Главная – Журналы – Автометрия 2012 номер 2

Рассматривается один из вариантов подхода к определению минимального набора параметров адаптивной системы, работающей в целях минимизации искажений, возникающих в современных оптико-электронных системах. В качестве основного искажающего воздействия принимается атмосферная турбулентность, которая является одним из наиболее серьёзных ограничений, возникающих при формировании оптического излучения в атмосфере. Предложены следующие базовые параметры системы: число степеней свободы, требуемая полоса частот (динамическая характеристика), ограничение на спектральные характеристики, а также определены некоторые параметры опорного источника (размер, положение, свойства). Результаты анализа получены в виде аналитических функций, что позволяет осуществить расчёты параметров адаптивной системы, применимой к широкому классу сценариев использования оптико-электронных систем в атмосфере.

На основе современных технологий параллельного программирования создано программное обеспечение для компьютерного исследования алгоритмов и схем адаптивной оптики в атмосферных лазерных приложениях. Модель адаптивной оптической системы (АОС) включает в себя: геометрии излучающей апертуры и трассы распространения пучка; вертикальные профили параметров атмосферы; параллельный алгоритм расщепления с фурье-преобразованием для решения уравнений дифракции и распространения волн; динамическую модель «замороженной» атмосферной турбулентности с большим диапазоном масштабов; модели датчика волнового фронта и управляемого деформируемого зеркала. В качестве вычислительного устройства использовался стандартный настольный системный блок, содержащий 6-ядерный 12-потоковый процессор Intel® Core™ i7-970 с максимальной частотой 3,5 ГГц и графический ускоритель NVIDIA® GeForce GTX 580, имеющий 512 универсальных процессоров, работающих на частоте 1,5 ГГц. Представлены результаты моделирования АОС для формирования изображения и фокусировки лазерных пучков в целях оценки эффективности адаптивной оптики на атмосферных трассах.

Представлены результаты исследования и сопоставления схем записи динамических голографических решёток в жидкокристаллическом пространственном модуляторе света, обеспечивающих асимметризацию профиля решётки и тем самым существенное повышение её дифракционной эффективности. Рассмотрены три подхода: цифровой, аналоговый и самоасимметризация профиля за счёт вторичного поля, наведённого в объёме нематика. Показано, что первые два способа осуществляют запись решёток с малой пространственной частотой (единицы лин./мм) с примерно одинаковой степенью асимметризации (потенциальная величина дифракционной эффективности в первый порядок 70-75 %), а третий обеспечивает запись решёток со значительно более высокой пространственной частотой (сотни лин./мм), но с меньшей эффективностью (около 50 %).

Описываются полученные в Институте лазерно-физических исследований (ИЛФИ) РФЯЦ-ВНИИЭФ результаты фазовой коррекции импульсного и непрерывного лазерных излучений замкнутыми адаптивными оптическими системами (АОС) с гибкими деформируемыми зеркалами. С помощью стандартной АОС с датчиком волнового фронта Шэка - Гартмана и адаптивным зеркалом (апертура 220 × 220 мм) на порядок величины уменьшены аберрации пучка мощной импульсной лазерной установки «Луч». Разработка специального программного обеспечения для реконструкции сингулярных волновых фронтов датчиком Шэка - Гартмана позволила осуществить в АОС с биморфным зеркалом коррекцию торообразного лагерр-гауссова вихревого лазерного пучка и сфокусировать его в яркое осевое пятно, радикально увеличив число Штреля. Созданы АОС, в которых управление адаптивным зеркалом осуществляется не на основе измерения волнового фронта, а путём поиска экстремума выбранной целевой функции с помощью стохастического параллельного градиентного алгоритма. Использование микроконтроллеров в блоках управления даёт возможность достичь ширины полосы АОС 5 кГц и продемонстрировать динамическую фазовую коррекцию наклонов и высших аберраций волнового фронта, вызванных турбулентностью из-за нагрева трассы в лабораторных условиях.

Разработана и обоснована методика экспериментального исследования компенсационных возможностей адаптивных зеркал (АЗ). Проведён анализ структуры статической остаточной ошибки коррекции на основе полученных экспериментальных данных для конкретного АЗ. Экспериментальными результатами подтверждена теория оптимального размещения приводов на апертуре АЗ.

В плоскости регистрации изображения датчика волнового фронта Шэка - Гартмана в качестве приёмного устройства применяются высокоразрешающие видеокамеры, с помощью которых регистрируются координаты центроидов, несущих исходную информацию для реконструкции волнового фронта. Проведён сравнительный анализ точности определения координат центроидов для видеокамер, построенных на основе ПЗС- и КМОП-технологий. Рассмотрены режимы «мгновенной» выборки и покадрового накопления информации с камеры.

Рассматривается работа адаптивной оптической системы компенсации аберраций волнового фронта лазерного излучения. В качестве корректора используются биморфные зеркала, а датчик Шэка - Гартмана является элементом, измеряющим волновой фронт. Показаны недостатки такой адаптивной системы, а также пути их преодоления.

