بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تابع ساختار فاز جبهه موج نور عبوری از محیط متلاطم همرفتی با استفاده از حسگر مارهای دو کانالهی جبهه موج بررسی شده است. برای بررسی دقیقتر تاثیرات جو بر نور عبوری از آن ابتدا با استفاده از یک گرمکن برقی تلاطم همرفتی مشابه تلاطم لایههای نزدیک سطح زمین در آزمایشگاه تولید میشود. با استفاده از دادههای حسگر مارهای دو کاناله جبهه موج، جبهه موج پرتو نور پس از عبور باریکه از محیط متلاطم بازسازی شده و سپس تابع ساختار فاز در فاصله 18-0 سانتمیتر در دو راستای عمود بر جهت انتشار محاسبه میشود.
با تغییر دمای سطح گرمکن در بازه 160-0 درجه سانتیگراد تاثیر گرادیانهای دمایی مختلف بر روی تابع ساختار مورد بررسی قرار میگیرد. در نهایت مدلهای تلاطمی متفاوتی به تابع ساختار برازش میشود. مقایسه تابع ساختار فاز در دو راستا نشان می-دهد که تلاطم همرفتی ناهمسانگرد است. بعلاوه مدل ون کارمان بیشترین انطباق را با دادههای تجربی دارد.
-1 مقدمه
حرکت سیال را میتوان در سه حالت دستهبندی نمود. در حالت اول توزیع سرعت سیال یکنواخت بوده و با تغییرات آن به صورت منظم اتفاق میافتد. این حالت حرکت را حالت لایهای گویند. در حالت دوم میدان سرعت حالت یکنواختی خود را از دست داده و حالت تصادفی به خود میگیرد. این حالت حرکت را حالت تلاطمی مینامند. تغییر حالت سیال از حالت لایهای به حالت تلاطمی را حالت گذار مینامند. حالت تلاطمی با عدد رینولدرز که کمیتی بی بعد است مشخص میشود. عدد رینولدز به صورت Re VL تعریف میشود.
در چند دهه اخیر به سبب اهمیت استفاده از انتشار پرتو لیزر از جو و بهرهگیری از آن در ارتباطات نوری، تصویر برداریهای نوری و مخابرات فضای آزاد بسیاری از محققان انتشار پرتو نور در این محیط را مورد بررسی قرار دادهاند
اثرات محیط متلاطم بر نور در دو دسته تغییرات شدت و تغییرات جبههی موج تقسیمبندی میشود. برای بررسی این تاثیرات مدلهای مختلفی ارائه شدهاند. از آن جمله می-توان مدل کلموگروف، تاتارسکی، گرین وود، گاوسین و ون کارمان را اشاره نمود.
بجز مدل کلموگروف که از یک تحلیل ابعادی حاصل شده است ما بقی مدلهای اساس تجربی دارند . تمامی این مدلها در ناحیه لختی بر مدل کلموگروف منطبق هستند. به عبارت دیگر، مدل کلموگروف اساسیترین مدل ارائه شده در تلاطم است. این مدل بر همگن و همسانگرد بودن تلاطم در بازه لختی استوار است. در مطالعات تجربی بسیاری نشان داده شده است که جو به خصوص هنگام عبور نور از این محیط در مسیرهای موازی سطح زمین از مدل کلموگروف تبعیت نمیکند.
بررسی علل انحراف جو متلاطم از مدل کلموگروف به علت کنترلناپذیری شرایط حاکم بر آن بسیار سخت و دشوار است. بر این اساس در این تحقیق ابتدا توسط یک گرمکن برقی شرایط تلاطمی مشابه سطح زمین ایجاد میشود. سپس در چیدمانی جدید با روش اپتیکی مبتنی بر تکنیک ماره جبهه موج نور پس از عبور از محیط متلاطم بازسازی میشود. با مطالعه اختلالات ایجاد شده در جبههی موج اطلاعات محیط متلاطم استخراج میشود. نتایج حاصل از این بررسی نشان می-دهد که از میان مدلهای مختلف مدل تلاطم ون کارمان بهترین انطباق را با دادههای تجربی دارد.
-2 چیدمان آزمایش
شکل 1 طرحوارهای از چیدمان آزمایش را نشان میدهد. این چیدمان که برای اولین بار برای بررسی محیط متلاطم استفاده شده است شامل لیزر، عدسی اسفریک، دو عدد تلسکوپ، گرمکن برقی، حسگر مارهای دوکاناله جبههی موج، دوربین CCD و رایانه است. باریکه لیزر Nd-YAG پیوسته با دمش دیودی با توان 50 میلی وات و طول موج 532 نانومتر توسط یک عدسی کانونی میشود. محل عدسی اسفریک به گونهای تنظیم میشود تا کانون آن بر کانون تلسکوپ اول منطبق گردد.
