Введение к работе
Актуальность темы
Исследование распространения оптического излучения в турбулентной атмосфере ведется уже более половины столетия, опубликованы тысячи статей и десятки монографий. Столь значительный интерес обусловлен широким спектром прикладных задач, в которых используется либо собственно излучение (передача энергии по беспроводному каналу, разработка систем открытой оптической связи, локации, навигации), либо его искажения, обусловленные неоднородностью среды распространения (дистанционное зондирование).
Теоретическая база исследования распространения оптического
(лазерного) излучения на атмосферных трассах во многом создана плеядой
советских ученых. В трудах А.М. Обухова, С.М. Рытова, В.И. Татарского,
Ю.А. Кравцова, А.С. Гурвича, К.С. Гочелашвили, В.И. Шишова,
В.И. Кляцкина, А.И. Кона, В.Л. Миронова, Т.И. Арсеньян, В.Е. Зуева, В.А.
Банаха, В.П. Лукина установлены основные закономерности воздействия
турбулентной среды на распространяющееся излучение и создан
математический аппарат для его описания. Из зарубежных авторов необходимо отметить D.L. Fried, J.W. Strohbehn, S.F. Clifford, A. Ishimaru, J.C.Dainty.
Основное воздействие турбулентные неоднородности оказывают на фазу оптической волны. Разрушение пространственной когерентности ведет, по мере распространения, к нарастанию амплитудных искажений, разрушению структуры пучка и его случайным блужданиям. Идея использования этих эффектов для изучения порождающей их турбулентности не нова. Критически важным при этом оказывается выбор модели турбулентной среды. Основные результаты на сегодняшний день получены в рамках модели развитой локально изотропной турбулентности (Колмогоров А.Н., Обухов А.Н., 1941). Основной величиной, определяющей спектральную мощность флуктуаций плотности в инерционном интервале, является структурная характеристика, связь которой с различными статистическими характеристиками распространяющегося в атмосфере лазерного пучка
(радиус когерентности, дисперсия флуктуаций интенсивности, уширение и др.) была установлена для разных типов пучков.
Несмотря на всю простоту и универсальность модели развитой турбулентности, далеко не всегда можно рассматривать турбулентность в отрыве от причин, ее порождающих. При распространении лазерного излучения на протяженных атмосферных трассах имеет место, как минимум, изменение метеопараметров, в частности скорости ветра, температуры, вдоль трассы. Сама структура турбулентных пульсаций может отличаться на разных ее участках. В этих условиях становится необходимым, с одной стороны, анализ спектрального состава турбулентных неоднородностей, развивающихся в условиях макроскопически неоднородной, движущейся среды, и разработка оптических моделей таких сред. С другой стороны, задача определения параметров среды по флуктуациям просвечивающей волны качественно усложняется и требует развития новых методов и средств измерения.
Быстрое развитие технологий так или иначе связанных с движением тел в атмосфере (транспортные, ракетно-космические и др.) значительно расширяют круг задач, требующих знания особенностей развития турбулентных пульсаций при различных внешних воздействиях самых разных масштабов. Сюда можно отнести как влияние локальных скачков параметров среды при сверхзвуковом движении летательных аппаратов (характерные масштабы – единицы метров), развитие пульсаций в струях реактивных двигателей (единицы-десятки сантиметров), формирование крупномасштабных неоднородностей в стратосфере в условиях вертикальной стратификации (сотни метров – километры). Для этих задач требуется построение моделей турбулентности, отличных от применявшихся при решении классических задач.
Применение известных контактных методов измерения параметров
воздуха сталкивается с заметными трудностями. Так, при малых
пространственных масштабах внешних воздействий, внесение датчиков в
поток может заметно исказить его структуру на сравнимых масштабах, более
того, сам датчик и его крепеж становятся центром турбулизации течения. Для
крупномасштабных колебаний в стратосфере зондовые измерения
оказываются, наоборот, слишком локальными, что не позволяет получать информацию из пространственных областей, сравнимых по размерам с изучаемыми неоднородностями.
