WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА Физический факультет

На правах рукописи

МОРАДИ МОХАММАД МОДЕЛИРОВАНИЕ АНИЗОПЛАНАТИЗМА АДАПТИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ Специальность 01.04.21- лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Шмальгаузен Виктор Иванович Официалные опоненты: доктор физико-математических наук, профессор Короленко Павел Васильевич доктор физико-математических наук Воробьев Валерий Васильевич

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН

Защита состоится 24 ноября 2005 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факлтета МГУ.

Автореферат разослан “” октября 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31, доцент Т.М. Ильинова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена моделированию систем адаптивной оптики, функционирующих в турбулентной атмосфере. Основное внимание уделено анизопланатизму адаптивной системы и роли дифракционных эффектов в атмосфере при исследовании анизопланатизма.

Актуальность проблемы Развитие адаптивной оптики на протяжении всей своей истории было стимулировано в первую очередь прикладными задачами. Такие проблемы как увеличение разрешающей способности наземных телескопов, компенсация искажений в интерферометрах, фокусировка лазерного пучка, создание систем внутрирезонаторной коррекции, улучшение работы систем оптической связи – типичные задачи, которые рассматривает адаптивная оптика. Эти общие задачи в свою очередь делятся на более конкретные частные задачи, одной из которых является задача коррекции изображений, полученных при наличии случайно-неоднородной среды между объектом и приемной апертуры оптической системы.

Хорошо изучены особенности искажений и методы их коррекции для систем, в которых угловой размер объекта не превышает размера изопланатической области. В таких системах фазовые искажения оптических волн, идущих через неоднородную среду от разных точек объекта, можно считать одинаковыми. Но если геометрические размеры объекта превышают размер изопланатической области, то оптические пути, по которым идут волны от разных точек такого объекта, различны. Следовательно, существенно различны и приобретаемые этими волнами фазовые искажения. Этот эффект называется анизопланатизмом оптической системы. В условиях анизопланатизма существенно затрудняются как регистрация, так и компенсация искажений, а методы, прекрасно зарекомендовавшие себя для изопланарных систем, перестают работать.

Интерес к явлению анизопланатизма в задачах астрономии был стимулирован, в первую очередь, взможностью исправить искаженное изображение слабого источника по наблюдениям фазовых искажений в изображении другого, значительно более яркого объекта (опорного источника). Такая возможность обусловлена корреляцией фазовых искажений волн, приходящих от разных объектов. Эта корреляция быстро убывает при увеличении углового расстояния между наблюдаемыми источниками, и поэтому возможности адаптивной коррекции изображений в условиях анизопланатизма ограничены.

Решать задачу о компенсации искажений в условиях анизопланатизма можно различными способами. В теоретических работах в большинстве случаев используется приближение геометрической оптики, которое не описывает флуктуаций амплитуды в атмосфере. Перенебрежение дифракционными эффектами далеко не всегда оправдано, тем более что область применимости геометрооптического приближения в задачах с анизипланатизмом изучена слабо. Так как эксперименты в этой области сложны и дорогостоящи, а часто и вообще невыполнимы, то предлагается использовать методы компьютерного моделирования. С помощью такого подхода возможно не только рассчитать эффективность конкретных методов компенсации турбулентных возмущений, но и проделать это как с учетом дифракционных эффектов, так и в пренебрежении ими.

Цели и задачи диссертационной работы 1. Исследовать влияние дифракции света на фазовых неоднородностях среды распространения на эффективность работы адаптивных оптических систем в условиях анизопланатизма. Разработать модель, позволяющую для любой заданной реализации неоднородной среды рассчитывать результаты адаптивной коррекции волнового фронта как с учетом дифракции, так и в приближении геометрической оптики.

2. Разработать программный комплекс для численного моделирования адативных систем атмосферной оптики, функционирующих в условиях анизопланатизма. Построить компьютерную модель, которая позволяет вычислять сигналы датчика волнового фронта адаптивной оптической системы, определять вносимую корректором дополнительную фазу и регистрировать изменение во времени аберрационных коэффициентов на выходе системы так, как это происходит в адаптивной системе при наблюдении сквозь движущийся турбулентный слой.

