Способ измерения статистических характеристик поля флуктуации плотности и устройство для его реализации

.; Мир, 1980,СТИЧ Е- УКТУАО ДЛЯ относится вопросов оптически спольэуюо фронта, сследоваю получения семеистрных функций и фунплоскость сечения рачивают на 180 гра- У), введенной систеае,ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОК ПАТЕНТУ(71) Крымская научная станцинститута им. И.А.Лебедева(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТ СКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ Ф ЦИЙ ПЛОТНОСТИ И УСТРОЙС ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(57) Использование; изобретение к нелинейной оптике и касается создания способовисследования неоднородных сред и приборов, и щих явление обращения волново и может быть использовано при и Изобретение относится к нелинеиной оптике и касается вопросов создания способов исследования оптически неоднородных средсв и приборов, использующих нелинейное явление обращения волнового фронта, и может быть использовано при исследовании турбулентных характеристик газовых потоков и плазмы,Цель изобретения - повышение точности измерения локальных значений двумерных структурных функций и функций автокорреляции.Указанная цель достигается тем, что используют излучение, интенсивность, которого превышает пороговое значение, необходимое для реализации эффекта обр щения волнового фронта,ОВФ), излучени 1831710 АЗ нии турбулентных характеристик газовых потоков и плазмы. Сущность; используется иЗлучение, интенсивность которого превышает пороговое значение, необходимое для реализации эффекта обращения волнового фронта (ОВФ), прошедшее исследуемую неоднородную среду, возвращаются излучение в обратном направлении в виде пучка с обращенным волновым фронтом. Причем излучение от неоднородной среды до ОВФ зеркала и обратно происходит по двум оптическим линиям, состоящим из системы зеркал и светоделительных пластин, в одной из которых происходит переворот на 180 градусов изображения либо зеркало, либо в собственной плоскости, Регистрация распределения интенсивности излучения, пропорционального значению искомой функции, предварительно отфильтрованного с помощью теневого прибора, производится двумерным фоторегистрирующим устройством в реальном масштабе времени, 1 ил,прошедшее неоднородную среду, возвращают в нее обратном направлении в виде пучка с обращенным волновым франтом, при этом, пучок излучения представляет собой суперпозицию двух пучков, плоскость сечения одного из которых повернута на 180 градусов относительно другого вокруг оси 2. в прямоугольной системе координат ХУЛ, где Х и У лежат в плоскости сечения, 2 совпадает с направлением излучения. Кроме того, с цель ва одномерных структу кций автокорреляции одного иэ пучков пово дусов вокруг оси 2(или мы координат,структурных функций. Сущность изобретения заключается в. том, что плоская монохроматическая волна 40ц=аоехр( И 1- фо)от источника 1 и системы формирования 2.проходит исследуемую среду 4. Считаем,что среда заполнена неоднородностями с 45малым (относительно среднего значения).случайными флуктуациями показателя преОписанный способ реализуется устройством для измерения статистических характеристик поля флуктуаций плотности. Устройство включает оптически связанные источник когерентного излучения, неоднородную среду, пространственный фильтр и систему регистрации,Целью изобретения является получение двумерных структурных функций и функций автокорреляции.Суть предлагаемого технического решения показана на схеме устройства, реализующего этот способ и включающего источник излучения 1, систему формирования пучка 2, светоделительную пластину 3, исследуемую неоднородную среду 4, и две линии оптической задержки АВС и АОС. Контур АВС состоит из двух полупрозрачных зеркал 5 и 7 и блока из двух глухих зеркал 6, составленных в виде двугранного угла. Контур АОС состоит из четырех глухих плоских зеркал 9, 10, 11, 12, причем, оптические пути обоих контуров одинаковы по длине. Собирающая линза 13 и камера 14 в совокупности представляют собой обращающее волновой фронт зеркало. Оптически связанное с отраженным излучением посредствам светоделительной пластины 3 устройство для визуализации, состоящее из собирающего объектива 15 и точечного экранирующего фильтра 16 и заканчивается эта ветвь двумерным регистрирующим устройством 17, Замена блока зеркал 6 на одно плоское глухое зеркало, установленное параллельно основному направлению излучения, позволяет реализовать многоканальное устройство для получения семейства одномерных ломления и создающими соответствующий фазовый набег такой, что р1. Кроме того, размер, среды по глубине, т,е. в направлении распространения волны, удовлетворяет условию Л г/Е 1, где Ь г - размер среды вдоль оси Е, Е-фокусное расстояние объектива 15 теневого прибора, Тогда при выполнении указанных условий1, гЕ 1, (1) исследуемую среду 4 можно представить в виде транспаранта с амплитудным коэффи.циентом пропускания 5 10 15 20 25 30 35 с(х,у, ф.ехр р (х,у, т) (2)где ф (х,у, т) - случайный фазовый сдвиг, вносимый средой в точке х, у в момент времени . После прохождения волной излучения исследуемой среды 4, ее амплитуда изменится в соответствии с коэффициентом пропускания 1(х,у, т)цс=ао 1(х,у, т)ехр( в 1+ ро)=цфх,у) (3)Очевидно, что при линейном взаимодействии электромагнитной волны со средой, зкспоненциальный множитель в (3) остается неизменным. Поэтому принято обозначение комплексной амплитудыаоехр(а 1+ дЪ)=но.