Получившие широкое распространение в последнее время методы, основанные на анализе рассеянного лазерного излучения (LDIS, PIV) требуют засева потока частицами примеси, которые, с одной стороны, могут и не вовлекаться в мелкомасштабные турбулентные движения, а, с другой стороны, не всегда в должном количестве попадают в области за препятствием. Широко используемые для визуализации структуры течения
теневые методы (Шлирен-фотография) не позволяют определять
спектральный состав флуктуаций плотности из получаемых изображений, давая информацию лишь об интегральных вдоль оптической трассы характеристиках.
Методы, основанные на просвечивании турбулентных атмосферных потоков, представляются в этом направлении весьма перспективными, поскольку, с одной стороны, не возмущают течение, а с другой – позволяют получать данные из области пространства с контролируемой геометрией. Однако, для неоднородных вдоль трассы условий распространения, экспериментальные оценки профиля параметров турбулентности и скорости ветра требуют привлечения информации как об интенсивности, так и искажениях волнового фронта. Такие измерители, во-первых, достаточно дороги, а, во-вторых, требуют известных усилий при организации измерений.
В общем, можно резюмировать, что как для изучения собственно турбулентности, развивающейся под влиянием внешних воздействий различных масштабов, так и для измерения атмосферных параметров, необходимо создание оптических моделей турбулентных течений разных масштабов и разработка новых методов и средств получения информации о состоянии атмосферы на оптической трассе из статистических характеристик интенсивности просвечивающего излучения.
Цель диссертационной работы
Целью работы является разработка методов и средств волнового зондирования и исследование турбулентных сред, характеризующихся пространственной неоднородностью и анизотропией.
В рамках сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи.
-
Анализ возмущений оптической волны, вызываемых анизотропными крупномасштабными стратосферными неоднородностями.
-
Анализ возможностей определения параметров турбулентности в стратосферном слое из данных затменного эксперимента.
-
Создание оптических моделей турбулентных сверхзвуковых течений, учитывающих сильную пространственную неоднородность их осредненных характеристик.
-
Разработка методов и средств оптического зондирования сверхзвуковых струй. Изучение развития турбулентности в условиях пространственной неоднородности течения.
-
Анализ искажений оптической волны на протяженных атмосферных трассах с изменяющимися вдоль трассы интенсивностью и спектральным составом турбулентности.
-
Разработка методов профилирования поперечного ветра и структурной характеристики показателя преломления на приземной оптической трассе из статистики интенсивности лазерного пучка.
-
Разработка методов и средств измерения бокового ветра по флуктуациям изображений удаленных топографических объектов сложной формы в режиме реального времени.
Методология диссертационного исследования
Проведенные исследования основываются на комплексе методов моделирования распространения оптического излучения в пространственно-неоднородных анизотропных средах, статистического анализа его свойств и решения обратных задач по определению характеристик атмосферной турбулентности из флуктуаций интенсивности просвечивающего излучения.
Положения, выносимые на защиту
-
С увеличением интенсивности оптической турбулентности в одномерных спектрах флуктуаций интенсивности волны, распространяющейся в средах с крупномасштабными анизотропными неоднородностями плотности, формируется широкое плато с постоянным значением спектральной плотности, обрамленное двумя максимумами. Параметризация спектров интенсивности волны позволяет определять параметры пространственного спектра крупномасштабных неоднородностей плотности, формирующихся в атмосфере Земли на высотах 20-70 км.
-
Радиальные зависимости средней плотности, структурной характеристики и спектрального состава турбулентности в аксиально-симметричном сверхзвуковом потоке могут быть рассчитаны из статистических характеристик интенсивности расходящегося лазерного пучка, просвечивающего поток. Ошибки восстановления минимальны вблизи внешней границы течения и нарастают до 15-20% при приближении к его оси.
-
Спектральный состав турбулентности, развивающейся на начальном участке сверхзвуковой недорасширенной струи, описывается степенным законом с показателем, изменяющимся от ~–1 в слаботурбулентных областях до ~–3 в области турбулентного распада течения.
-
Метод лазерного просвечивания позволяет локализовать области возбуждения дискретных акустических тонов в сверхзвуковых струях с пространственным разрешением до 1/10 сечения струи.
