КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-79-20077

НазваниеПрогностические методы для атмосферных адаптивных оптических систем коррекции турбулентных флуктуаций

РуководительБольбасова Лидия Адольфовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-601 - Теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем

Ключевые словаадаптивная оптическая система, волновой фронт, лазерные пучки, атмосферная турбулентность, прогностические модели, обработка больших объемов данных.

Код ГРНТИ29.33.17


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Адаптивные оптические системы предназначены для компенсации негативных эффектов, сопровождающих процесс распространения оптического излучения в случайно-неоднородной среде, посредством активного управления фазовым или амплитудно-фазовым профилем оптических полей в приемном или (и) передающем трактах оптико-электронной системы. Области применения и задачи адаптивной оптики достаточно разнообразны: астрономия, биомедицина, лазерные системы. Однако их объединяет общая идея — устранение нерегулярных искажений, возникающих при распространении излучения в неоднородной среде с помощью управляемых оптических элементов. При этом характерной особенностью систем адаптивной оптики является то, что в них выполняются одновременно процессы измерения, коррекции и управления в реальном масштабе времени. Надо отметить, что актуальность и значение применения адаптивных оптических систем со временем лишь возрастает вместе размерами новых телескопов, с энергетическими возможностями новых лазерных систем и увеличением масштабов практических приложений, среди которых дальняя локация, системы видения, передачи лазерного излучения, слежения за воздушно-космическими объектами и др. При этом практически любая АО система, проектируется индивидуально. При выполнении проекта из всего многообразия систем мы выделяем системы АО, предназначенные для оптико-электронных систем, работающих в атмосфере. Проект ставит задачей повышение быстродействия, и как следствие эффективности работы, атмосферных АО систем коррекции турбулентных искажений оптического излучения путем применение прогностических подходов (использование выявленных закономерностей для предсказания неизвестных значений) для управления системой. Поскольку для большинства атмосферных систем основным искажающим динамическим фактором является действие атмосферной турбулентности, то будут проводиться измерения атмосферной турбулентности, которые будут использоваться для разработки прогнозирующих алгоритмов работы системы АО. Для достижения поставленной задачи предполагаются теоретические и экспериментальные исследования . Результаты будут докладываться на международных и российских конференциях по оптике, астрономии и атмосферным исследованиям, планируются статьи в журналах с высоким импакт-фактором, предполагается защита кандидатской диссертации, выполненной на основе полученных результатов.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта впервые будут созданы научные основы для построения прогностической системы адаптивной оптики для коррекции атмосферных турбулентных флуктуаций. Практическое использование результатов связано с развитием такой высокотехнологической отрасли как оптико-электронное приборостроение для лазерных, атмосферных, астрономических, и других приложений. В настоящее время новейшие научные и технологические результаты, достигнутые в отрасли, полностью определяются прогрессом в освоении ряда приоритетных направлений развития науки, техники и критических технологий. Одним из таких направлений является адаптивная оптика (АО). Использование адаптивных оптических систем является признанным подходом для преодоления случайных искажений, принципиально ограничивающих возможности применения оптико-электронных