CC BY
37
УДК 535.211
РЕГИСТРАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВОГО ПУЧКА В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ. Ч. 2. УЧЕТ ОГРАНИЧЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ДАТЧИКОМ ВОЛНОВОГО ФРОНТА
В.П. Аксенов, Ф.Ю. Канев*, Д.С. Куксенок**, Н.А. Макенова*, А.В. Хапаева*
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск E-mail: [email protected] *Томский политехнический университет E-mail: [email protected] **Томский государственный университет E-mail: [email protected]
Во второй части статьи в используемую расчетную схему вводится модель датчика Гартмана, что позволяет определить его влияние на точность работы оптической системы и провести оптимизацию параметров прибора. В заключительном параграфе точность детектирования оптического вихря в турбулентной среде с использованием датчика сравнивается с точностью результатов работы идеальной оптической системы.
Ключевые слова:
Датчик Шека~Гартмана, локальные наклоны, сингулярная оптика, орбитаальный угловой момент, турбулентная атмосфера. Key words:
Shark-Hartmann sensor, local tilts, singular optics, orbital angular momentum, turbulent atmosphere.
Точность определения количества дислокаций
в идеальной оптической системе.
Статистика особых точек в турбулентной атмосфере
Для определения числа, координат и топологического заряда особых точек было использовано известное условие, согласно которому циркуляция градиентов фазы пучка, вычисленная вдоль контура, охватывающего дислокацию первого порядка, равна ±2п. Поэтому распределение фазы и случайных наклонов было разбито на одинаковые квадратные ячейки, по периметру каждой из которых вычислялся интеграл от градиентов. При равенстве интеграла ±2п полагалось, что в пределах контура находится дислокация [1].
Тестирование точности алгоритма регистрации было выполнено в модельной задаче, где в волновой фронт вводилось определенное количество дислокаций. После введения особых точек пучок проходил нулевое расстояние.
Изменение точности при варьировании числа оптических вихрей и размеров контура интегрирования иллюстрируется данными таблицы, где приводится усредненное число дислокаций, определенное с использованием алгоритма. Основная особенность предлагаемого подхода - это уменьшение точности, наблюдаемое как при увеличении размеров контура интегрирования, так и при увеличении числа особых точек. Так, для элементарного контура, сторона которого равна 0,12 (й0 - начальный диаметр пучка) с точностью 100 % регистрируется 10 введенных в начальный волновой фронт дислокаций, но при 50 особых точках точность составляет только 84 %. Аналогичное уменьшение точности наблюдается и для других размеров, причем чем больше контур, тем меньше точность алгоритма регистрации.
Таблица. Тестирование точности алгоритма регистрации особых точек
Число заданных дислокаций 10 20 30 40 50
Размер контура 0,12с/0 (4x4 узла) Число зарегистрированных дислокаций 10 18 26 34 42
Точность регистрации, % 100 90 87 85 84
Размер контура 0,24 в0 (8x8 узлов) Число зарегистрированных дислокаций 9 16 22 27 32
Точность регистрации, % 90 80 73 68 64
Рассмотрим теперь появление дислокаций при задании аберраций случайным фазовым экраном. Как и в предыдущих численных экспериментах в используемой модели лазерный пучок (гауссовский или имеющий особенности) проходит через экран, расположенный непосредственно за апертурой источника, затем распространяется в условиях свободной дифракции. На некотором расстоянии, которое является варьируемым параметром задачи, осуществляется регистрация особых точек. В численных экспериментах также изменяется интенсивность искажений, характеризуемая радиусом Фрида.
Усредненное по 200 реализациям случайного фазового экрана число зарегистрированных в различных сечениях трассы особых точек показано на рис. 1. Здесь видны следующие характерные особенности распространения гауссовского излучения (кривые 2 и 3). Несмотря на то, что пучок испытывает искажения, на малых (£=0,01) расстояниях, оптические вихри в волновом фронте отсутствуют. При дальнейшем распространении (£=0,05-0,1) число дислокаций резко увеличивается, причем экстремум функции тем выше, чем больше интенсивность турбулентных искажений. С увеличением пройденного расстояния число вихрей уменьшается и при £=0,4 в пучке присутствуют не более 5 особых точек.
