способ определения состояния замирания атмосферы

Формула изобретения

Способ определения состояния замирания атмосферы, включающий определение координат цели, например точки пространства, направление лазерного излучения через турбулентную атмосферу в направлении цели, получение обратного сигнала и определение момента замирания атмосферы по моменту получения максимального обратного сигнала излучения, отличающийся тем, что излучение фокусируют на выходную границу слоя турбулентной атмосферы, мощность излучения выбирают из условия превышения порога вынужденного комбинационного рассеяния излучения в фокальном объеме сфокусированного пучка, определенного для однородного состояния атмосферы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при конструировании аппаратуры для оптической локации, оптической связи через атмосферный канал и передачи энергии излучения на большие расстояния.

При решении этих задач излучение по крайней мере часть оптического пути проходит в случайно-неоднородной среде (турбулентной атмосфере). Под случайно-неоднородной средой в физике атмосферы принято считать среду неоднородную по показателю преломления. Турбулентность атмосферы приводит к уширению лазерного пучка, распаду его на отдельные фрагменты. Этим турбулентность препятствует решению основной задачи - минимизации потерь при распространении излучения через оптическую среду.

Известен способ определения состояния атмосферы в направлении объекта [см. Лукин В.П. Атмосферная адаптивная оптика. - Новосибирск: "Наука", Сибирское отделение, 1986, с. 125-128], включающий определение местоположения объекта, направление лазерного излучения на объект, получение отраженного от объекта излучения и определение состояния атмосферы, подходящего для посылки на объект основного (мощного) излучения, по моменту получения максимального отраженного сигнала излучения.

По данному способу определяют местоположение объекта, облучают его излучением маломощного вспомогательного лазера; излучение, рассеянное объектом и прошедшее через формирующую оптическую систему, собирают на приемнике, расположенном в плоскости, положение которой определяют расчетом по известным формулам. В этом случае интенсивность излучения на приемнике пропорциональна интенсивности на облучаемом объекте в каждый момент времени. В тот момент времени, когда сигнал с приемника дает значительный выброс, принимают как состояние, оптимальное для посылки на объект основного (мощного) излучения.

Излучение, рассеянное в обратном направлении и распространяющееся по оси формирующей оптической системы, называют обратным сигналом.

Надежность этого способа невысока, поскольку в реализацию способа включен объект, на который доставляют излучение. Если объект поглощает излучение в спектральной области излучения вспомогательного лазера или если применяются меры защиты объекта от несанкционированного облучения, то это существенно ограничивает и функциональные возможности способа. Эффективность способа невысока, в частности, при доставке излучения с Земли в Космос. Использование самого космического аппарата, находящегося на расстоянии 500-1000 км, в качестве рассеивателя излучения требует мощного вспомогательного источника, сравнимого по параметрам с основным лазером. Способ в таких условиях реализуется неэффективно.

Известно явление перемежаемости атмосферы, при котором турбулентность скачкообразно затухает, т.е. атмосфера становится однородной по показателю преломления. Такое состояние определим как состояние замирания атмосферы. При этом атмосфера не искажает распространяющийся лазерный пучок, потери энергии при распространении излучения через атмосферу минимальны, и на объект доставляется максимальная доля энергии. Состояние замирания атмосферы реализуется по разным направлениям в разные моменты времени. Определение момента наступления замирания в направлении объекта является необходимым этапом в задаче доставки излучения на удаленный объект.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения состояния замирания атмосферы [Арсеньян Т.Н., Короленко П.В., Петрова Г.В., Эмбаухов С. В. - Оптика атмосферы и океана. 1997, т. 11, 5, с.473-478], включающий определение координат цели, направление лазерного излучения через атмосферу по определенному направлению, получение обратного сигнала. Момент замирания атмосферы определяют по изменению структуры пучка: всплеску интенсивности при одновременном сужении пучка в плоскости приемной апертуры.

Недостатком такого способа, как и вышеописанного, является недостаточная надежность из-за включения в реализацию способа самого объекта, на который доставляют излучение, а также ограничение области применения из-за невозможности определения интенсивности и структуры пучка вблизи цели, например вблизи космического аппарата.