систем (ОЭС). Следует отметить стратегическую значимость развития систем АО для ОЭС для оборонной промышленности. К основным результатам по итогам выполнения проекта следует отнести решение следующих научно-технически задач, имеющих общемировое значение: во-первых, это развитие теоретических прогностических подходов для адаптивной оптической коррекции сильных искажений оптических волн, в том числе, и их экспериментальная отработка. Во-вторых, это получение новых данных по оптической турбулентности атмосферы, и в-третьих, обеспечение возможности применения полученного в этой работе научно-технических задела и опыта для разработки систем АО для действующих и будущих перспективных ОЭС. По итогам выполнения проекта в целом предполагается опубликование серии статей по результатам работы атмосферной ОЭС с адаптивной системой в журналах с высоким импакт-фактором. Результаты будут докладываться на международных симпозиумах по оптике и астрономии. Безусловно, большим социальным фактором будет применение опыта, полученного при выполнении настоящего проекта, для выработки рекомендаций при проектировании адаптивной системы для нового российского проекта 3-х метрового Крупно-апертурного солнечного телескопа (КСТ), создаваемого в настоящее время в РФ для высокоточных наблюдений Солнца.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Выполнен литературный обзор прогностических методов использующихся в адаптивной оптике. Развивается прогностических подход для атмосферных адаптивных оптических систем коррекции турбулентных флуктуаций, основанный на физических предпосылках распространения оптического излучения в случайно-неоднородной среде - турбулентной атмосфере, а именно основанный на «гипотезе замороженности» атмосферной турбулентности, который может применяться как на горизонтальных, так и на вертикальных трассах. При этом временная эволюция турбулентных искажений описывается через ветровое движение турбулентности. Поскольку такая схема управления требует расширения данных о параметрах атмосферы, кроме измерений фазовых флуктуаций, необходимы данные об атмосферной турбулентности и скорости ветра. Поэтому были проведены натурные эксперименты в атмосфере по измерению атмосферной турбулентности и скорости ветра одновременно метеорологическим и оптическим методами. Работы велись в двух направлениях: вертикальная трасса, характерная для астрономических приложений, горизонтальная трасса – для лазерных систем. Были выполнены теоретические расчеты по оценке эффективности работы адаптивных оптических систем по данным наблюдений в атмосфере, динамических характеристик, исследования эффективности различных схем и алгоритмов управления для разных атмосферных условий и разного уровня интенсивности оптической турбулентности, оценки ограничений, вносимых датчиком волнового фронта и адаптивным зеркалом, определение быстродействия коррекции. В рамках модернизации имитационного стенд для отработки разработанных прогностических алгоритмов для адаптивной оптической коррекции турбулентных искажений волнового фронта оптического излучения начаты работы по созданию нового датчика волнового фронта, который должен обеспечить реализацию новых прогнозирующих алгоритмов адаптивной коррекции. Проектируемый датчик волнового фронта, обеспечит возможность одновременного измерения: кроме классических измерений фазовых флуктуаций, параметра Фрида и скорости ветра. Изготовлен макет корректора наклонов волнового фронта, позволяющее существенно повысить быстродействие системы коррекции наклонов волнового фронта. В итоге появляется возможность на стенде обеспечить формирование оптических пучков с моделируемым углом наклона волнового фронта, что позволяет в условиях лаборатории моделировать ситуацию по распространению оптического излучения на длинных трассах.

