RU2488095C1 - Method of determining parameters of turbulent atmosphere - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: rapid analysis is carried out using an optical system having a telescope, a video camera interfaced with said telescope and a computer. Images of a point object (for the given aperture) are processed; vibrations of the image relative its middle position caused by large turbulent irregularities of air density are measured at each moment in time. Further, said measurements are used to calculate the structural characteristic of the refraction index, the Fried radius and the optical transfer function of the atmosphere, and then based on the obtained data, the undistorted image is reconstructed and the Strehl parameter is calculated as the ratio of corresponding intensities in centres of the distorted and undistorted images of the point object.

EFFECT: invention enables to conduct rapid analysis of the state of a turbulent atmosphere in real time.

1 dwg

Description

Изобретение относится к физике атмосферы и может быть использовано при определении таких ее параметров как структурная характеристика показателя преломления, параметр Штреля и радиус Фрида.The invention relates to atmospheric physics and can be used to determine its parameters such as the structural characteristic of the refractive index, Strehl parameter and Fried radius.

Известен способ определения внутреннего масштаба атмосферной турбулентности (радиус Фрида) [1], заключающийся в том, что регистрируют интенсивность прошедшего турбулентную атмосферу излучения, определяют дисперсию ее флуктуации, и после определения дисперсии флуктуации интенсивности определяют внутренний масштаб атмосферной турбулентности.A known method for determining the internal scale of atmospheric turbulence (Fried radius) [1], which consists in recording the intensity of the radiation transmitted through the turbulent atmosphere, determining the dispersion of its fluctuations, and after determining the dispersion of the intensity fluctuation, determining the internal scale of atmospheric turbulence.

К недостаткам известного способа следует отнести значительную удаленность в пространстве приемной и передающей излучение аппаратуры (на расстояние порядка нескольких километров), что существенно ограничивает возможности оперативного изменения как направления, в котором проводятся измерения, так и протяженности исследуемой атмосферы.The disadvantages of this method include the significant remoteness in the space of the receiving and transmitting radiation equipment (over a distance of the order of several kilometers), which significantly limits the ability to quickly change both the direction in which measurements are taken and the length of the atmosphere under study.

Известен также способ [2], согласно которому пропускают импульсное лазерное излучение через турбулентную атмосферу, фильтруют излучение обратного рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, измеряют коэффициент усиления обратного рассеяния одиночных импульсов, с частотой следования, не превышающей частоты флуктуации турбулентной атмосферы. Затем определяют коэффициент усиления обратного рассеяния импульсного излучения усреднением коэффициентов обратного рассеяния одиночных импульсов и восстанавливают профиль структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы обратным преобразованием коэффициента усиления обратного рассеяния импульсного излучения.There is also a method [2], according to which pulsed laser radiation is transmitted through a turbulent atmosphere, the backscattering radiation is filtered on small-scale inhomogeneities, the backscattering amplification coefficient of single pulses is measured with a repetition rate not exceeding the fluctuation frequency of the turbulent atmosphere. Then, the backscattering gain of the pulsed radiation is determined by averaging the backscattering coefficients of single pulses and the profile of the structural characteristic of the refractive index of the turbulent atmosphere is restored by the inverse transformation of the backscattering gain of the pulsed radiation.

Данный известный способ требует использования мощного лазерного источника излучения (в силу малого значения величины обратного рассеяния), что существенно ограничивает возможности его широкого применения, особенно на больших расстояниях (превышающих 1000 м).This known method requires the use of a powerful laser radiation source (due to the small value of the backscattering value), which significantly limits the possibility of its widespread use, especially at large distances (exceeding 1000 m).

Техническим результатом предполагаемого изобретения является проведение экспресс-анализа состояния турбулентной атмосферы в масштабе реального времени при одновременном включении в состав определяемых параметров турбулентной атмосферы помимо структурной характеристики показателя преломления радиуса Фрида и параметра Штреля.The technical result of the proposed invention is to conduct a rapid analysis of the state of the turbulent atmosphere in real time while simultaneously including the structure of the determined parameters of the turbulent atmosphere in addition to the structural characteristics of the refractive index of the Fried radius and Strehl parameter.

Указанный технический результат достигается тем, что используют адаптивную оптическую систему, состоящую из телескопа, сопряженной с ним видеокамеры и компьютера, обрабатывающего получаемые с видеокамеры изображения точечного (для данной апертуры) объекта, регистрируют распределение интенсивности искаженного турбулентной атмосферой изображения, с его помощью определяют структурную характеристику показателя преломления, радиус Фрида и аппаратную функцию атмосферы между объектом и входной апертурой оптической системы, восстанавливают искаженное турбулентной атмосферой изображение, регистрируют распределение интенсивности восстановленного изображения и по полученным данным определяют параметр Штреля, как отношение соответствующих интенсивностей в центрах искаженного и неискаженного изображений точечного объекта.The indicated technical result is achieved by using an adaptive optical system consisting of a telescope, a video camera coupled to it and a computer processing images of a point (for a given aperture) object received from the video camera, the intensity distribution of the image distorted by the turbulent atmosphere is recorded, and the structural characteristic is determined using it the refractive index, the Fried radius, and the hardware function of the atmosphere between the object and the input aperture of the optical system, were restored ayut turbulent atmosphere distorted image recorded intensity distribution of the reconstructed image and from this determine the Strehl ratio parameter as a ratio of intensities in the respective centers of the distorted and undistorted image of a point object.