После двойного пропускания зондирующей волны через среду 4 и, с учетом того, что, во-первых, на ветви оптической. схемы АВС происходит переворот изображения вокруг оси Е на 180 о, во-вторых, на отражателе 14 происходит отражение с обращением волнового фронта, комплексная амплитуда волны будет иметь вид 1ц=С 1+Сгехр( ф(х,-у, т). р (х,у, т, (4)где введены обозначениЯ: С 1=цо(т 112+Р 1 Р 2); С 2=20 оЫгР 1 Р 2; т 1, 12, Р 1, Р 2- соответственно коэффициенты пропускания и отражения зеркал 5 и 7, причем, 1+р=1. Будем считать для простоты, что для зеркал 6, 912 и для ОВФ зеркала 14 р, Разные знаки перед у) в показателе экспоненты соответствуют прямой и обращенной волнам. Знак минус перед х.и у в о (-х, -у) соответствует значению функции перевернутого на 180 иэображения вокруг оси а. Еще одно упрощение 1=р приводит к равенству Сг=Сг=Со и, которое (4) преобразует к виду;ц-Со(1+ехр р(-х, -у)- д) (х,у. (5)Кроме перечисленных упрощений в (5) опущена зависимость р от т. то обстоятельство обусловлено тем, что при использовании для зондирования короткого импульса Ь10 нс, время его распространения от источника до регистрирующей части Т 10 нс. Для интервалов времени такого порядка исследуемую среду, даже в быстро протекающих процессах, можно считать "замороженной".После попадания зондирующей волны, промодулированной по фазе, в регистрирующую часть устройства, задача сводится к20 30 35 40 45 структурная функция О так и функция авто- корреляции в получаются сжатыми в двумерном случае по обеим координатам, а в одномерном - по одной координате с коэффициентом равном 2. Это обстоятельство обусловлено наложением прямого и перевернутого изображения исследуемого поля неоднородностей друг относительно друга,Предлагаемое техническое оешение позволяет практически мгновенно получать статистические характеристики поля флуктуацией плотности, производя.сложные интегральные преобразования непосредственно в устройстве и получать результат в конечном виде в реальном масштабе времени, т.е, дает возможность измерять двумерную структурную функцию и соответствующую ей корреляционную функцию,либо семейство одномерных структурных и корреляционных функций., осуществляя при этом многоканальный вариант устройства.В обоих случаях достигаетсязначительная (порядка среднего размера неоднородностей) локализация в плоскости изображения, Благодаря использованию ОВФ зеркала на ошибку измерения конечного результата влияет только ошибка прибора, считывающего распределение интенсивности излучения и практически не влияет импульсный отклик(аппаратная функция) оптической схемы устройства,Формула изобретения 1. Способ измерения статистических характеристик поля флуктуаций плотности, в котором излучение коллимируют, пропускают через неоднородную среду и регистрируют флуктуации, вызванные неоднородностями среды, для чего предварительно излучение пропускают через пространственный фильтр, отсекающий неискаженную составляющую, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения,точности измерения локальных значений двумерных структурных функций и функций автокорреляции, используют излучение, интенсивность которого превышает пороговое значение, необходимое для реализации эффекта обращения волнового фронта, иэлучение, прошедшее неоднородную среду, возвращают в нее в обратном направлении в виде пучка с обращенным волновым фронтом с образованием суперпоэиции двух пучков, плоскость сечения. одного из которых повернута на 180 относительно другого вокруг оси Е в прямоугольной системе коорринат ХУЕ, где Х и У лежат в плоскости сечения, а Е совпадает с направлением излучения.2, Способ поп 1,отлича ющийся тем, что, с целью получения семейства одномерных структурных функций и функций автокорреляции, плоскость сечения одного из пучков поворачивают на 180 вокруг оси Х или т системы координат.3. Устройство для измерения статистических характеристик поля флуктуаций плотности, включающее оптически связанные источник когерентного излучения, неоднородную среду, пространственный фильтр и систему регистрации, о т л и ч.а ющ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерения локальных значений структурных функций и функций автокорреляции, в устройство дополнительно введены обращающее волновой фронт (ОВФ) зеркало, а пространственный фильтр выполнен в виде двух линий оптической задержки, образующих два равных пути распространения излучения от неоднородной среды до ОВФ зеркала, при этом первая оптическая линия задержки выполнена в виде двух делитель- но-суммирующих зеркал, расположенных на оптической оси, соединяющей неоднородную среду и ОВФ зеркало, и оптически связанного с ними блока отражения, вторая линия оптической задержки выполнена из четырех оптических связанных плоских зеркал, два из которых размещены на той же оптической оси между делительно-суммирующими зеркалами.4. Устройство по п,З, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью получения двумерных структурных функций и функций автокорреляции, блок отражения первой оптической линии задержки выполнен в виде двух плоских зеркал, образующих прямой двухгранный угол с ребром, параллельным оптической оси.5. Устройство по п.З, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью получения семейства одномерных структурных функций и функций автокорреляции, блок отражения первой оптической линии задержки выполнен в виде плоского. зеркала, плоскость которого расположена параллельно оптической оси.1831710 аказ 2552 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб 4/5 СССР эводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составитель И.ЗубаревРедактор М.Коляда Техред М.Моргентал Корректор М.Керецм