 

Публикации

1. - Адаптивная оптика – королевство кривых зеркал журнал "Кот Шредингера", в печати (год публикации - ).

2. Ботыгина Н.Н., Емалеев О.Н., Коняев П.А., Копылов Е.А., Лукин В.П. The development of the elements for creating adaptive optics system for solar telescope Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 31, No. 2, pp. 216–223 (год публикации - 2018).

3. Ковадло П.Г., Лукин В.П., Больбасова Л.А., Шиховцев А.Ю. Развитие модели турбулентной атмосферы на астроплощадке Большого солнечного вакуумного телескопа в приложении к адаптации изображений Оптика атмосферы и океана, - (год публикации - 2018).

4. Лавринов В.В. Динамическое управление адаптивно-оптической коррекцией турбулентных искажений лазерного излучения Оптика атмосферы и океана, Т. 30. №10. С.893-901 (год публикации - 2017).

5. Лукин В.П., Копылов Е.А., Лавринов В.В., Селин А.А. Methods of image correction formed on horizontal long paths Proceedings of SPIE, V.10677. 10677-65 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Развивается прогностических подход управления системой адаптивной оптики для атмосферных приложений на основе данных об эволюции фазовых флуктуаций. Для обеспечения управления на основе развиваемых алгоритмов прогнозирования сконструирован и изготовлен ключевой элемента адаптивной оптической системы - датчик волнового фронта Шэка-Гартмана , использующий оригинальные алгоритмы и конструкторское решение, позволяющий одновременно измерять параметра Фрида, поперечную составляющую скорости ветра, и искажения волнового фронта в оптическом диапазоне. Это компактный прибор, изготовленный по каркасной системе, что позволяет легко сопрягать с другими элементами адаптивной оптической системы, снабженный необходимыми юстировочными узлами. Преимуществом является возможность использования короткофокусных микролиинзовых растров, что увеличивает динамический диапазон датчика. Возможность замены микролинзовых растров позволяет работать в широком диапазоне атмосферных условий. Экспериментальное тестирование разработанного датчика выполнено в контуре адаптивной оптической системы на имитационном стенде и на атмосферной трассе с одновременными измерениями акустическим методом скорости ветра и структурной характеристики показателя преломления. На основе численных экспериментов исследовано влияние объема и качества информации, регистрируемой в плоскости видеокамеры, на точность реконструкции волнового фронта и скорости ветра датчиком волнового фронта Шэка-Гартмана. Проведен анализ точности для неполностью определенной гартманограммы с различными вариантами ее заполнения (виньетирования). Проведенные численные эксперименты по оценке качества адаптивной оптической коррекции волнового фронта с применением фильтра Калмана показали, что этот алгоритм является эффективным для коррекции турбулентных искажений и позволяет уменьшить временную ошибку системы. Для отработки развиваемых алгоритмов адаптивной коррекции фазовых флуктуаций развивается лабораторный имитационный стенд адаптивной оптики. Ключевым элементом стенда является блок имитатора, позволяющий воспроизводить динамические фазовые искажения. В результате возможна генерация искажений, обусловленных турбулентностью различных видов, в том числе, моделирование неколмогоровской турбулентности, временная эволюция масштабов. Для создания модели и прогноза оптической турбулентности атмосферы (структурной постоянной показателя преломления) для горизонтальной атмосферной трассы впервые предложено использовать алгоритм машинного обучения. В результате получены аналитические модели структурной постоянной показателя преломления для приземного слоя, в условиях устойчивой стратификации атмосферы для теплого и холодного сезонов.

 

Публикации

1. Антошкин Л.В., Борзилов А.Г., Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Measuring methods of arrival angles of the laser radiation in the system of adaptive optics Proceedings of SPIE, Vol. 10833, P.108332G-1-11 (год публикации - 2018).

2. Больбасова Л.А., Грицута А.Н., Копылов Е.А., Лукин В.П., Селин А.А., Соин Е.Л. Измеритель оптической турбулентности на основе датчика волнового фронта Шэка–Гартмана Оптический журнал, Т.86, №7 (год публикации - 2019).

3. Больбасова Л.А., Копылов Е.А., Ковадло П.Г., Лукин В.П., Шиховцев А.Ю. First seasonal study of solar seeing and wind speed vertical distribution at Baikal Astrophysical Observatory Proceedings of SPIE, Vol. 10703, P. 107036V-1-6 (год публикации - 2018).

4. Больбасова Л.А., Лукин В.П. Calculations of efficiency of adaptive optics system for atmospheric turbulence correction Journal of Physics: Conference Series, V.1096, P. 012121-1-7 (год публикации - 2018).

5. Больбасова Л.А., Шиховцев А.Ю., Ковадло П.Г., Лукин В.П. Development of a model of atmospheric turbulence at Baikal Astrophysical Observatory site of the Large Solar Vacuum Telescope Proceedings of SPIE, Vol. 10833, 108331P-1-11 (год публикации - 2018).

6. Больбасова Л.А., Шиховцев А.Ю., Ковадло П.Г., Лукин В.П. Vertical distribution of wind speed at Baikal Astrophysical Observatory Proceedings of SPIE, Vol. 10833, P. 108331W-1-6 (год публикации - 2018).

7. Больбасова Л.А., Шиховцев А.Ю., Копылов Е.А., Селин А.А., Лукин В.П., Ковадло П.Г. Daytime optical turbulence and wind speed distributions at the Baikal Astrophysical Observatory Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 482, Issue 2, Pages 2619–2626 (год публикации - 2019).