Возможность достижения технического результата основывается на следующем. Атмосферные неоднородности показателя преломления можно разделить на две части по степени их влияния на изображение [3]. Крупномасштабные неоднородности (характерный размер которых больше, чем диаметр входной апертуры оптической системы) приводят к случайным смещениям изображения как целого (дрожанию). Мелкомасштабные неоднородности вызывают размытие мелких деталей изображения и ухудшение вследствие этого разрешающей способности. Разрешающая способность оптической системы из-за влияния атмосферных искажений не превосходит разрешающую способность оптической системы с апертурой, равной радиусу Фрида, величина которого вблизи подстилающей поверхности порядка нескольких сантиметров.The ability to achieve a technical result is based on the following. Atmospheric inhomogeneities of the refractive index can be divided into two parts according to the degree of their influence on the image [3]. Large-scale inhomogeneities (whose characteristic size is larger than the diameter of the input aperture of the optical system) lead to random displacements of the image as a whole (jitter). Small-scale inhomogeneities cause blurring of fine details of the image and deterioration of resolution due to this. The resolution of the optical system due to the influence of atmospheric distortions does not exceed the resolution of the optical system with an aperture equal to the Fried radius, the value of which near the underlying surface is of the order of several centimeters.

Как известно [4-6], структурная характеристика показателя преломления C_n ² выражается через дисперсию дрожаний (средний квадрат углового смещения центра тяжести изображения точечного объекта) σ² следующим образом:As is known [4-6], the structural characteristic of the refractive index C _n ² is expressed through the dispersion of jitter (the average square of the angular displacement of the center of gravity of the image of a point object) σ ² as follows:

$$C_n{}^2={\sigma }^2/\mathrm{5,68}{(2R)}^{-1/3}L\text{ (2)}$$

$$C_n{}^2={\sigma }^2/5.68{(2R)}^{-\mathrm{one}/3}L\text{(2)}$$

где 2R - диаметр приемной апертуры;where 2R is the diameter of the receiving aperture;

L - длина трассы наблюдения.L is the length of the observation path.

Радиус Фрида (r₀) выражается через C_n ² согласно [5, 6] как:The Fried radius (r ₀ ) is expressed in terms of C _n ² according to [5, 6] as:

$$r_0=\mathrm{1,68}{(k^2{C}_n{}^{2}L)}^{-3/5},\text{ (3)}$$

$$r_0=1.68{(k^2{C}_n{}^{2}L)}^{-3/5},\text{(3)}$$

где k=2π/λ - волновой вектор;where k = 2π / λ is the wave vector;

λ - длина волны излучения;λ is the radiation wavelength;

Мелкомасштабное расплывание усредненного изображения при условии, что дрожание устранено, определяется оптической передаточной функцией, зависящей от радиуса Фрида и диаметра входной апертуры оптической системы [7, 8]:The small-scale spreading of the averaged image, provided that the jitter is eliminated, is determined by the optical transfer function, which depends on the Fried radius and the diameter of the input aperture of the optical system [7, 8]:

$$H(\Omega )=\exp \{-\mathrm{3,44}{(\lambda \Omega /r_0)}^{5/3}[1-\alpha {(\Omega /{\Omega }_0)}^{1/3}]\}.\text{ (4)}$$

$$H(\Omega )=\exp \{-3.44{(\lambda \Omega /r_0)}^{5/3}[\mathrm{one}-\alpha {(\Omega /{\Omega }_0)}^{\mathrm{one}/3}]\}.\text{(four)}$$

Здесь Ω - угловая пространственная частота,Here Ω is the angular spatial frequency,

Ω₀=D/λ - частота обрезания спектра пространственных частот оптической системы, D - диаметр апертуры. Параметр α принимает значение 1 для «ближнего поля» (когда существенны только фазовые эффекты) и значение 0,5 для «дальнего поля» (применимое, когда одинаково существенны и амплитудные и фазовые искажения).Ω ₀ = D / λ is the cutoff frequency of the spatial frequency spectrum of the optical system, D is the diameter of the aperture. The parameter α takes the value 1 for the “near field” (when only phase effects are significant) and the value 0.5 for the “far field” (applicable when the amplitude and phase distortions are equally significant).

На чертеже представлена схема системы экспресс-анализа состояния атмосферы, поясняющая сущность изобретения.The drawing shows a diagram of a system of rapid analysis of the state of the atmosphere, explaining the invention.