3. Применить разработанное программное обеспечение для расчета мгновенных и усредненных значений фазовых ошибок коррекции при различном угловом разнесении опорного источника и области наблюдения в широком диапазоне параметров адаптивной системы и атмосферных неоднородностей. Рассчитать мгновенные и усредненные характеристики системы: функцию рассеяния точки (ФРТ) и оптическую передаточную функцию (ОПФ), а также оценить угловой размер области изопланатизма и зависимости числа Штреля SR от углового разнесения источников при различном числе корректируемых мод Цернике.

4. Рассчитать флуктуации остаточной квадратичной ошибки коррекции и временные флуктуации, возникающие при сносе турбулентного слоя поперечным ветром с заданной скоростью при различных вариантах алгоритма коррекции.

5. Провести расчеты остаточных ошибок адаптивной коррекции как с учетом дифракции на неоднородностях атмосферы, так и в приближении геометрической оптики и оценить роль дифракционных эффектов.

Научная новизна полученных результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:

1. Рассчитаны остаточные ошибки коррекции атмосферных аберраций в адаптивной оптической системе в условиях анизопланатизма с учетом дифракции на фазовых неоднородностях среды распространения.

2. Разработан программный комплекс для численного моделирования работы адаптивной системы в атмосфере с учетом дифракционных эффектов.

3. Проведены расчеты мгновенных и усредненных характеристик оптичекой системы с адаптивной коррекцией определенного числа мод Цернике в зависимости от величины углового расстояния между наблюдаемым объектом и опорным источником как с учетом дифракции, так и без него, и проведено сравнение полученных результатов.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные комплекс программ и численная модель позволяют оперативно рассчитывать характеристики адаптивных оптических систем, работающих в условиях анизопланатизма, с учетом ряда факторов, существенно определяющих эффективность адаптивной коррекции:

дифракции световых пучков на фазовых неоднородностях атмосферы, числа корректируемых мод, устройства датчика волнового фронта, алгоритма управления корректором. Такого рода расчеты позволяют оптимизировать структуру и параметры адаптивных систем.

Защищаемые положения 1. Дифракция световых пучков на фазовых неоднородностях атмосферы и возникающие в зтой связи флуктуации амплитуды вносят существенные поправки в оценки остаточных ошибок адаптивной системы при анизопланатизме. Так, в случае длинной трассы (L = 10000 м) и слабой турбулентности (Cn = 10-17 м-) учет дифракции приводит к уменьшению среднего квадрата ошибки коррекции примерно в 2 раза при малых углах (15 мкрад) между направлениями на источники и в 1.3 раза при больших углах (20 мкрад).

2. Модель позволяет выделить и исследовать по отдельности ошибки коррекции, вызываемые различными причинами: собственно анизопланатизмом системы, флуктуациями амплитуды регистрируемых волн и погрешностями датчика волнового фронта. Такое исследование позволяет лучше понять влияние различных факторов, ограничивающих эффективность адаптивной коррекции.

3. Компьютерное моделирование является эффективным методом исследования функционирования адаптивных оптических систем в условиях анизопланатизма.

Апробация работы Основные результаты изложены в 6 публикациях, из них 2 статьи в реферируемых журналах и 1 препринт. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: “11th International Symposium on Atmospheric and Oceanic Optics” (Tomsk, 2004), “13th Multi-Disciplinary Iranian Researchers Conference in Europe” (Leeds, UK, 2005), “20th Congress of the International Commission for Optics” (Changchun, China, 2005).

Стуктура и объем работы Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа изложена на страницах и включает 31 рисунок. Список литратуры содержит 61 наименование, вкючая 6 публикаций автора по теме диссертации.

