priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-5-406-416pribor-55Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫOPTICAL AND OPTOELECTRONIC DEVICES AND COMPLEXESМоделирование прохождения лазерного сигнала через локальные неоднородности средыModeling of laser signal propagation through local inhomogeneities of the mediumКочуроваД. Н.KochurovaD. N.

Дарья Николаевна Кочурова - мл. научный сотрудник

Ижевск

Darya N. Kochurova - Junior Researcher

Izhevsk

darya310898@gmail.comКалугинА. И.KaluginA. I.

Алексей Игоревич Калугин - канд. физ.-мат. наук; ст. научный сотрудник

Ижевск

Alexey I. Kalugin - PhD; Senior Researcher

Izhevsk

ackad1976@yandex.ruАнтоновЕ. А.AntonovE. A.

Егор Александрович Антонов - канд. физ.-мат. наук; ст. научный сотрудник

Ижевск

Egor A. Antonov - PhD; Senior Researcher

Izhevsk

slick25@udman.ruАльесМ. Ю.AliesM. Yu.

Михаил Юрьевич Альес - д-р физ.-мат. наук, профессор; директор Центра

Ижевск

Mikhail Yu. Alies - Dr. Sci., Professor; Director of the Center

Izhevsk

aliesmy@mail.ruУдмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАНUdmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the RAS202425112024675406416Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/55

Исследованы искажения пространственного и временного распределения плотности мощности лазерного импульса, вносимые средой распространения. Информация о таких изменениях необходима в задачах лазерной локации, в том числе для распознавания объекта. На основе разработанной программы решения уравнения переноса излучения методом характеристик для моделирования лазерного сигнала, прошедшего через атмосферу при наличии турбулентности, связанной с локальными природными и антропогенными явлениями, выявлено воздействие этих явлений на пространственную и временную форму лазерного импульса. Проанализированы результаты расчета влияния турбулентности на временную и пространственную формы сигнала. Определены явления, при которых происходит значительное искажение импульса лазерного излучения, падающего на объект, и установлено, что такие искажения могут приводить к ошибкам распознавания объекта в лазерных локационных системах.

Distortions in the spatial and temporal distribution of laser pulse power density introduced by the propagation medium are studied. Information about such changes is necessary in laser ranging problems, including object recognition. Based on the developed program for solving the radiation transfer equation by the method of characteristics for modeling a laser signal propagation through the atmosphere in the presence of turbulence associated with local natural and anthropogenic phenomena, the impact of these phenomena on the spatial and temporal shape of the laser pulse are revealed. Results of calculating the influence of turbulence on the temporal and spatial shapes of the signal are analyzed. Phenomena are identified in which significant distortion of a laser pulse incident on an object occurs, and it has been established that such distortions can lead to errors in object recognition in laser ranging systems.