Авторами предложен надежный и эффективный способ определения состояния замирания атмосферы в направлении цели, при котором достигается минимизация потерь при распространении излучения через атмосферу.

Такой технический эффект достигнут, когда в способе, включающем определение координат цели, направление излучения через атмосферу по найденному направлению, получение обратного сигнала и определение момента замирания атмосферы по моменту получения максимального обратного сигнала излучения, новым является то, что излучение фокусируют на выходную границу слоя турбулентной атмосферы, мощность излучения выбирают из условия превышения порога вынужденного комбинационного рассеяния излучения в фокальном объеме сфокусированного пучка, определенного для однородного состояния атмосферы.

Под термином "цель" следует понимать не только материальный объект, но и некоторую точку пространства, задаваемую ее координатами: азимутом, углом места и дальностью относительно местоположения лазера, которое принято за начало координат.

В том случае, когда цель расположена в пределах атмосферы и между лазером и целью находится слой атмосферы, выходная граница слоя атмосферы лежит в плоскости, прилегающей к цели.

Если цель расположена вне пределов атмосферы (космический корабль), лазерный пучок распространяется по атмосфере только часть пути. Слой турбулентной атмосферы простирается над поверхностью Земли на высоту до 3 км. Более высокие слои практически не воздействуют на распространяющийся лазерный пучок. Поэтому за выходную границу слоя атмосферы принимают поверхность, ограничивающую этот слой.

На чертеже представлена оптическая схема устройства, реализующего заявленный способ, где лазер 1, зеркало 2, выходная оптическая система 3, оптическая ось 4 выходной оптической системы, слой турбулентной атмосферы, выходная граница 6 слоя турбулентной атмосферы, фокальный объем 7, цель 8, фотоприемник 9, блок 10 анализа сигнала. Стрелками обозначено направление распространения лазерного излучения.

Способ функционирует следующим образом. Определяют координаты цели. Подходы к решению этой задачи известны. Выходную оптическую систему 3 ориентируют по координатам. Излучение лазера 1 с помощью формирующей оптической системы 3 направляют по оси 4 через слой 5 турбулентной атмосферы в направлении цели 8 и фокусируют на выходной границе 6 слоя. При этом в плоскости фокусировки излучение распределено по большой площади, поскольку турбулентность атмосферы приводит к уширению лазерного пучка, распаду его на отдельные фрагменты.

Известно, что излучение рассеивается в атмосфере. Один из основных видов рассеяния энергии лазерных пучков - комбинационное рассеяние (рассеяние Рамана) преимущественно на вращательных переходах молекул азота. Если плотность мощности излучения в фокальном объеме 7 мала - реализуется режим спонтанного комбинационного рассеяния, при котором свет рассеивается во всех направлениях, а энергия света, рассеянного назад в апертуру выходной оптической системы, составляет 10^-6 от энергии излучения в объеме 7. Рассеянное назад излучение с помощью зеркала 2 направляется в фотоприемник 9. Анализатор 10 сигнала оценивает величину сигнала. Малая величина принятого сигнала свидетельствует о турбулентном состоянии атмосферы.

Вследствие явления перемежаемости в отдельные моменты атмосфера замирает. В такие моменты лазерный пучок проходит через атмосферу без искажений, не распадается на отдельные фрагменты и не уширяется. Например, для расстояний 1,5-2,5 км такие состояния замирания наступают 3-5 раз в течение секунды и длятся 0,1-0,3 мс (это большие времена в масштабе длительности импульса). При этом фокальное пятно имеет минимальный размер, а следовательно, плотность мощности излучения в нем максимальна. Если при этом мощность импульса излучения достаточна, чтобы плотность мощности в фокальном пятне превысила пороговое значения Е_пор, то комбинационное рассеяние переходит в другой режим: режим вынужденного комбинационного рассеяния. При вынужденном комбинационном рассеянии излучение из фокального объема распространяется вдоль оси пучка: вперед антистоксова компонента и назад - стоксова компонента. При этом в стоксову компоненту переходит значительная доля рассеянного излучения, которая может составлять 50-70% от энергии фокусируемого пучка. Уровень сигнала от рассеянного излучения на приемнике-9 возрастает при этом до 10⁶ раз. Такой резкий всплеск обратного сигнала свидетельствует о моменте замирания атмосферы.