5. Установлено, что образом турбулентного участка оптической трассы в
пространственно-временном спектре корреляционной функции
флуктуаций интенсивности лазерного излучения является
гребневидная структура, локализованная вблизи луча с постоянным
значением отношения пространственной и временной частот. Это
позволяет восстанавливать профили поперечной к трассе скорости
ветра вдоль направления распространения из спектров флуктуаций
интенсивности в видеоизображениях поперечных к трассе
распределений интенсивности распространяющегося излучения.
Погрешность восстановления определяется отношением максимальной
скорости ветра на трассе к произведению радиуса первой зоны
Френеля и частоты регистрации кадров.
6. Пассивный оптический измеритель на основе регистрации рядов
центров тяжести бинокулярных видеоизображений удаленных
топографических объектов сложной формы в естественном освещении обеспечивает измерение поперечного ветра в интервале 0.5-15 м/с на трассах длиной до 3 км с ошибкой ~0.5 м/с.
Достоверность
Правомерность первого защищаемого положения подтверждается результатами численных экспериментов. Параметры модели возмущающего слоя вблизи перигея луча задавались в широком диапазоне, обеспечивающем покрытие области возможных значений, соответствующих стратосфере на высотах 20–70 км.
Второе и третье защищаемые положение подтверждается результатами экспериментов по лазерному просвечиванию сверхзвуковых течений. Широкий диапазон параметров струй, обеспечивающий переход к области турбулентного развала как с появлением большого (~10) количества ячеек небольшой длины (1-3 см), так и при наличии 2–3 ячеек значительно большего размера подтверждает универсальность защищаемых результатов.
Четвертое защищаемое положение подтверждается результатами
комплексных экспериментов по параллельной регистрации акустического
шума сверхзвуковых струй и флуктуаций мощности и направлений прихода,
просвечивающего струю лазерного излучения. В экспериментах
обеспечивался минимальный шаг прицельного параметра луча 1 мм, что обеспечивало заявленную точность локализации.
Достоверность пятого защищаемого положения подтверждается результатами как численных экспериментов по замкнутой схеме, так и сопоставлением результатов натурных экспериментов на полигоне БЭК ИОА СО РАН с данными независимых измерителей ветра (акустическая метеостанция, линейка анемометров).
Достоверность шестого защищаемого положения подтверждается результатами полигонных испытаний измерителя как при сопоставлении с результатами независимых измерений различными приборами (акустическая метеостанция, лидар), так и компенсацией бокового сноса пули за счет поправок, сформированных на основе измерений поперечной скорости ветра
во время стрельб на территории Испытательной станции Сибирского филиала ФКУ НПО «СТиС» МВД России. (г. Новосибирск).
Научная новизна
Впервые разработана и экспериментально проверена оптическая модель серхзвуковой аксиально симметричной струи, описывающая трансформацию спектрального состава неоднородностей плотности по мере турбулизации потока. Разработаны и протестированы методики определения параметров модели из данных экспериментов по лазерному просвечиванию сверхзвуковых потоков.
Способ локализации областей возбуждения дискретных акустических
тонов в сверхзвуковой струе по флуктуациям интенсивности
просвечивающего излучения является оригинальным и может быть применен для широкого класса приложений.
На примере трасс с разнесенными источником и приемником впервые
продемонстрирована возможность восстановления профиля ветра из
пространственно-временной статистики турбулентных флуктуаций
интенсивности лазерного излучения на атмосферных трассах. Основанная на
измерениях с использованием высокоскоростной видеокамеры
экспериментальная методика восстановления профилей скорости ветра и структурной характеристики показателя преломления является новой.
Создан действующий макет пассивного оптического измерителя
скорости поперечного ветра, включающий возможности выполнения
профильных измерений ветра из анализа некогерентных изображений
удаленных топографических объектов в режиме реального времени.
Проведены многочисленные численные, модельные и натурные
эксперименты по верификации пассивного метода оценки скорости ветра на различном удалении от наблюдателя. Долговременные атмосферные эксперименты по тестированию макета пассивного оптического измерителя поперечного ветра и созданного программного обеспечения, проведенные с использованием одновременных независимых лидарных данных и данных акустических анемометров на трассах различной протяженности, аналогов не имеют.