8. Ботыгина Н.Н., Емалеев О.Н., Коняев П.А., Копылов Е.А., Лукин В.П. Development of elements for an adaptive optics system for solar telescope Journal of Applied Remote Sensing, 12(4), с. 042403-1-042403-11 (год публикации - 2018).

9. Казаков Д.В., Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Results of numerical testing of algorithms for centering of focal spots in a Shack-Hartmann wave front sensor Proceedings of SPIE, Vol. 10833, P. 108332D-1 -7 (год публикации - 2018).

10. Кучеренко М.А., Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Measurement of wavefront by sensors of Hartmann type with multilens rasters Proceedings of SPIE, Vol. 10833, P. 108332F-1 -7 (год публикации - 2018).

11. Лавринов В. В., Лавринова Л.Н. Программа, реализующая управление зеркалом с учетом алгоритма центрирования в датчике волнового фронта Шека-Гартмана -, 2018660750 (год публикации - ).

12. Лавринов В. В., Лавринова Л.Н. Программа, реализующая реконструкцию волнового фронта с учетом виньетирования линзового растра в датчике волнового фронта Шека-Гартмана -, 2018660752 (год публикации - ).

13. Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Reconstruction of the wave front and measurement of the speed of cross-wind transport of turbulent distortions of optical radiation by not fully defined Shack-Hartmann pattern Proceedings of SPIE, Vol. 10833, P.108332E-1-9 (год публикации - 2018).

14. Лукин В.П., Лавринов В.В., Копылов Е.А., Селин А.А. Adaptive image correction for long-path propagation IEEE Proceedings of International Conference Laser Optics (ICLO-2018), R4-02 , p.185 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основное внимание в отчетном периоде было уделено экспериментальным исследованиям на стенде адаптивной оптики и направлено на создание макета адаптивной оптики на малом астрономическом телескопе. Разработан прогностический алгоритм работы адаптивной оптической системы учитывающий оптическую схему телескопа (не полностью определенная гартманограмма), основанный на соединении статистического прогноза и данных временной эволюции фазовых искажений на приемной апертуре, полученных из измерений датчика волнового фронта Шэка-Гартмана. Отличием от известных алгоритмов, является применение фильтра Калмана непосредственно к измерениям энергетических центров тяжести, а не восстановленному волновому фронту. В результате не используется аппроксимация волнового фронта полиномами, это является преимуществом подхода, поскольку разложение волновой функции по полиномам, например, Цернике, отфильтровывает в реконструированном волновом фронте аберрации высокого порядка, то его значения значительно отличаются от значений измеряемого волнового фронта. Разработана и создан мобильный макет системы адаптивной оптики на базе малого телескопа Meade 12" LX90-ACF с размером апертуры 304,8 мм, работающей по лазерному источнику. Для этого выполнены расчеты требований к техническим характеристикам и структурным элементам системы адаптивной оптики через параметры связанных с атмосферной турбулентностью, а также габаритные расчеты системы. Конструктивно макет адаптивной оптической системы собран на оптической плите. Основным элементом макета является разработанный датчик волнового фронта Шэка-Гартмана, который обеспечивает измерение эволюции фазовых флуктуаций в канале распространения излучения, кроме флуктуаций фазы для волн оптического диапазона, и уровень оптической турбулентности. Система адаптивной оптики функционирует в широком диапазоне изменений турбулентных характеристик атмосферы при коррекции наклонов волнового фронта. Корректор наклонов волнового фронта также разработан в рамках выполнения проекта. Указанная выше возможность важна для адаптивных оптических систем лазерных комплексов, работающих на горизонтальных трассах, когда часто нет возможности длительных атмосферных измерений. Разработано единое программное обеспечение адаптивной оптической системы для управления с прогнозом, проведения измерений, фазовой коррекции атмосферных искажений с учетом оптической схемы телескопа. Экспериментальные исследования показали эффективность разработанного прогностического алгоритма управления адаптивной оптической системой для атмосферных приложений.