Если плотность мощности выбрать из условия превышения порога вынужденного комбинационного рассеяния, определенного для однородного состояния атмосферы, то в случае возникновения турбулентности площадь фокального пятна возрастет, плотность мощности окажется не достаточной для возникновения ВКР, и обратный сигнал снизится.

Оценим параметры зондирующего лазера.

Примем световой диаметр формирующей оптической системы D=1 м, фокусное расстояние F= 3 м. Тогда по известной формуле d=2,44(F/D), где d размер фокального пятна, - длина волны излучения, определим: d=7,8 мкм. (Здесь лазер неодимовый, и =1,06 мкм). На расстоянии L=3 км без учета действия атмосферы размер пятна d_L будет в (М+1) раз больше, где М - увеличение системы. В рассматриваемом случае М=1000 и, следовательно, d_L=7,8 мм. Площадь пятна составит S=0,48 см². Пороговая плотность мощности вынужденного комбинационного рассеяния на вращательных переходах в азоте, находящемся в атмосфере, составляет Р=1 МВт/см². Следовательно, мощность N вспомогательного лазера должна составлять N=PS и для полученных цифр составит N=0,48 МВт. При длительности импульса вспомогательного лазера 200 нс энергия импульса Е_пор для достижения порога вынужденного комбинационного рассеяния в условиях однородной атмосферы составит (E_пop ⁼Nt) менее 0,2 Дж. Это параметры обычного лазерного излучателя, достижение их незатруднительно.

Пример конкретного исполнения.

Излучение неодимового лазера с энергией Е=0,5 Дж и длительностью импульса t= 100 нc расширялось с помощью телескопа Галилея до диаметра 470 мм и фокусировалось на экране, расположенном на открытой атмосферной трассе на расстоянии 1450 м. Выходная линза телескопа имела фокусное расстояние 9 м, увеличение системы составляло М=160^х. Размер фокального пятна, который реализовывался при однородной атмосфере, составлял 7,9 мм, а площадь пятна - 0,49 см². Плотность мощности в фокальном пятне при однородной атмосфере составляла 10⁷ Вт/см² и превышала энергетический порог вынужденного комбинацонного рассеяния излучения с длиной волны 1,06 мкм в азоте атмосферы. Изображение фокального пятна на экране регистрировалось с помощью фотокамеры одновременно с размерной маркой (линейкой), это позволяло оценить размер пятна. Часть излучения, рассеянного назад в фокальном объеме, собиралась выходной линзой телескопа и с помощью диагонального зеркала отводилось на фотоприемник (фотодиод ФД - 24К) с цифровым индикатором. Для защиты фотоприемника от посторонней засветки использовались специальные светофильтры. При турбулентном состоянии атмосферы размер пятна доходил до 5-7 см. Плотность мощности в нем не превышала 510⁵ Вт/см², режим вынужденного комбинационного рассеяния не реализовывался, принятый сигнал (соответственно настройке) превышал уровень фона на 10 - 15%. В моменты спокойного состояния атмосферы площадь фокального пятна сокращалась до 0,5 см², плотность мощности в нем возрастала до 10⁷ Вт/см², при этом реализовывался режим вынужденного комбинационного рассеяния, основная часть рассеянного излучения распространялась в обратном направлении, сигнал на фотоприемнике возрастал более чем на три порядка.

Предлагаемый способ имеет широкие функциональные возможности. Для определения состояния замирания атмосферы в направлении объекта не требуется облучения объекта, поэтому способ может быть применен для определения момента замирания в направлении объектов, защищенных от несанкционированного облучения, а также поглощающих излучение лазера.

Предлагаемый способ эффективен при определении момента посылки информационного сигнала в системах лазерной связи по атмосферному каналу, например между удаленными высотными зданиями. Способ целесообразно использовать и в системах эффективной доставки мощного лазерного излучения на объекты, находящиеся в Космосе. Для этого достаточно в момент замирания атмосферы запустить мощный лазер, сопряженный с выходной оптической системой.