.
4. Экспериментально исследовать PBS лазерного излучения
прошедшего турбулентную атмосферу при Т з іг и выявить характер
влияния на РВФ модуляции исходного излучения при Т з іе и tm з т.,
где tm - период модуляции. .
Научная и практическая ценность работы
Результаты исследований, описанных в данной работе могут быть использованы при проектировании лазерных систем работающих в реальных атмосферных условиях. Законы распределений интенсивности и интегральной интенсивности детектируемой за время отбора, а также распределения фотоотсчетов при Тэт негауссового поля и результаты исследований влияния модуляции на статистику фотоотсчетов будут полезными при завершении работ по разработке статистической теории лазерной связи, локации и лидарного зондирования атмосферы. Результаты работы могут быть непосредственно использованы:
при лагерном зондировании атмосферы;
в системах лазерной связи и локации работающих в реальных атмосферных условиях.
_ 6 -
Научная новизна работы
-
На основании экспериментальны): .исследований и численных расчетов, впервые установлено, что закон распределения интегральной интенсивности лазерного излучения прошедшего турбулентную среду не зависит от времени отбора при 10 сС10~^с. Предложенная модификация логноркального распределения хорошо описывает распределение интегральной интенсивности в вироком диапазоне Бремен от-осра, включая Т«тс.
-
Для оптического излучения с негауссовской статистикой поля при временах отбора, сравнимых со временем'корреляции интенсивности, установлено завышеннссть и объяснен механизм завышения коэффициентов асимметрии и эксцесса распределения фотоотсчетов, получаемых на основании приближенных вычислений по сравнению с экспериментальными результатами.
-
С использованием метода Монте-Карло разработан алгоритм моделирования потока фотоэлектронов С заданной статистикой поля излучения. Разработанный алгоритм позволяет учитывать эффекты интегрирования интенсивности ва вреыя отбора и влияние "мертвого времени" приемного устройства на статистику фотоотсчетов.
-
Предложена новая методика проведения экспериментальных исследований по статистике фотоотсчетов при слабых и сверхслабых ин-тенсивностях регистрируемого излучения, отличающаяся от существующей возможностью уменьшения влияния отношения сигнал/шум на точность исследований характера распределения фотостечетов.
б. Экспериментально изучено влияние модуляции исходного излучения периодическими сигналами на статистику фооотсчетов лазерного излучения прошедшего турбулентную атмосферу при времанах отбора и периоде модуляции -сравнимых со временем корреляции интенсивности.
_ 7 -