Посредством компьютерной программы сначала регистрируют дрожание изображения, вычисляют его дисперсию, параметры C_n ² и r₀, a также функцию H(Ω), затем корректируют дрожание, производят усреднение и цифровую фильтрацию с использованием выражения (4), устраняющую мелкомасштабное расплывание. В результате такой обработки получают исправленное (неискаженное) дифракционное изображение [9], и, сравнивая его с исходным, определяют параметр Штреля.Using a computer program, image jitter is first recorded, its variance is calculated, parameters C _n ² and r ₀ , as well as the function H (Ω), then jitter is corrected, averaging and digital filtering are performed using expression (4), which eliminates small-scale blurring. As a result of such processing, a corrected (undistorted) diffraction image is obtained [9], and, comparing it with the original, the Strehl parameter is determined.

ЛитератураLiterature

1. А.с. 1840633 СССР, МКИ⁴ G01W 1/00. Способ измерения внутреннего масштаба атмосферной турбулентности / П.А.Бакут, И.В.Безденежных, К.Н.Свиридов, Ю.П.Шумилов (СССР) - №3183005/28; заявлено 28.10.1987; опубл. 27.06.2007.1. A.S. 1840633 USSR, MKI ⁴ G01W 1/00. A method of measuring the internal scale of atmospheric turbulence / P.A. Bakut, I.V. Beznezhennykh, K.N. Sviridov, Yu.P. Shumilov (USSR) - No. 3183005/28; claimed 10/28/1987; publ. 06/27/2007.

2. А.с. №1840481 СССР, МКИ³ G01S 17/95. Способ измерения структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы / П.А.Бакут А.Б.Александров, В.А.Логинов, В.П.Логинов, И.Н.Матвеев, Ю.П.Шумилов (СССР) - №2220623/09; заявлено 08.06.1977; опубл. 27.03.2007.2. A.S. No. 1840481 USSR, MKI ³ G01S 17/95. A method of measuring the structural characteristics of the refractive index of a turbulent atmosphere / P.A. Bakut A. B. Aleksandrov, V. A. Loginov, V. P. Loginov, I. N. Matveev, Yu. P. Shumilov (USSR) - No. 2220623 / 09; claimed 06/08/1977; publ. 03/27/2007.

3. Кандидов В.П., Чесноков С.С., Шленов С.А. // Оптика атмосферы и океана. - 11, 522 (1998).3. Candidov V. P., Chesnokov S. S., Shlenov S. A. // Optics of the atmosphere and the ocean. - 11, 522 (1998).

4. Щеглов П.В. Проблемы оптической астрономии - М.: Наука, 1980.4. Scheglov P.V. Problems of Optical Astronomy - Moscow: Nauka, 1980.

5. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере - М., Наука, 1967.5. Tatarsky V.I. Wave propagation in a turbulent atmosphere - M., Nauka, 1967.

6. Гурвич А.С., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере - М.: Наука, 1976.6. Gurvich A.S., Kon A.I., Mironov V.L., Khmelevtsov S.S. Laser radiation in a turbulent atmosphere - M .: Nauka, 1976.

7. Гудмен Дж. Статистическая оптика - М.: Мир, 1988.7. Goodman J. Statistical Optics - M .: Mir, 1988.

8. Fried D.L. J. Opt. Soc. Am. // 56, 1372 (1966).8. Fried D.L. J. Opt. Soc. Am. // 56, 1372 (1966).

9. Аверин А.П., Пряничников B.C., Тяпин В.В. Квантовая электроника // №40, 5 (2010), С.418-420.9. Averin A.P., Gingerbread B.C., Tyapin V.V. Quantum Electronics // No. 40, 5 (2010), S.418-420.

Claims (1)

Способ определения параметров турбулентной атмосферы, включающий в себя определение структурной характеристики показателя преломления, радиуса Фрида и параметра Штреля и состоящий в том, что используют адаптивную оптическую систему, сопряженную с компьютером, восстанавливающую искаженное турбулентной атмосферой изображение, регистрируют распределение интенсивности искаженного турбулентной атмосферой изображения, с его помощью определяют структурную характеристику показателя преломления, радиус Фрида и аппаратную функцию атмосферы между объектом и входной апертурой оптической системы, восстанавливают искаженное турбулентной атмосферой изображение, регистрируют распределение интенсивности восстановленного изображения и по полученным данным определяют параметр Штреля. A method for determining the parameters of a turbulent atmosphere, which includes determining the structural characteristics of the refractive index, Fried radius, and Strehl parameter and consisting in the use of an adaptive optical system coupled to a computer that restores an image distorted by the turbulent atmosphere, records the intensity distribution of the image distorted by the turbulent atmosphere, s it is used to determine the structural characteristic of the refractive index, the Fried radius, and the atmospheric hardware function EASURES between the object and the input aperture of the optical system is reduced turbulent atmosphere distorted image recorded intensity distribution of the reconstructed image and from this determine the Strehl parameter.