лазерный сигналметод характеристикатмосфературбулентностьдальностный портретлазерная локацияlaser signalmethod of characteristicsatmosphereturbulencelong-range beam profilelaser locationReferencesБаулин Ф. Б., Бурый Е. В. Проблемы формирования систем, обеспечивающих автоматическое распознавание объектов по дальностным портретам // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43, № 1. С. 5–13. DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-5-13.Baulin F. B., Buryi E. V. Computer Optics, 2019, no. 1(43), pp. 5–13, DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-5-13 (in Russ.).Лабунец Л. В., Борзов А. Б., Ахметов И. М. Распознавание 3D объектов в однопозиционной системе лазерной локации методами интеллектуального анализа импульсных отражательных характеристик // Опт. журн. 2022. Т. 89, № 4. С. 40–51. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-04-40-51.Labunets L. V., Borzov A. B., Akhmetov I. M. Opticheskii Zhurnal, 2022, no. 4(89), pp. 40–51, DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-04-40-51 (in Russ.).Hao Q., Cheng Y., Cao J., Zhang F., Zhang X., Yu H. Analytical and numerical approaches to study echo laser pulse profile affected by target and atmospheric turbulence // Opt. Express. 2016. Vol. 24, N 22. P. 25026. DOI: 10.1364/oe.24.025026.Hao Q., Cheng Y., Cao J., Zhang F., Zhang X., Yu H. Opt. Express, 2016. no. 22(24), pp. 25026, DOI:10.1364/oe.24.025026.Огнев Б. И., Складчиков С. А., Чуляева Е. Г. Влияние турбулентности на распространение оптических сигналов с длиной волны 1550 нм // Лазеры. Измерения. Информация. 2021. Т. 1, № 2. С. 12–16. DOI: 10.51639/2713-0568_2021_1_2_12.Ognev B. I., Skladchikov S. A., Chulyaeva E. G. Lasers. Measurements. Information, 2021, no. 2(1), pp. 12–16, DOI: 10.51639/2713-0568_2021_1_2_12 (in Russ.).Аксенов В. П., Дудоров В. В., Колосов В. В. Распределение вероятностей сильных флуктуаций интенсивности вихревых лазерных пучков в турбулентной атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 5, № 5. С. 7–10. DOI: 10.15372/aoo20180503.Aksenov V. P., Dudorov V. V., Kolosov V. V. Optika Atmosfery i Okeana, 2018, no. 5(31), pp. 349–354, DOI: 10.15372/AOO20180503 (in Russ.).Bouhadda M., Abbou F., Serhani M., Chaatit F., Abid A., Boutoulout A. Temporal pulse broadening due to dispersion and weak turbulence in FSO communications // Optik (Stuttg). 2020. Vol. 200. P. 163327. DOI: 10.1016/j.ijleo.2019.163327.Bouhadda M., Abbou F., Serhani M., Chaatit F., Abid A. Boutoulout. Optik (Stuttg), 2020, vol. 200, pp. 163327, DOI:10.1016/j.ijleo.2019.163327.Банах В. А., Герасимова Л. О., Смалихо И. Н. Численное исследование распространения короткоимпульсного лазерного излучения в турбулентной атмосфере // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 3. С. 258–264.Banakh V. A., Gerasimova L. O., Smalikho I. N. Quantum Electron., 2015, no. 3(45), pp. 258–264, DOI 10.1070/QE2015v045n03ABEH015620.Cai X., Ding L., Liu J., Liu L., Zhang K. Effect of atmospheric turbulence on laser radar // Proc. SPIE 4893, Lidar Remote Sensing for Industry and Environment Monitoring III, 2003. P. 362. DOI: 10.1117/12.466082.Cai X., Ding L, Liu J., Liu L., Zhang K. Proc. SPIE 4893, Lidar Remote Sensing for Industry and Environment Monitoring III, 2003, pp. 362, DOI: 10.1117/12.466082.Альес М. Ю., Калугин А. И., Кочурова Д. Н., Антонов Е. А., Трубицын В. Ю. Отражение лазерного излучения с гауссовым распределением интенсивности от шероховатой поверхности // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 4, № 24. С. 454–462. DOI: 10.15350/17270529.2022.4.36.Alies M. Yu., Kalugin A. I., Kochurova D. N., Antonov E. A., Trubitsin V. Yu. Chemical physics and mesoscopy, 2022, no. 4(24), pp. 454–462, DOI: 10.15350/17270529.2022.4.36 (in Russ.).Xu X., Zhang H., Luo M., Tan Z., Zhang M., Yang H., Li Z. Research on target echo characteristics and ranging accuracy for laser radar // Infrared Phys. Technol. 