Похожим является поведение пучка, в волновой фронт которого в плоскости апертуры источника был введен оптический вихрь (рис. 1, кривая 1). Здесь на малых расстояниях (£=0,01) регистрируется только одна дислокация. Исходный вихрь сохраняется, его смещения совпадают с изменениями координат центра тяжести пучка, обусловленными турбулентными возмущениями.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 г
Рис. 1. Число дислокаций N*1, зарегистрированное в различных сечениях Z трассы распространения. Кривые 1 и 2 получены при г0=0,15, 3 - при г0=0,45. При получении 1 в пучок была введена искусственная дислокация, в остальных случаях дислокации в начальном распределении поля отсутствовали. Усреднение выполнялось по 200 реализациям фазового экрана
Ограничения, вносимые датчиком Гартмана
в работу оптической системы.
Оптимизация параметров прибора
В предыдущем разделе для анализа свойств сингулярного излучения использовались градиенты волнового фронта. Приближение условий задачи к условиям лабораторного эксперимента потребовало изменения численной модели оптической системы, в частности введение в нее модели датчика Гартмана [2].
Для оценки точности регистрации датчиком параметров (циркуляции и ротора локальных наклонов) волнового фронта сингулярного излуче-
ния был выполнен ряд тестовых расчетов по определению топологического заряда оптических вихрей. В первом из них пучок проходил нулевое расстояние, и в его фазовый профиль было помещено нечетное число дислокаций (результаты численного эксперимента показаны на рис. 2, а). Поле наклонов регистрировалось датчиком с размерностью растра микролинз 32x32, при вычислении циркуляции наклонов контур интегрирования охватывал все особые точки. Так как в пучке находится нечетное число вихрей, циркуляция в этом случае должна быть равна единице. Это положение выполнялось при введении в пучок от 1 до 61 особых точек. Как видно из представленных результатов, при дальнейшем увеличении количества оптических вихрей значение циркуляции отличаются от единицы, т. е. появляются ошибки в работе алгоритма регистрации.
Подобные расчеты были выполнены и при введении в волновой фронт четного числа особых точек (рис. 2, б). Здесь ожидались нулевые значения циркуляции. Но величина Г равнялась нулю только в интервале 1-60 особых точек, при дальнейшем увеличении количества вихрей наблюдалось отклонение от этого значения.
Представленные результаты показывают, что предложенный алгоритм даже в самых благоприятных условиях (нулевая длина трассы, отсутствие турбулентных или любых других возмущений) с датчиком размерности 32x32 обеспечивает удовлетворительную точность регистрации суммарного топологического заряда группы особых точек, только если их количество не слишком велико (<60).
В отличие от плоской волны поперечные размеры лазерного пучка всегда конечны, поэтому естественно ожидать зависимости циркуляции поля наклонов сингулярного волнового фронта от размеров контура интегрирования. Для выяснения характера этой зависимости в численных экспериментах в волновой фронт вводилась только одна особая точка (Г=1), при этом, как и в предыдущем случае, пучок проходил трассу нулевой длины.
Рис. 2. Зависимость значения суммарного топологического заряда группы особых точек от числа введенных в волновой фронт дислокаций: а) нечетное; б) четное число. Для определения наклонов использовалась модель датчик Гартмана размерности 32x32
Рис. 3. Зависимость циркуляции сингулярного волнового фронта от размеров контура интегрирования а (размеры контура нормированы на начальный диаметр пучка), полученная для датчиков с размерностью растра микролинз: а) 16x16; б) 32x32
Для датчиков размерности 16x16 и 32x32 результаты моделирования приводятся на рис. 3.
В обоих случаях удовлетворительная точность была зафиксирована для контуров с размерами от
0,25 до 2 начальных диаметров пучка. При дальнейшем увеличении размеров наблюдались отклонения значений циркуляции от 1. Указанные погрешности можно объяснить тем, что в удаленных от центра пучка областях его амплитуда близка к нулю, а при нулевой амплитуде и соответствующей неопределенности фазы наклоны волнового фронта невозможно определить точно.
