DE4113308A1 - Szintillometer zur messung der strukturkonstanten und der inneren skalenlaenge atmosphaerischer brechungsindexfluktuationen - Google Patents

Description

Szintillometer zur Messung der Strukturkonstanten und der in­ neren Skalenlänge atmosphärischer Brechungsindexfluktuationen.

Unter Szintillation versteht man die zeitlichen Schwankungen der Intensität (oder der Amplitude) der Strahlung einer ent­ fernten Quelle nach Ausbreitung durch die Atmosphare, im fol­ genden mathematisch die Varianz der Intensität bzw. der Ampli­ tude. Es ist bekannt, daß über Szintillationsmessungen die Strukturkonstante C_n ² und die innere Skalenlänge l₀ der turbu­ lenten Brechungsindexfluktuationen der Luft bestimmt werden können (siehe dazu nachfolgende Literaturstellen).

Um C_n ² und l₀ gleichzeitig aus Szintillationsmessungen ablei­ ten zu können, müssen zwei unabhängige Informationen aus der Messung gewonnen werden. Dazu wurden bisher folgende Verfahren vorgeschlagen:

• 1. die gleichzeitige Messung der Szintillation über zwei ver­ schieden lange Ausbreitungsstrecken (P. M. Livingston, Zeit­ schrift: Applied Optics, Jahrgang: 1972, Heft: 11, Seiten: 684 ff.),
• 2. die gleichzeitige Messung der Szintillation einer kohären­ ten und einer inkohärenten Quelle (G. R. Ochs und R. J. Hill, Zeitschrift: Applied Optics, Jahrgang: 1985, Heft: 24, Seiten: 2430 ff.),
• 3. die gleichzeitige Messung der Szintillation bei zwei ver­ schiedenen Wellenlängen (E. Azoulay, V. Thiermann, A. Jetter, A. Kohnle und Z. Azar, Zeitschrift: Journal of Physics D, Jahrgang: 1988, Band: 21, Seiten S21 ff.),
• 4. die gleichzeitige Messung der Szintillation der von einer Quelle ausgehenden Strahlung an zwei Orten in der Ebene senk­ recht zur Ausbreitungsrichtung (R. G. Frehlich, Zeitschrift: Applied Optics, Jahrgang: 1988, Heft: 27, Seiten: 2194 ff.).

Die Methode 1 hat den Nachteil, die Szintillation an ver­ schiedenen Orten miteinander zu vergleichen und räumliche Ho­ mogenität des zu messenden Turbulenzfeldes vorauszusetzen. Ein weiterer Nachteil ist es, daß zwei getrennt aufzustellende Sende- oder Empfangseinheiten benötigt werden.

Die Methoden 2 und 3 haben den Nachteil, jeweils zwei ver­ schieden geartete Strahlungsquellen (zwei Wellenlängen bzw. kohärente und inkohärente Quelle) mit entsprechenden Empfangs­ systemen zu benötigen.

Die Methode 4 vergleicht die Varianz der an den einzelnen De­ tektoren gemessenen Intensität mit der Kovarianz der an beiden Detektoren gemessenen Intensität. Diese Methode hat den Nach­ teil, daß die räumlichen Gewichtsfunktionen für die Varianz einerseits und die Kovarianz andererseits verschieden sind. Unter der räumlichen Gewichtsfunktion der Varianz bzw. der Kovarianz versteht man die Funktion, die den Beitrag der Tur­ bulenz in Abhängigkeit des Ortes entlang der Ausbreitungs­ strecke angibt. Es werden mit der Varianz und der Kovarianz ähnlich wie bei Methode 1 zwei Größen verglichen, die durch die Turbulenz an verschiedenen Orten bestimmt sind. Dies führt zu Fehlern der abgeleiteten C_n ² und l₀, wenn der Turbulenzzu­ stand sich entlang der Ausbreitungsstrecke ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zur weit­ gehenden Vermeidung der oben genannten Nachteile zu finden. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Abänderung der Methode 4 - dahingehend, daß der optische Strahl vor Verlassen des Senders durch ein doppelbrechendes Material in zwei leicht gegenein­ ander parallel versetzte Anteile verschiedener Polarisation aufgespalten wird und am Empfänger beide Anteile auf Grund ihrer verschiedenen Polarisation unabhängig voneinander beob­ achtet werden. Für den Fall, daß der im Sender erzeugte Strahlversatz etwa gleich dem Versatz der Detektoren im Emp­ fänger ist, läßt sich mathematisch zeigen, daß die Gewichts­ funktionen der gemessenen Varianzen und Kovarianzen nun sehr ähnlich sind und das Meßergebnis somit sehr unempfindlich ge­ genüber einer räumlichen Inhomogenität des Turbulenzfeldes reagiert. Gegenüber den Methoden 1 bis 3 zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß nur eine Strahlungsquelle und eine Empfangseinheit nötig sind und daß der Aufbau technisch sehr einfach zu realisieren ist. Die Erfindung macht sich im übri­ gen zunutze, daß die Depolarisation durch turbulente Bre­ chungsindexfluktuationen der Luft sehr gering ist.