Научная ценность результатов работы
В диссертационной работе развиты теория и методы определения
параметров турбулентности на неоднородных трассах из статистики
просвечивающего излучения. Разработанные в диссертации оптические
модели течений и алгоритмы численного моделирования распространения
лазерного излучения в пространственно-неоднородной движущейся
турбулентной среде позволяют проводить детальные теоретические
исследования влияния пространственной структуры течения, изменения
скорости ветра вдоль оптической трассы, других факторов на
пространственно-временную корреляцию интенсивности оптической волны.
Разработанные на основе проведенных в диссертации исследований методы
оценивания ветра, параметров атмосферной турбулентности формируют
научную технологию обработки данных просвечивания турбулентных
потоков в диапазоне масштабов от миллиметров (сверхзвуковые струи) до
десятков километров (анизотропные неоднородности в стратосфере).
Доказана применимость единой анизотропной степенной модели
спектрального состава для описания турбулентности в техногенных и естественных воздушных течениях.
Тематика диссертационной работы включена в планы научно-
исследовательской работы Института оптики атмосферы СО РАН по базовым
бюджетным проектам «Комплексные исследования закономерностей
распространения излучения в случайно-неоднородных средах и разработка на
их основе новых методов измерения параметров атмосферной
турбулентности и метеопараметров атмосферы» (номер государственной
регистрации 01.20.03 02778), «Волновые процессы при взаимодействии
лазерного излучения с компонентами атмосферы» (номер государственной
регистрации 0120.0 406064), «Волновые взаимодействия в атмосферной
оптике» (номер государственной регистрации 01.2.007 04740),
«Распространение мощного лазерного излучения в неоднородных средах»
(номер государственной регистрации 01201051376), «Распространение и
рассеяние лазерного излучения в случайно-неоднородных средах» (номер
государственной регистрации 01201354619), «Распространение лазерного
излучения в атмосфере и волновое зондирование случайных сред» (номер
государственной регистрации АААА-А17-117021310149-4). Она направлена
на выполнение проектов ФЦП «Дистанционные оптические средства и
технологии измерения параметров турбулентных ветровых полей и
техногенных ветровых структур в атмосфере», (2015-2016, Соглашение №
14.616.21.0058 от 11 ноября 2015 г.), «Лидарный комплекс обнаружения
атмосферных турбулентных и ветровых структур, угрожающих
авиабезопасности» (2017, Соглашение № 14.607.21.0151 - уникальный идентификатор RFMEFI60716X0151), междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №63 «Исследование распространения лазерного излучения в сверхзвуковых потоках газа и разработка методов диагностики турбулентных пульсаций», проектов РФФИ № 02-05-64310, 03-05-06137-мас, 06-05-64445, 06-05-96951, 08-08-00315, 09-02-91224-СТ_а, 09-05-00054, 11-08-01059, 15-08-06549, 15-05-04210.
Практическая значимость результатов работы
Алгоритм расчета функции взаимной когерентности пучков сложной формы на неоднородных трассах позволяет многократно ускорить расчет по сравнению с использовавшимися ранее способами, и применим для режима как слабой, так и сильной оптической турбулентности.
Предложенный алгоритм определения параметров спектров
крупномасштабных неоднородностей в стратосферном слое в затменном эксперименте позволяет осуществлять их оценку за один пролет спутника.
Разработанные методы оптического мониторинга сверхзвуковых потоков позволяют локализовать области возбуждения дискретных тонов. Воздействие именно на эти участки течения позволит снизить интенсивность шума струи при минимальном ухудшении ее аэродинамических качеств.
Разработанные программно-аппаратные средства, реализующие
алгоритмы оценки скорости ветра пассивным оптическим способом в режиме реального времени, позволяют производить оперативную коррекцию входных данных при необходимости учета влияния ветра, например, при формировании поправок при прицеливании.
Применение результатов диссертации
Разработанные автором диссертации алгоритмы оценки интегральной
вдоль трассы скорости поперечного ветра по смещениям энергетического
центра тяжести изображений удаленных объектов сложной формы были
использованы при выполнении НИР «Исследование возможностей
восстановления скорости ветра по видеоряду, полученному приборами ОАО «Пеленг» с системой стабилизации поля зрения, а также расчет поперечной к линии визирования скорости ветра». (НПО «Пеленг», договор №16/2017 от 13.10.2017, 2017.
