Разработка методов коррекции светового излучения в сильно турбулентной и рассеивающей тропосфере Земли

Цель работы – разработка методологии построения быстрой адаптивной оптической системы, не использующей в своей работе датчик волнового фронта и определение параметров атмосферной турбулентности в Москве и Московской области с помощью двух различных адаптивных оптических систем. В рамках темы будут разрабатываться новые методы и устройства, позволяющие формировать информацию о качестве волнового фронта без непосредственного использования датчиков волнового фронта. Показатель качества волнового фронта может быть использован при создании быстрой адаптивной оптической системы, работающей по принципу «восхождения на холм» (фактически означает подбор управляющих напряжений на корректоре волнового фронта исходя из информации о его качестве). Основой для создания новой экспериментальной аппаратуры будут как результаты численного моделирования распространения оптического излучения в оптически неоднородных средах, так и исследования турбулентных процессов в реальной атмосфере. Исследование атмосферной турбулентности ведется как в общем фундаментальном физическом аспекте, так и в геофизике, где параметризация турбулентности пограничного слоя тропосферы на масштабах меньших одного градуса используется и, в значительной мере, определяет качество метеорологических и климатических динамических моделей свободной атмосферы. В настоящее время за рубежом интенсивно ведутся экспериментальные работы и суперкомпьютерное моделирование турбулентных атмосферных процессов. Одной из задач в данной области является коррекция волнового фронта лазерного излучения, искаженного атмосферной турбулентностью. Искажения приводят к ухудшению показателей работы различного рода систем, использующих в своей работе лазерное излучение, распространяющееся в тропосфере Земли. Традиционный метод основан на использовании различного рода датчиков волнового фронта (адаптивная оптическая система с датчиком волнового фронта — АОС ДВФ) с последующей обработкой, имеющей целью вычисление управляющих напряжений для корректора волнового фронта (адаптивного зеркала). Однако, в ряде задач в силу тех или иных причин использование ДВФ затруднительно или просто невозможно. В качестве примера можно привести лазерный пучок, подвергшийся воздействию сильной турбулентности, распределение интенсивности в апертуре которого неоднородно. В предельном случае в некоторых областях пучка интенсивность может полностью отсутствовать. В этом случае ДВФ измеряет фазу неправильно, что снижает эффективность коррекции волнового фронта. Другим примером может служить ситуация с отсутствием опорного луча, по которому производится коррекция волнового фронта. Например, в задаче уничтожения летательных аппаратов нет стабильно отражающегося от цели пучка, поэтому и в этом случае использование ДВФ представляет определенные трудности. Выходом из данной ситуации является использование других принципов построения адаптивной оптической системы, опирающейся на использование некоего показателя качества пучка или на другую целевую функцию. Далее, методом подбора напряжений в режиме реального времени предполагается вносить корректором волнового фронта фазовую задержку в различные области пучка, максимизируя уровень показателя целевой функции. Обеспечение режима реального времени возможно при использовании программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) в контуре управления системой коррекции волнового фронта. Разрабатываемая система также может быть полезна при использовании в нестандартных погодных условиях, например, при местных грозах, сопровождающихся сильной турбулизацией атмосферы, когда сильно возмущенные воздушные массы настолько сильно искажают волновой фронт лазерного излучения, что обычные системы, оснащенные датчиками волнового фронта, оказываются неспособны выполнять свои функции. Разработка нового поколения экспериментальной аппаратуры и методики исследования позволит ликвидировать зависимость от зарубежных методик, а отработанные в лаборатории и полевых экспериментах средства и методы исследования могут быть перенесены на другие территории Российской Федерации.