Кроме размерности датчика и размеров контура интегрирования на точность определения параметров пучка влияет фокусное расстояние микролинз. Для оптимизации этого параметра интегрирование поля наклонов сингулярного излучения проводилось на трассах различной длины при варьировании фокусного расстояния и варьировании размерности растра (в волновом фронте только одна особая точка, размер контура равнялся 1 диаметру пучка, циркуляция должна быть равна единице). Полученные результаты представлены на рис. 4.
Оптимальное фокусное расстояние, выбираемое с точки зрения близости циркуляции к единице, получается различным для датчиков разной размерности. Так, для растра 16x16 оно составля-
ет 0,8 см, для растра 32x32 - 1,1 см, а для растра 64x64 - 1,05 см. Подбор оптимального расстояния обеспечивает высокую точность вычисления топологического заряда, как видно из рисунка, значения циркуляции, соответствующие кривой 1, не более чем на 10 % отличаются от 1.
Особенности регистрации параметров пучка
в турбулентной среде
Так как достаточно большое количество современных оптических систем предназначены для работы в условиях свободной атмосферы, нами была исследована возможность регистрации особых точек при наличии турбулентных искажений на трассе распространения пучка [3, 4]. Соответствующие численные эксперименты проводились с датчиком размерности 64x64, обеспечивающим наибольшую точность регистрации локальных наклонов.
Результаты определения циркуляции пучка (средние значения по 100 реализациям), включающего в плоскости генерации единственный оптический вихрь, представлены на рис. 5, а, в, £=0,25. На этом же рисунке приводится зависимость вероятности регистрации особой точки от интенсивности турбулентных искажений (рис. 5, б, г). Данные были получены для идеальной системы (кривые 1), т. е. с использованием для вычислений гради-
Рис. 4. Определение оптимального фокусного расстояния растра микролинз для датчиков различной размерности: а) датчик 16x16, фокусные расстояния (см): 0,8 (кривая 1), 0,7 (2), 0,9 (3); б) датчик 32x32:1,1 (кривая 1), 1,0 (2), 1,2 (3); в) датчик 64x64:1,05 (кривая 1), 1,1 (2), 0,9 (3)
Рис. 5. Зависимость средних значений циркуляции волнового фронта от интенсивности турбулентных искажений (а, в) и вероятность регистрации дислокации в турбулентной атмосфере (б, г). Результаты получены для идеальной оптической системы (кривая 1 на всех графиках) и при регистрации наклонов датчиком Гартмана (кривая 2) размерности 64x64. Z=0,25 (а, б) и Z=0,5 (в, г). Усреднение результатов выполнено по 100 реализациям распределения показателя преломления
ентов волнового фронта, и на основе измерений наклонов датчиком Гартмана (кривые 2).
Отметим основные характерные особенности кривых. Во-первых, средние значения циркуляции, полученные в идеальной системе на трассе большей длины ^=0,5), являются на 5...10 % более высокими, по сравнению со значениями, регистрируемыми датчиком. На более короткой из трасс (£=0,25) кривые практически совпадают. Во-вторых, зависимость средних значений циркуляции от интенсивности искажений повторяет зависимость, полученную для вероятности регистрации вихря. В-третьих, обе величины (<Г> и Р) уменьшаются с уменьшением радиуса Фрида г0. На длинных трассах (£=0,5) спад наблюдается для меньшей интенсивности турбулентности, т. е. при больших значениях г0.
Результаты, представленные в параграфе, позволяют сделать вывод о том, что при использовании представленного алгоритма наблюдается уменьшение точности регистрации особых точек при увеличении длины трассы и при увеличении интенсивности турбулентных искажений. При этом датчик с размерностью растра 64x64 обеспечивает вероятность регистрации близкую к вероятности, полученной при вычислении циркуляции с использованием градиентов волнового фронта.
Заключение
В статье рассмотрен метод регистрации оптических вихрей в лазерном излучении на основе вычисления циркуляции и ротора поля локальных наклонов волнового фронта. Использование модели датчика Гартмана в численных экспериментах позволило учесть ограничения, вносимые этим прибором. Представленные в работе данные позволяют сделать следующие выводы:
1. При распространении лазерного излучения, прошедшего тонкий слой турбулентной атмосферы, искажения проявляются на трассах малой длины (£=0,01), но, несмотря на это, оптические вихри в волновом фронте отсутствуют. При дальнейшем распространении (£=0,05-0,1) число дислокаций резко увеличивается, причем экстремум функции тем выше, чем больше интенсивность турбулентных искажений. С увеличением пройденного расстояния число вихрей уменьшается.
