DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92-02-56-66
УДК: 621.373.8
Оценка влияния оптических неоднородностей атмосферы на точность позиционирования лазерного луча при вертикальном зондировании
Страхов С.Ю., Савин А.В., Сотникова Н.В., Орлов А.Е. Оценка влияния оптических неоднородностей атмосферы на точность позиционирования лазерного луча при вертикальном зондировании // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 2. С. 56–66. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-56-66
Strakhov S.Yu., Savin A.V., Sotnikova N.V., Orlov A.E. Assessing the influence of atmospheric optical inhomogeneities on the accuracy of laser beam positioning during vertical sounding [ in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 2. P. 56–66. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-56-66
Предмет исследования. Оптические неоднородности атмосферы и их влияние на параметры лазерного излучения. Цель работы. Исследование влияния высотного профиля показателя преломления атмосферы на погрешность определения горизонтальных координат при передаче лазерного излучения в вертикальном направлении. Метод. Математическое моделирование атмосферного канала распространения лазерного излучения с учётом вертикального профиля плотности и показателя преломления воздуха. Вывод аналитических выражений, связывающих градиенты показателя преломления с линейным отклонением лазерного луча в условиях нормальной атмосферы, и расчёты по полученным выражениям. Результаты. В работе проведено исследование влияние высотного профиля показателя преломления на погрешность определения горизонтальных координат при передаче лазерного излучения в вертикальном направлении. Получены аналитические соотношения, позволяющие определить угловое и линейное отклонение луча вдоль вертикальной трассы с учётом функции распределения показателя преломления по высоте. Представлены номограммы линейных отклонений точки падения луча на поверхность земли от аналогичных значений для реперного луча при разных высотах в зависимости от значения угла скольжения для нормальной приземной атмосферы. Предложена методика численного моделирования прохождения излучения через атмосферу при произвольном распределении показателя преломления. Практическая значимость. Полученные в работе соотношения и результаты численного моделирования позволяют выполнить количественную оценку линейного и углового отклонения лазерного луча при его распространении в атмосфере, что является актуальной задачей при проектировании лидарных систем, систем дистанционного зондирования, систем группового управления летательными аппаратами, систем лазерной связи и энергоинформационного обмена с помощью лазерного излучения и т.д.
оптические неоднородности атмосферы, точность позиционирования, линейное отклонение луча, показатель преломления
Благодарность:работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (НИР «Разработка и исследование методов управления группами автономных беспилотных летательных аппаратов на основе перспективных систем информационного обеспечения и взаимодействия между отдельными аппаратами в группе», FZWF-2024-0002)
Коды OCIS: 140.3295
Список источников:1. Chandra R.S., Breheny S.H., D'Andrea R. Antenna array synthesis with clusters of unmanned aerial vehicles // Automatica. 2008. V. 44. P. 1976–1984.
2. Попов А.М., Кострыгин Д.Г., Матвеев С.А., Шевчик А.А. Разработка алгоритмов группового наведения беспилотных летательных аппаратов // Сборник тезисов. XIV академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых — пионеров освоения космического пространства. Т. 4. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. С. 311–313.
Popov A.M., Kostrygin D.G., Matveev S.A., Shevchik A.A. Development of algorithms for group guidance of unmanned aerial vehicles // Collection of abstracts. XIV academic readings on cosmonautics, dedicated to the memory of Academician S.P. Korolev and other outstanding domestic scientists — pioneers of space exploration. V. 4. Moscow: MSTU Publishing House. N.E. Bauman, 2021. P. 311–313.
3. Матвеев С.А., Страхов С.Ю., Хромихин Д.А., Ким А.А., Дукельский К.В. Организация энергоинформационного обмена между устройствами управления формой трансформируемой антенны с применением волоконно-оптических технологий // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 11. С. 73–78.
Matveev S.A., Strakhov S.Yu., Khromikhin D.A., Kim A.A., Dukelsky K.V. Organization of energy information exchange between devices for controlling the shape of a transformable antenna using fiber-optic technologies // Journal of Optical Tecnology. 2016. T. 83. № 11. P. 703–707. https://doi.org/10.1364/JOT. 83.000703
4. Кочин Л.Б., Страхов С.Ю. Лазерная система передачи энергии и информации // В книге: ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ, БИОЛОГИИ, ГЕОЭКОЛОГИИ И ТРАНСПОРТЕ – 2016. Труды XXIV Международной конференции. 2016. С. 15–16.