 

Публикации

1. Антошкин Л.В., Борзилов А.Г., Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Program-adaptive management of the correction of turbulent distortions of optical radiation at the imitation stand Proceedings of SPIE, Vol. 11208, P.1120811-1 -1120811-6 (год публикации - 2019).

2. Больбасова Л.А., Андроханов А.А., Шиховцев А.Ю. The application of machine learning to predictions of optical turbulence in the surface layer at Baikal Astrophysical Observatory Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 504, Is. 4, P. 6008–6017 (год публикации - 2021).

3. Больбасова Л.А., Грицута А.Н., Копылов Е.А., Лавринов В.В., Лукин В.П., Селин А.А., Соин Е.Л. Shack-Hartmann wavefront sensor for phase distortions, wind speed and Fried parameter estimations Proceedings of SPIE, Vol. 11208, P.112080Y-1 -112080Y-7 (год публикации - 2019).

4. Больбасова Л.А., Грицута А.Н., Копылов Е.А., Лавринов В.В., Лукин В.П., Селин А.А., Соин Е.Л. Atmospheric turbulence meter based on a Shack–Hartmann wavefront sensor Journal of Optical Technology, Vol. 86, No. 7, P. 426-430 (год публикации - 2019).

5. Больбасова Л.А., Грицута А.Н., Лавринов В.В., Лукин В.П., Копылов Е.А., Селин А.А., Соин Е.Л. Design and development adaptive optical system installed on small-aperture telescope with predictive algorithm Proceedings of SPIE, Vol. 11560, P. 115600K-1-115600K-5 (год публикации - 2020).

6. Больбасова Л.А., Грицута А.Н., Лавринов В.В., Лукин В.П., Селин А.А., Соин Е.Л. Measurements of Atmospheric Turbulence from Image Motion of Laser Beam by Shack-Hartmann Wavefront Sensor 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation, RWP 2019 - Proceedings IEEE, p. 217-220 (год публикации - 2019).

7. Больбасова Л.А.,Грицута А.Н., Лавринов В.В., Лукин В.П., Селин А.А., Соин Е.Л. Adaptive optics test bench for predictive wavefront correction Proceedings of SPIE, Vol.11056, P.110563D-1-110563D-6 (год публикации - 2019).

8. Кучеренко М.А., Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Influence of volume and quality of the recorded information in a sensor of Hartman type on the accuracy of the wave front reconstruction Proceedings of SPIE, Vol. 1120810, P.1120810-1 -1120810-6 (год публикации - 2019).

9. Лавринов В.В., Лавинова Л.Н. Analysis of the influence of 'strong' turbulence in the propagation of optical radiation on the measurements of shack-hartman wavefront sensor 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation, RWP 2019 - Proceedings IEEE, p. 209-212 (год публикации - 2019).

10. Лавринов В.В., Лавринова Л.Н. Statistical properties of phase fluctuations of optical radiation propagating through atmospheric turbulence 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation, RWP 2019 - Proceedings IEEE, V.1, с. 205-208 (год публикации - 2019).

11. Лукин В.П., Ботыгина Н.Н., Антошкин Л.В., Борзилов А.Г., Емалеев О.Н., Коняев П.А., Ковадло П.Г., Колобов Д.Ю., Селин А.А., Соин Е.Л., Шиховцев А.Ю., Чупраков С.А. Многокаскадная система коррекции изображения для Большого солнечного вакуумного телескопа Оптика атмосферы и океана, Т. 32. № 05. С. 404–413. (год публикации - 2019).

12. Лукин В.П., Носов В.В., Носов Е.В., Торгаев А.В., Богушевич А. Measurement of Atmospheric Turbulence Characteristics by the Ultrasonic Anemometers and the Calibration Processes Atmosphere, Vol. 10, Is. 8, p.1-16 (год публикации - 2019).