Проанализированы проблемы построения лазерных систем передачи энергии в условиях турбулентной атмосферы с использованием зеркал-ретрансляторов, размещаемых на стратосферном дирижабле. Показана принципиальная возможность построения такой системы с использованием мощного наземного волоконного лазера на иттербии, зеркал-ретрансляторов мощного лазерного излучения и адаптивной оптической системы для коррекции фазовых искажений пучка, вызванных влиянием атмосферной турбулентности. Создан макет лазерных систем передачи энергии и проведены его лабораторные исследования, подтвердившие принципиальную возможность коррекции турбулентных искажений атмосферы при наведении и высокоточной стабилизации лазерных пучков.

Физическое моделирование является мощным инструментом при исследовании и отработке различных технических объектов. В процессе отработки адаптивных оптических систем (АОС) необходимо проводить измерения фазовых искажений на реальных объектах (трассах, устройствах и т. п.), результаты которых позволяют предъявить реальные требования и диапазоны моделирования. Приведены оценки условий моделирования и результаты испытаний АОС в модельных условиях, а именно экспериментальные результаты адаптивной коррекции волнового фронта лазерного излучения на атмосферной турбулентной трассе длиной ~100 м. В экспериментах регистрировались среднеквадратичное отклонение волнового фронта и расходимость излучения до и во время коррекции. В ряде случаев эффективность коррекции по СКО превышала 10 раз.

Рассматривается адаптивная фокусировка когерентного пучка излучения в турбулентной атмосфере. Выполнен расчёт распределения средней интенсивности поля когерентного лазерного пучка, фокусируемого в турбулентной среде при адаптивной фазовой коррекции с использованием точечного опорного источника. Положение источника остаётся случайным на том объекте, на который осуществляется фокусировка лазерного излучения. Сравниваются случаи адаптивной фокусировки с применением подвижного и неподвижного опорных источников.

В различных лазерных системах используются широкоапертурные адаптивные зеркала, содержащие десятки-сотни приводов. При исследовании таких зеркал проводятся тысячи высокоточных измерений. Описан простой, дешёвый, высокоточный и экспрессный метод, специально разработанный для изучения характеристик названных зеркал с большим числом степеней свободы.

Распространение лазерного излучения через атмосферу сопровождается изменением светового поля под влиянием турбулентности и представляет собой случайный процесс. Адаптивная система, включающая в себя датчик волнового фронта Шэка - Гартмана и гибкое зеркало, обеспечивает коррекцию искажений, которые были определены в предыдущий момент времени, но к моменту исправления их системой изменяются. Анализ турбулентности в течение заданного времени позволяет сделать прогноз о турбулентных искажениях в последующий момент времени и использовать его, внося поправку в распределение фазы излучения. Улучшение качества адаптивной коррекции может быть достигнуто также за счёт подготовки отражающей поверхности адаптивного зеркала на основе прогноза состояния волнового фронта в следующий момент времени по параметрам турбулентности и поперечной составляющей скорости ветра, определённых из предыдущих измерений датчика Шэка - Гартмана.

Предложена методика оценки структурной постоянной C_n² и внешнего масштаба L₀ турбулентных флуктуаций при измерениях параметров волнового фронта светового пучка, прошедшего турбулентную трассу, с помощью датчика Гартмана. Метод основан на разложении фазовых флуктуаций в пределах заданной апертуры в ряд по полиномам Цернике и анализе статистики коэффициентов этого разложения. Применение методики для оценки параметров турбулентности в жидкостной ячейке дало результаты, хорошо согласующиеся с оценками, полученными другими методами. Приведены также результаты моделирования по измерению поперечной составляющей скорости ветра на трассе, определяемой посредством корреляции локальных наклонов на четырёх виртуальных субапертурах.

Рассмотрен принцип управления адаптивной оптической системой, использующий для этого интенсивность обратно рассеянного лазерного излучения в атмосфере. Методами математического моделирования исследованы особенности формирования сигнала управления в моностатической схеме и, как следствие, дальность фокусировки пучка при замкнутом контуре. Показано, что такой способ формирования не ведёт к коллимации даже пучка с дифракционным качеством.

Предложен метод измерения глубины калибровочных решёток, основанный на измерении спектральной зависимости дифракционной эффективности в нулевом порядке дифракции на отражение. Погрешности метода определяются тремя основными факторами: смещением максимумов спектра из-за наклона стенок канавок решётки, ошибкой задания длины волны спектрофотометра и расходимостью пучка света в установке. Теоретически показано, что в зависимости от технологии изготовления решёток и измерительного оборудования погрешность измерения лежит в пределах 0,25-1 %. Проведена экспериментальная апробация метода на промышленных калибровочных решётках. Обсуждены диапазоны применимости метода с точки зрения геометрических параметров микроструктуры отражательных решёток и характеристик используемого спектрофотометра.