| Аннотация |
При распространении в турбулентной атмосфере лазерное излучение теряет свои уникальные свойства: когерентность и направленность. Как следствие, вероятность достижения требуемого уровня энергии на заданном расстоянии существенно снижается. Для повышения эффективности транспортировки лазерной энергии на большие расстояния в настоящее время в мире предпринимаются попытки построения адаптивных оптических систем, компенсирующих возникающие в процессе распространения искажения лазерных полей.
Новым направлением в решении задач повышения эффективности передачи лазерной энергии является использование для этой цели структурированных лазерных пучков, имеющих сложную амплитудно-фазовую пространственную структуру на передающей апертуре. В мире активно ведутся исследования распространения таких пучков в турбулентной атмосфере. Работы в подавляющем большинстве носят расчётный характер и во многих из них авторы приходят к выводу, что структурированные пучки, в частности, вихревые более устойчивы к турбулентным искажениям, чем неструктурированные. Использование структурированных пучков открывает новые возможности для повышения помехозащищённости и создания открытых линий оптической связи на новых принципах, в которых кодирование информации осуществляется за счёт пространственной модуляции амплитуды и фазы пучка. В проекте предполагается разработать новые методы создания пространственно структурированных лазерных пучков на основе суперпозиций пучков с орбитальным угловым моментом и выполнить исследование влияния турбулентности на распространение структурированных и вихревых пучков в атмосфере. В отличие от известных работ, важное место в проекте займут экспериментальные исследования в этом направлении.
Для решения задач прогнозирования опасных природных явлений, обеспечения экологической и авиационной безопасности, ветроэнергетики важным направлением исследований в мире является разработка методов и создание средств дистанционного зондирования атмосферы и сложных турбулентных сред. В проекте планируется разработать методологию дистанционного зондирования атмосферы с использованием ветровых лидаров и температурных микроволновых радиометров. Важным уникальным для России элементом этой методологии является использование ветровых лидаров и непревзойдённого в мире по охвату решаемых задач набора компьютерных программ, обеспечивающих определение из измерений скорости ветра и температуры типа температурной стратификации, параметров ветровой и температурной (оптической) турбулентности, высоты слоя турбулентного перемешивания, визуализацию вихревых, волновых и ветровых структур в пограничном слое атмосферы.
Понимание процессов турбулентности в устойчиво стратифицированных средах остаётся нерешённой проблемой во многих областях геофизики. Именно эта проблема бросает вызов фундаментальным результатам теории изотропной турбулентности Колмогорова - Обухова - Монина, нашедшей широкие приложения не только в геофизике, но и в других областях науки. Для устойчивой стратификации в пограничном слое характерно образование низкоуровневых струйных течений, внутренних гравитационных волн. Турбулентность при устойчивой стратификации не всегда подчиняется законам Колмогорова – Обухова, что вызывает необходимость развития альтернативных подходов и накопления экспериментальных данных о турбулентности в таких условиях. Актуальность и научная значимость решения проблемы турбулентно волнового взаимодействия в устойчиво стратифицированной атмосфере усиливаются вследствие происходящих в последние десятилетия и накапливающихся глобальных климатических изменений, что подтверждается детальным анализом результатов исследований в этом направлении в мире в обзоре Американского Геофизического Союза (Rev. Geophys. 2015. V.53. P.956-993). Отклонения от модели Колмогорова – Обухова проявляются также и при исследовании таких турбулентных сред как скоростные (сверхзвуковые) воздушные потоки, турбулентные среды в области пламени различной природы и масштабов. Именно на исследование гравитационных волн, струйных течений, турбулентности в устойчивом пограничном слое атмосферы, турбулентности ясного неба, турбулентности в сверхзвуковых струях и в высокотемпературных средах дистанционными методами и средствами направлен проект.
Цель проекта – исследование распространения лазерного излучения в атмосфере для получения фундаментальных знаний и создания физических основ решения задач беспроводной передачи энергии и оптической телекоммуникации на новых принципах. Разработка дистанционных методов и средств зондирования и исследование природных и техногенных турбулентных сред для решения задач прогнозирования опасных природных явлений, обеспечения экологической и авиационной безопасности, ветроэнергетики.
В результате выполнения проекта будут разработаны новые методы создания пространственно структурированных лазерных пучков на основе суперпозиций пучков с орбитальным угловым моментом и получены новые фундаментальные знания о влиянии турбулентности на распространение структурированных и вихревых пучков в атмосфере. Созданы новые технологии минимизации искажающего влияния атмосферной турбулентности на лазерные пучки, основанные на обучающих алгоритмах. Впервые получены экспериментальные данные о распространении пучков, несущих орбитальный угловой момент, на протяжённых трассах в атмосфере.
Будут модернизированы и созданы улучшенные версии световолоконных когерентных доплеровских ветровых лидаров, разработаны новые дистанционные методы оценивания термодинамических и турбулентных параметров и методология дистанционного зондирования атмосферы с использованием ветровых лидаров и температурных микроволновых радиометров, позволяющие определять тип температурной стратификации, высоту слоя турбулентного перемешивания, визуализировать вихревые, волновые и ветровые структуры в пограничном слое атмосферы.
Будут получены новые фундаментальные знания о параметрах гравитационных волн, струйных течений, самолётных вихрей, турбулентности в стратифицированном пограничном слое атмосферы, турбулентности ясного неба, турбулентности в сверхзвуковых струях и в высокотемпературных средах различной природы и масштабов.
|
| Приоритеты научно-технического развития |
е) повышение уровня связанности территории Российской Федерации путем создания интеллектуальных транспортных, энергетических и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики;
|