2. Для датчиков всех размерностей, рассмотренных в работе (от 16x16 до 64x64), удается подобрать оптимальные размеры контура интегрирования и оптимальное фокусное расстояние микролинз, обеспечивающие уверенную регистрацию в неискажающей среде топологического заряда одной особой точки на трассах длиной от 0 до 0,5 дифракционных длин.
3. Предложенный алгоритм при нулевой длине трассы распространения и отсутствии турбулентных или любых других возмущений обеспечивает удовлетворительную точность регистрации суммарного топологического заряда группы особых точек, только если их количество не слишком велико (<60).
4. При использовании алгоритма для регистрации параметров пучка в турбулентной
атмосфере наблюдается уменьшение его точности при увеличении длины трассы и при увеличении интенсивности турбулентных искажений. При этом датчик с размерностью растра 64x64 обеспечивает вероятность регистрации близкую к вероятности, полученной при вычислении циркуляции с использованием градиентов волнового фронта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Soskin M.S., Vasnetsov M.V. Singular optics // Prog. Opt. -2001. - V. 42. - P.219-276.
2. Siegman A.E. Lasers. - Mill Valley, Calif.: University Science, 1986. - 1304 p.
3. Young C.Y., Gilchrest Y.V., Macon B.R. Turbulence induced beam spreading of higher order mode optical waves // Optical Engineering. - 2002. - V. 41. - № 5. - P. 1097-1103.
4. Palacios D.M., Rozas D., Swartzlander G.A., Jr. Observed scattering into a dark optical vortex core // Phys. Rev. Lett. - 2002. -V. 88. - P. 103902.
Поступила 27.11.2012 г.
УДК 536.253
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ СЕРНОГО АНГИДРИДА В АТМОСФЕРЕ, ПРИЛЕГАЮЩЕЙ К ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Д.В. Гвоздяков, В.Е. Губин
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]; [email protected]
Представлены результаты численной оценки интенсивности процесса конденсации серного ангидрида в воздушном пространстве, прилегающем к тепловой электрической станции. Определены размеры ядер капель кислоты, которые в процессе седиментации могут выпадать на поверхность Земли.
Ключевые слова:
Математическое моделирование, тепловая электрическая станция, дымовые газы, загрязнение, серный ангидрид, конденсация, частица, серная кислота.
Key words:
Mathematical modeling, thermal power plant, smoke gases, pollution, sulphurous anhydride, condensation, particle, sulfuric acid.
Введение
Проблема антропогенного загрязнения атмосферы Земли многие годы является актуальной [1, 2]. Одним из основных источников загрязняющих веществ являются объекты теплоэнергетического комплекса, такие как тепловые электрические станции (ТЭС) [1, 2]. С каждым годом объемы эмиссии загрязняющих веществ в воздушный бассейн планеты увеличиваются [3-5], хотя, следует отметить, прогнозы мировой антропогенной эмиссии оксидов серы и азота неоднозначны (табл. 1). Наличие в воздушном пространстве Земли таких загрязняющих веществ как 802, 8О3, N0^ при их взаимодействии с компонентами атмосферного воздуха, может приводить к образованию соответствующих кислот [2]. Взаимодействие кислотных дождей с биосферой, сооружениями, техникой, как правило, заканчиваются для них губительными последствиями [1, 5].
Таблица 1. Фактические выбросы оксидов серы и оксидов азота в 2000 г. и прогнозы мировой антропогенной эмиссии [3]
Источник Оксиды серы, млн т Оксиды азота, млн т
2000 202Б 20Б0 2100 2000 202Б 20Б0 2100
1РСС (Межправительственная комиссия по изменению климата) 1992 [5], сценарий 1Б92а 17S 240 30S 296 122 174 210 273
WEC (Всемирный энергетический совет) 1993 [6], сценарий В - 132 - - - S9 - -
Клименко В.В., Клименко А.В. [3] 14Б 13Б 100 Б0 114 126 114 S7