Kochin L.B., Strakhov S.Yu. Laser energy and information transmission system // In the book: LASER INFORMATION TECHNOLOGIES IN MEDICINE, BIOLOGY, GEOECOLOGY AND TRANSPORT – 2016. Proceedings of the XXIV International Conference. 2016. P. 15–16.
5. Toschi I., Remondino F., Rothe R., Klimek K. Combining airborne oblique camera and lidar sensors: investigation and new perspectives // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Volume XLII-1. 2018. ISPRS TC I Mid-term Symposium “Innovative Sensing — From Sensors to Methods and Applications”. 10–12 October 2018. Karlsruhe, Germany. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-1-437-2018
6. Mandar Khanal, Mahamudul Hasan, Nikolaus Sterbentz, Ryen Johnson, Jesse Weatherly. Accuracy comparison of aerial lidar, mobile-terrestrial lidar, and UAV photogrammetric capture data elevations over different terrain types // Infrastructures. 2020. V. 5. P. 65. https://doi.org/10.3390/infrastructures5080065
7. Thomas Fahey, Maidul Islam, Alessandro Gardi, Roberto Sabatini. Laser beam atmospheric propagation modelling for aerospace LIDAR applications // Atmosphere. 2021. V. 12(7). P. 918. https://doi.org/10.3390/ atmos12070918
8. Kolosova V.V., Dudorova V.V., Filimonova G.A., Paninaa A.S., Vorontsov M.A. Accounting for the effect of large scale atmospheric inhomogeneities in problems of laser radiation propagation along long high altitude paths // Atmospheric and Oceanic Optics. 2014. V. 27. № 2. P. 123–129. http://doi.org/ 10.15372/ AOO20241109
9. Фалиц А.В., Кусков В.В., Банах В.А., Герасимова Л.О., Цвык Р.Ш., Шестернин А.Н. Деформация и блуждание вихревых пучков в искусственной конвективной турбулентности // Оптика атмосферы и океана. 2023. Т. 36. № 8 (415). С. 619–630. https://doi.org/10.15372/AOO20230802
Falits A.V., Kuskov V.V., Banakh V.A., Gerasimova L.O., Tsvyk R.Sh., Shesternin A.N. Deformation and wander of vortex beams in artificial convective turbulence [in Russian] // Optika Atmosfery i Okeana. 2023. V. 36. № 08. P. 619–630. https://doi.org/10.15372/AOO20230802
10. Кусков В.В., Банах В.А., Гордеев Е.В., Шестернин А.Н. Использование обратного атмосферного рассеяния для компенсации ухода пучка от заданного направления // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 10 (405). С. 836–842. https://doi.org/10.15372/AOO20221006
Kuskov V.V., Banakh V.A., Gordeev E.V., Shesternin A.N. Compensation for beam deviation from a direction specified based on atmospheric backscattering [in Russian] // Optika Atmosfery i Okeana. 2022. V. 35. № 10. P. 836–842. https://doi.org/10.15372/AOO20221006
11. Фортес Б.В. Фазовая коррекция турбулентного размытия изображения в условиях сильных флуктуаций интенсивности // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 5. С. 422–427.
Fortes B.V. Phase correction for turbulent blurring of an image under conditions of strong intensity fluctuations // Atmospheric and oceanic optics. 1999. V. 12. № 5. P. 406–411.
12. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М.: Советское радио, 1970. 496 с.
Zuev V.E. Propagation of visible and infrared waves in the atmosphere. M.: Soviet radio, 1970. 496 p.
13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 856 с.
Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. M.: Nauka, 1970. 856 p.
14. ГОСТ 4401-81 (ИСО 2533) «Атмосфера стандартная. Параметры». Введ. 01.07.1982. Измененная ред. № 1. М: Изд. Стандартов, 2004. 181 с.
GOST (Russian National Standard) 4401-81 (ISO 2533) "The atmosphere is standard. Parameters" [in Russian]. Introd. 01/07/82. Moscow: Standards Publ., 2004. 181 p.