ИСТИНА

Работа направлена на экспериментальное решение фундаментальной задачи распространения коллимированных лазерных пучков и импульсов на протяженных неравновесных,нестационарных и неоднородных трассах, и развитию методов нелинейно динамического анализа 2D временных рядов профиля распределения интенсивности пучка, в том числе методовэкспресс-анализа состояния трассы и структуры пространственно-временных искажений пучка. Научная новизна предлагаемого проекта связана с комплексным подходом к анализу профиля пучка и среды распространения методами статистической радиофизики и нелинейной динамики, позволяющими исследовать влияние на структуру пучка многообразия термических и аэродинамических процессов, происходящих на трассе, в том числе неравновесных нестационарных и пространственно анизотропных процессов. Реализация заявленного комплексного подхода в экспериментальных исследованиях планируется на уникальном атмосферном полигоне, прошедшем стадии отладки и тестирования.Оборудование полигона включает прецизионную систему формирования пучка с точностью управления позициями дефокусирующих и астигматических оптических элементов в единицы микрон (совпадающей по порядку с длинами волн генерации используемых излучателей), линейку лазерных источников непрерывного излучения и многоканальную цифровую систему высокоскоростной регистрации профиля распределения интенсивности сигнального и зондирующего пучков. Созданный и апробированной для анализа экспериментальных данных арсенал методов многофакторного анализа включает помимо традиционных методов ряд авторских, таких как метод реконструкции фазовых траекторий, метод матриц локальных статистических моментов,метод многослойного анализа, метод тензора структуры, метод доминантной ориентации, метод Суперстатистики. Динамический диапазон возможностей используемого экспериментального полигона позволяет выполнять, например, прецизионный контроль кинетики каустической фокусировки пучка, наблюдение циклических процессов чередования трансляционных и ротационных режимов микротечений в атмосферных потоках.

The project is directed to the experimental solution of a fundamental problem of distribution of the collimated laser beams and pulses on longly non-equilibrium, non-stationary and nonuniform paths, and to development of methods for non-linearly dynamic analysis of 2D time series of a beam intensity profile distribution, including methods of a express analysis of a paths condition and structure of existential distortions of a beam. Relevance of a problem is defined by intensive development of new classes of applications for the free space optical channels demanding detailed monitoring of a condition on the optical paths almost in real time. First of all it falls into to the new physical principles of modulation and coding for open optical data transmission channels, for example with use of the orbital moment of an signal beams and pulses, to problems of dynamic long-distance positioning of a beam, problems of increase in space and temporary resolving power of distant methods of sounding. Scientific novelty of the project is bound to a comprehensive approach to the analysis of a beam profile and the environment of distribution by the methods of a statistical radio physics and non-linear dynamics allowing to investigate influence on structure of a beam of variety thermal and aerodynamic processes appening on the paths including non-equilibrium non-stationary and spatially non-isotropic processes. Realization of the declared comprehensive approach in the pilot studies is planned on the unique atmospheric polygon which passed stages of debugging and tests. The inventory of the polygon includes high-precision system of formation of a beam with an accuracy of positions management of the defocussing and astigmatic optical elements in units of microns (coinciding one after another with lengths of waves of the used laser sources), the set of laser sources of the continuous radiation and multi-channel digital system of high-speed registration profile of intensity distribution of the signal and sounding beams working with the spatial resolution of 100 microns on pixel. Created and approved for the analysis of the experimental data's an arsenal of methods of the multi-factorial analysis includes besides traditional methods a set of author's, such as method of reconstruction of phase trajectories, method of matrices of the local statistical moments, method of the multilayer analysis, method of a tensor of structure, method of dominant orientation, super-statistics method. Dynamic range of capabilities of the used experimental polygon allows to carry out, for example, high-precision monitoring of a kinetics of caustic focusing of a beam, observation of cyclic processes of alternation of the transmitting and rotational modes of micro flows in atmospheric streams.