2019. Vol. 96. P. 330–339. DOI: 10.1016/j.infrared.2018.12.003.Xu X., Zhang H., Luo M., Tan Z., Zhang M., Yang H., Li Z. Infrared Phys. Technol., 2019, vol. 96, pp. 330–339, DOI: 10.1016/j.infrared.2018.12.003.Li Y., Gao D., Liao H. Research on laser range profiles based on spatial domain // OSA Contin. 2020. Vol. 3, N 4. P. 1049–1057. DOI: 10.1364/OSAC.388418.Li Y., Gao D., Liao H. OSA Contin, 2020, no. 4(3), pp. 1049–1057, DOI: 10.1364/OSAC.388418.Цыбулин И. В., Скалько Ю. И., Павлова Е. С. Распределенный метод длинных характеристик для решения уравнения переноса // Тр. МФТИ. 2015. Т. 7, № 2. С. 51–59.Tsybulin I. V., Skalko Yu. I., Pavlova E. S. Proceedings of MIPT, 2015, no. 2(7), p. 51–59. (in Russ.)Методы решения уравнения переноса излучения для астрофизических моделей / М. П. Галанин, В. В. Лукин, В. М. Чечеткин. М., 2010. (Препринт / ИПМ им. М. В. Келдыша. № 59).Galanin M. P., Lukin V. V., Chechetkin V. M. Preprints of the Institute for Problems of Mathematics, 2010, no. 59, 30 p. (in Russ.).Возмищев И. Ю., Карайчев А. С., Шемякин В. Н. Модель лазерного излучателя для формирования опорного источника с супергауссовским распределением интенсивности // Тр. ежегодной НТК СПбНТОРЭС. 2020. Т. 1, № 75. С. 56–58.Vozmishchev I.Yu., Karaichev A.S., Shemyakin V.N. Materialy 76-y Nauchno-tekhnicheskoy konferentsii Sankt-Peterburgskogo NTO RES im. A.S. Popova (Proceedings of the 76th Scientific and Technical Conference of the St. Petersburg Scientific and Technical Organization of the Distribution Zone named after. A.S. Popov), 2020, no. 75(1), pp. 56–58 (in Russ.).Hahn H. K., Sachs R. The distribution of prime numbers on the square root spiral // arXiv: General Mathematics, 2008. P. 1–35. DOI: 10.48550/arXiv.0801.1441.Hahn H. K., Sachs R. arXiv: General Mathematics, 2008, 35 p., DOI: 10.48550/arXiv.0801.1441.Vogel H. A better way to construct the sunflower head // Math. Biosci. 1979. Vol. 44, N 3–4. P. 179–189. DOI: 10.1016/0025-5564(79)90080-4.Vogel H. Math. Biosci, 1979, no. 3(44), pp. 179–189, DOI: 10.1016/0025-5564(79)90080-4.Зуев В. Е., Банах В. А., Покасов В. В. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 269 с.Zuev V. E., Banakh V. A., Pokasov V. V. Optika turbulentnoj atmosfery (Optics of a Turbulent Atmosphere), Leningrad, 1988, 269 p. (in Russ.).Mathar R. J. Refractive index of humid air in the infrared: model fits // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2007. Vol. 9, N 5. P. 470-476. DOI: 10.1088/1464-4258/9/5/008.Mathar R. J. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2007, no. 5(9), pp. 470–476, DOI: 10.1088/1464-4258/9/5/008.Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. Т. 2. 322 с.Ishimaru A. Wave Propagation and Scattering in Random Media, 1978.Козинцев В. И., Белов М. Л., Орлов В. М., Городничев В. А., Стрелков Б. В. Основы импульсной лазерной локации: Учеб. пособие / Под ред. В. Н. Рождествина. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 512 с.Kozintsev V. I., Belov M. L., Orlov V. M., Gorodnichev V. A., Strelkov B. V. Osnovy impul'snoj lazernoj lokacii (Fundamentals of Pulsed Laser Location), Moscow, 2006. 512 p. (in Russ.).Исаков А. А. Некоторые результаты исследований оптических и микрофизических характеристик дымов // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12, № 1. С. 23–29.Isakov A. A. Optika Atmosfery i Okeana, 1999, no 1(12), pp. 23–29 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.