Личный вклад Все приведенные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора. Составление программ и проведение расчетов выполнено автором лично.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во ВВЕДЕНИИ дается общая характеристика работы, обсуждается ее актуальность, формулируются цели работы и защищаемые положения, приводится структура и объем диссертации.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена обсуждению проблемы анизопланатизма оптических адаптивных систем, формулировке требований, которые должен учитывать метод исследования, обсуждению целесообразности применения методов компьютерного моделирования при исследовании анизопланатизма в атмосферной оптике. Проводится обзор методов, часто применяемых для анализа эффективности адаптивных систем в условиях турбулентной атмосферы. Обсуждаются методы расчета переноса изображений и возможность их использования в условиях анизопланатизма. Приводятся некоторые важные результаты, полученные ранее. На основании изложенного в этой главе материала делается вывод: подавляющее большинство проведенных к настоящему времени исследований анизопланатизма адаптивных систем выполнено без учета дифракционных явлений в атмосфере, что далеко не всегда оправдано. Область применимости такого приближения также не всегда ясна. Метод численного моделирования позволяет, в значительной мере, преодолеть эти ограничения. В параграфе 1.1 сформулирована основная цель работы.

В параграфе 1.2 рассмотрены предположения о внешних условиях и общем характере моделируемой задачи. Параграф 1.3 посвящен учету распределения неоднородностей по высоте. Параграф 1.4 посвящен оценкам угла изопланатизма. В параграфе 1.5 рассмотрена эффективность адаптивной компенсации в условиях анизопланатизма. В параграфе 1.6 рассмотрены временные флуктуации регистрируемой в системе фазы, которые обусловлены, в первую очередь, сносом турбулентности поперечным ветром. В параграфе 1.7 обсуждается моделирование распространения световых пучков через турбулентную атмосферу с помощью метода фазовых экранов. Параграф 1.8 посвящен характеристикам изображения точечного объекта.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ обсуждается метод моделирования адаптивной оптической системы в условиях анизопланатизма. В параграфе 2.1 рассмотрено моделирование распространения светового пучка в атмосфере методом фазовых экранов с учетом дифракции. В параграфе 2.2 обсуждаются приемы анализа искажений волнового фронта. В параграфе 2.3 рассмотрена фазовая коррекция в условиях анизопланатизма с использованием двух простейших алгоритмов. На основании изложенного в этой главе делается заключение о перспективности применения модельных методов к анализу эффективности адаптивной коррекции в условиях анизопланатизма: метод моделирования позволяет учесть конкретные особенности применяемого датчика волнового фронта, учесть влияние флуктуаций амплитуды на точность его работы;

учитывает алгоритм фазовой коррекции и его влияние на величину остаточной ошибки; позволяет вычислить мгновенные ошибки коррекции, соответствующие некоторому «замороженному» состоянию атмосферы и соответствующие характеристики оптической системы - функцию рассеяния точки и оптическую передаточную функцию.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена численному моделированию адаптивной оптической системы. В параграфе 3.1 обсуждается структура и состав модели.

Программа включает следующие блоки: а) моделирования распространения световой волны в турбулентной атмосфере, б) моделирования работы гартмановского датчика, восстанавливающего профиль фазы волны от опорного источника, в) коррекция фазы волны от наблюдаемого объекта, г) вычисления и обработки остаточных ошибок. В параграфе 3.2 рассмотрены схема и параметры модели. Блок-схема модели приведена на рис. 1.

П.Ц.

Д.В.Ф.

(6) (3) МОДЕЛЬ Ф.Р.

Роз. По пол.

Т.А.(2) ПОЛЕ (7) Цернике(4) (1) Ф.С.

А.К.

(8) (5) В.К.

(9) Рис.1.

При расчетах все поперечные размеры нормированы на размер ячейки a (принималось а=1см), а продольные – на соответствующую дифракцонную длину LД = ka = 1256 м. Как следует из принятой размерности экранов и числа узлов (256) максимальное отношение изображаемых на сетке масштабов неоднородностей не может превышать 256. В реальной атмосфере это отношение намного больше:

отношение вынешнего масштаба L к внутреннему l, L/l105 и более. Таким образом, наша модель не описывает все реалные масштабы турбулентных возмущений.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»