پرتو لیزر توسط این تلسکوپ پهن و موازی شده و بعد از عبور از محیط متلاطم وارد تلسکوپ دوم میشود. دو تلسکوپ کاملاً هم خط شدهاند قطر تلسکوپ اول و دوم به ترتیب 8 و 14 اینچ است. از یک گرمکن برقی با سطح مقطع 100×200 سانتیمتر مربع برای ایجاد گرادیان دما و ایجاد محیط همرفتی مشابه سطح زمین استفاده شده است. ناحیه متلاطم توسط دو دیوار پلاستیکی از دیگر بخشها جدا شدهاند. دو تلسکوپ در ارتفاع 80 سانتیمتری از گرمکن قرار گرفته اند. یک عدسی موازی سازی به گونهای پشت تلسکوپ دوم قرار گرفته است که کانون آن بر کانون تلسکوپ منطبق است.
باریکه لیزر پس از کانونی شدن توسط تلسکوپ بوسیله این عدسی موازی شده و با قطری کوچکتر وارد حسگر جبههی موج میشود. سپس توسط باریکه شکن به دو قسمت با شدت یکسان تقسیم شده و هر قسمت وارد یک کانال میشود. در هر کانال یک انحراف سنج مارهای متشکل از دو توری به فاصله تالبوت از هم قرار دارند. با قرار دادن توری دوم در مکان خود تصویر توری اول طرح ماره در هر کانال تشکیل میشود. راستا خطوط توری در هر کانال به گونهایست که در یکی طرح ماره افقی و در دیگری طرح ماره عمودی تشکیل خواهد شد.
شکل :1 طرحوارهای از چیدمان آزمایش: استفاده از دو تلسکوپ رو در رو و حسگر مارهای دو کانالهی جبههی موج.CL،BS ،M،G به ترتیب عدسی کانونی کننده، پرتوشکاف، آینه و توری است.
با استفاده از یک عدسی تصویر ساز مناسبنقش فریز ماره بر روی صفحهی حساس دوربین CCD تصویر شده و توسط آن به رایانه منتقل میشود تا مورد تحلیل قرار گیرد. گام توریهای مورد استفاده در این حسگر 0/1 میلیمتر و فاصله تالبوت 37/5 میلیمتر است. برای انجام آزمایش دمای گرمکن در بازه 28 تا 160 درجه سانتیگراد با تغییرات 10 درجه تغییر داده و برای هر دما 5 بار آزمایش تکرار شده سپس از نتایج میانگین-گیری میشود.
دمای محیط آزمایشگاهی هنگامی که گرمکن خاموش است 28 درجه سانتیگراد میباشد. دمای سیال متلاطم مرکز پرتو لیزر یعنی در فاصله80 سانتیمتری از سطح گرم کن در دما 40، 100 و 160 درجه به ترتیب 29/2، 32/2 و 33/9 درجه سانتیگراد میباشد. سرعت دادهبرداری توسط دوربین 30 CCD تصویر در ثانیه و زمان نوردهی 1 میلی ثانیه تنظیم می-شود. با استفاده از تحلیل دادههای حسگر جبههی موج جبههی موج در دهانه تلسکوپ دوم یعنی بعد از عبور از محیط متلاطم بازسازی میشود.
-1-2 محاسبه تابع ساختار فاز
پس از محاسبه فاز جبههی موج تابع ساختار آن را می-توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه نمود
در عمل برای استفاده از این رابطه در تعیین تابع ساختار فاز، همه نقاطی را که بر روی جبههی موج در جهت x - y - ،موازی - عمود بر - سطح گرمکن، به یک فاصله از هم قرار دارند انتخاب و مربع اختلاف فاز آنها را محاسبه میکنیم . سپس میانگین-گیری آنسامبلی برای هر فاصله معین انجام میدهیم. به این ترتیب تابع ساختار فاز در دو جهت عمود بر سطح گرمکن و موازی آن محاسبه میشود. طبق مدل کلموگروف در بازه لختی یعنی هنگامی که فاصله دو نقطه در جبهه موج بین مقیاس بیرونی تلاطم، L0 ، و مقیاس درونی تلاطم، l0 ، باشد D - r - r 3 خواهد بود. شکل2 تابع ساختار محاسبه شده در دو راستا را در دماهای مختلف گرمکن نشان میدهد که در آن فاصله مرکز پرتو تا منبع گرمایی 80 سانتیمتر است.
شکل :2 محاسبه تابع ساختار فاز در دو راستای موازی سطح گرمکن و عمود بر آن
در این آزمایش فاصله نقاط مرجع روی جبههی موج 3 میلیمتر است که بزرگتر - یا در حدود مقیاس درونی تلاطم است - ، لذا نمیتوان رفتار تابع ساختار را در ناحیه کوچکتر از مقیاس درونی تلاطم مورد بررسی قرار داد. بر اساس مدل کلموگروف تلاطم در بازه لختی همگن و همسانگرد است.