1. Результаты экспериментальных исследований стохастической модуляции профиля коллимированных пучков и импульсов с различными огибающими искаженного волнового фронта на выходе протяженной трассы. 2. Формирование корреляционной карты параметров метеооптического мониторинга в однопроходном и двухпроходном режимах, привязка результатов метеооптического мониторинга к параметрам стандартного метеоконтроля на основе данных локальных метеостанций. Микровременные метеооптические характеристики, суточные зависимости ветровых нагрузок и многопараметрическая термическая неравновесность. Карты сезонных циклов вариации метеооптических характеристик протяженных трасс различной длины от 1000 м до 5000 м. Технология импульсного зондирования при работе с сигнальными и зондирующими пучками большой мощности (более 100 Вт непрерывного излучения). Индуцированные термические неоднородности, формулировка требований для невозмущающего метеооптического контроля состояния трассы. 3. Экспериментальные результаты сеансов развития потоков гидрометеоров, статистика скоростей, углов и размеров на основе метода оптического потока. Результаты анализа микровременной статистики пространственных искажений пучка в присутствии потока гидрометеоров. 4. Результаты исследования процесса деполяризации и реполяризации пучков и импульсов с различной исходной степенью пространственной когерентности. Количественные метеооптические характеристики для индуцированной конвективными токами оптической анизотропии протяженной атмосферной трассы. 5. Микровременная эволюция топографических характеристик поля распределения интенсивности зондирующих и сигнальных пучков. Динамика элементов тензоров структуры на основе первых пространственных производных. Время жизни кластеров при дивергентных и бездивергентных режимах метеооптических возмущений. Закономерности изменения нелинейно- динамических характеристик сигнального пучка в реализованных в сеансах метеоусловиях. 6. Реконструкция фазовых траекторий и карты хаоса для процессов каустической фокусировки сигнального пучка. Количественное описание нелинейной динамики пучка при переходных метеооптических режимах, характерные «времена жизни» каустических структур, правила распада, особые точки фазовых портретов. 7. Модели и методы прогнозирования динамики сигнального пучка на основе структуры 2D и 3D фазовых траекторий их разверток и карт хаоса для пространственных центральных статистических моментов сигнального пучка. Масштабы времени эволюции пространственных характеристик пучка, частотный спектр, автокорреляционный спектр как контрольные параметры для методов прогнозирования. Итеративное прогнозирование состояния пучка на масштабах времени от 10мс до 10с.

1. Метод реконструкции фазовых портретов для пространственных моментов, построенный на основе теоремы Такенса и определяющей правила восстановления закономерностей движения в многомерной нелинейной системе на основе одномерного временного ряда достаточной длины. 2. Метод матриц локальных статистических моментов, определяемых для заданных координат в плоскости регистрации на основе регистрируемых 2D временных рядов. 3. Метод многослойного анализа стохастических параметров профиля сигнального пучка или импульса при перестройке положения перетяжки относительно плоскости регистрации (трансфокальная перестройка) позволяет определить вносимые на трассе астигматические искажения, связанные с геометрией конвективных потоков. 4. Метод тензора структуры для исходного поля интенсивности и синтезируемых сечений 2D+T стека последовательности изображений позволяет восстановить макро- и микро- свойства течений, топографию профиля интенсивности. 5. Метод доминантной ориентации позволяет рассмотреть модификацию структуры пучка как нелинейное конформное преобразование системы координат и соответствующее изменение структуры собственных функций дифференциального параболического уравнения. 6. Методы суперстатистики для анализа многокомпонентных возмущений протяженной трассы, при которых сложная система может быть представлена как суперпозиция нескольких подсистем, эволюционирующих в собственных временных масштабах. Для суперстатистического подхода необходимо наличие достаточного "разделения" временной шкалы так, что система имела возможность «релаксации» в локальном состоянии равновесия и оставалась в нем в течение некоторого промежутка времени.

Результаты разработки имеют практическую значимость для ряда критических технологий дальней оптической связи, дистанционного зондирования, беспроводного энергоснабжения. Для систем оптической связи перспективно использование технологии оперативного метеооптического контроля состояния канала в сопряжении с селектором физических методов модуляции пучка и кодирования потока данных. В системах дистанционного энергоснабжения эффективность канала может быть повышена выбором и подстройкой оптимального стартового профиля пучка, согласованного с метеооптической обстановкой на трассе. Использование структурированных когерентных пучков в системах дистанционного зондирования, в частности структурно устойчивых одномодовых пучков для мод высоких порядков, позволит повысить пространственную разрешающую способность метода за счет включения дополнительной априорной информации об уровне метеооптических помех и начальной амплитудно-фазовой структуре пучка. Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню для аналогичных областей исследования.