Da szintillometrische Messungen hohe Anforderungen an die Ko­ härenz der verwendeten Strahlung stellen, muß in vielen Fällen die Kohärenz der Strahlung im Sender verbessert werden. Außer­ dem ist oft eine Bündelung der Strahlung erforderlich, um am Empfänger die notwendige Signalstärke zu erreichen. Beides ge­ schieht durch zusätzliche Komponenten sinnvollerweise im Strahlengang vor der Strahlteilung. Eine Verbesserung der Strahlqualität hinter der Strahlteileranordnung ist ungünstig, da die zwei dann notwendigen (gleichartigen) Optiken sich ge­ genseitig räumlich behindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 1 dar­ gestellt. Eine Laserdiode emittiert Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich (1). Diese Strahlung wird durch eine Lin­ senoptik (2) kollimiert. Eine im Brennpunkt angeordnete Loch­ blende (3) verbessert die Kohärenz der Strahlung. Ein planpar­ alleler Kalkspatkristall (4) erzeugt einen Strahlversatz d1 (5) und bewirkt gleichzeitig die Aufspaltung der Polarisa­ tionsrichtungen. Die optimale Größe des Strahlversatzes be­ rechnet sich nach der Wellenlänge, der Meßstreckenlänge und den zu messenden Werten von l₀; sie liegt bei wenigen Millime­ tern. Die Strahlung verläßt nun den senderseitigen Aufbau und durchquert die typischerweise 100 m lange atmosphärische Meß­ strecke.

Im Empfangsteil reduziert ein Interferenzfilter (7) die Hin­ tergrundstrahlung. Der polarisierende Strahlteiler (8) trennt die unterschiedlich polarisierten Anteile. Die beiden Photo­ dioden (9, 10) sind so angeordnet, daß der scheinbare Abstand ihrer Mittelpunkte d2 (6) gleich d1 (5) ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Beispiele von berechneten Gewichts­ funktionen der Varianz und der Kovarianz für eine gegebene Konfiguration bei verschiedenen Werten der inneren Skalenlänge l₀: 2 mm, 4 mm und 10 mm. Bis auf eine multiplikative Konstante sind alle Gewichtsfunktionen sehr ähnlich. Die Größe der Va­ rianz ist proportional zu C_n ², sie hängt zusätzlich in bekann­ ter Weise von l₀ ab. Der Quotient aus der Kovarianz und der Varianz ist der Korrelationskoeffizient. Dieser hängt nur von l₀ ab, und zwar wie im Beispiel der Fig. 4 für die den Fig. 2 und 3 zu Grunde liegende Konfiguration wiedergegeben.

Claims (4)

1. Szintillometer zur Messung der Strukturkonstanten und der inneren Skalenlänge atmosphärischer Brechungsindexfluktuatio­ nen, bestehend aus einem optischen Sender und einem optischen Empfänger mit nachfolgender elektronischer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß im Sendeteil die Strahlung einer im sichtbaren oder infraroten Wellenlängenbereich emittieren­ den Quelle (1) durch ein Material mit doppelbrechenden Eigen­ schaften (4) in zwei parallel versetzte Anteile mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen aufgespalten wird und im Empfangsteil zwei Detektoren (9, 10) so hinter einem polarisierenden Strahlteiler (8) angebracht sind, daß jeder Detektor nur einen der beiden unterschiedlich polarisierten Anteile wahrnimmt und der scheinbare Abstand der Mittelpunkte der beiden Detektoren in der Ebene senkrecht zur Strahlaus­ breitungsrichtung d2 (6) etwa gleich dem im Sender erzeugten Strahlversatz d1 (5) ist.

2. Szintillometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Sendeteil als Strahlungsquelle (1) ein Laser, insbesondere ein Halbleiterlaser, benutzt wird.

3. Szintillometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Sendeteil vor der Aufspaltung des Strahls dessen Divergenz durch einen optischen Kollimator (2) verändert und dessen Kohärenz durch räumliche Filterung (3) verbessert wird.

4. Szintillometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung des Hintergrund­ signals die ausgesandte Strahlung amplituden-, phasen- oder frequenzmoduliert und das empfangene Signal vor der Auswertung entsprechend wieder demoduliert wird.