Система регистрации и обработки в режиме реального времени изображений подсвеченного рассеивающего объекта использовалась при выполнении СЧ НИР «Разработка макета прибора для измерения оптических параметров лазерных пучков на базе многоканальных стационарных трассовых фотометров» (ОАО «РКА «Энергия», договор № 783-12/03 от 31 декабря 2013 г.).
Личный вклад автора
Автор самостоятельно разработал алгоритмы восстановления
параметров пространственных спектров неоднородностей показателя
преломления в сверхзвуковых потоках из данных лазерного просвечивания, профиля ветра на приземной трассе по пространственно-временной статистике интенсивности лазерного пучка, другие методы и алгоритмы, представленные в диссертации. Программное обеспечение пассивного оптического измерителя скорости поперечного ветра, обеспечивающее длительный автономный процесс измерения в режиме реального времени разработано автором.
Основными соавторами опубликованных работ являются Банах В.А. Афанасьев А.Л., Ростов А.П., Цвык Р.Ш., Сазанович В.М., Сухарев А.А. Все соавторы согласны с использованием совместных результатов в настоящей диссертационной работе. Так совместно с научным консультантом работы
д.ф.-м.н. В.А. Банахом был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Сотрудники Лаборатории распространения волн ИОА СО РАН к.ф.-м.н. Афанасьев А.Л., к.ф.-м.н. Ростов А.П., к.ф.-м.н. Цвык Р.Ш., к.ф.-м.н. Сазанович В.М., Шестернин А.Н, Гордеев Е.В. оказали необходимую помощь в организации работ, разработке и изготовлении экспериментальных стендов, обработке результатов экспериментов. Совместно с к.ф.-м.н. Сухаревым А.А. были разработано программное обеспечение для расчета параметров оптической модели сверхзвуковых течений, выполнена численные эксперименты по верификации методов восстановления характеристик турбулентности в сверхзвуковых струях.
В постановке и решении задачи определения параметров
стратосферного слоя в затменном эксперименте принимали участие сотрудники ИФА РАН д.ф.-м.н. Гурвич А.С. и д.ф.-м.н. Воробьев В.В. А.С. Гурвич был инициатором совместной работы в этом направлении и, в значительной степени осуществлял общую координацию работ, расчеты пространственных спектров мерцаний звезд и анализ результатов проводились совместно с В.В. Воробьевым и О.В. Федоровой.
Экспериментальные работы по просвечиванию сверхзвуковых потоков выполнялись на аэродинамических трубах Т-326 и Вертикальной струйной установке ИТПМ СО РАН. Сотрудники лаборатории экспериментальной аэрогазодинамики д.ф.-м.н. Запрягаев В.И, к.ф.-м.н. Киселев Н.П. и к.ф.-м.н. Губанов Д.А. оказали значительную помощь в организации экспериментов и принимали участие в анализе полученных результатов.
Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам за поддержку и помощь в выполнении работы.
Апробация результатов
Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
-
Международные симпозиумы «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (2002 – 2017 гг.).
-
International Laser Radar Conference (2008 г., Colorado, USA; 2010 г., Санкт-Петербург)
-
Международные научно-практические конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008–2017 гг.)
-
Всероссийские научные конференции «Распространение радиоволн» (Лоо, 2008г.; Иркутск, 2014 г.; Томск, 2016 г.)
-
Рабочие группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2011 – 2017 гг.)
-
XIII Международная конференция «Методы аэрофизических исследований ICMAR 2016» (Пермь, 2016 г.)
-
XXXIII Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск, 2017 г.)
8. XXV Всероссийская конференция с международным участием
«Высокоэнергетические процессы в механике сплошной среды» (Новосибирск, 2017 г.).
Получено 10 свидетельств на программные продукты, реализующие методы
и алгоритмы, представленные в диссертации.
Публикации
По теме диссертации опубликована 71 печатная работа, из них 29 рецензируемых статей в российских и зарубежных научных журналах (28 статей опубликованы в журналах из списка ВАК), 21 статья в рецензируемых сборниках международных конференций (Proceedings of SPIE, AIP Conference Proceedings, MATEC Web of Conferences). Список статей приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 296 страниц текста, включая 83 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 318 наименований. Нумерация рисунков, формул и таблиц в каждой главе проводится раздельно.