بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله طراحی و مدرج سازی شبیه ساز تلاطم اپتیکی جو توضیح داده شده است. محفظه طراحی شده با استفاده از مخلوط شدن جریان هوای سرد و داغ، آشفتگی جوی را شبیه سازی می کند. با استفاده از آزمایش زاویه فرود پرتو نشان داده شده است که آمار حاکم بر محفظه شبیهساز از چگالی طیف توان فون کارمن تبعیت میکند. مقیاس درونی تلاطم 4 1 mm و مقیاس بیرونی آن 20 1mmاست که مستقل از اختلاف دمای هوای سرد و گرم است. با استفاده از واریانس زاویه فرود پرتو، پارامتر فرید برای دماهای مختلف تعیین شده است که مقدار آن از 5 1mm در دمای30 درجه تا 1/1 0/5 mm در دمای 130 درجه تغییر میکند. با استفاده از چگالی طیف توان زمانی و برازش منحنی با روابط نظری، سرعت جریان متلاطم 17/5 0/5m/s به دست آمده است.
-1 مقدمه
یکی از مهمترین بخشهای طراحی یک سامانه اپتیک تطبیقی، آزمون و ارزیابی آن در محیط آزمایشگاهی است. تاکنون روشهای مختلفی برای ساخت محیط شبیهسازی آشفتگی معرفی شده است .[1] در این پژوهش از روش اتاقک هوای داغ استفاده شده و فراسنجههای آشفتگی بدست آمده است. آشفتگی پدیدهای تصادفی است بنابراین باید از دیدگاه آماری بررسی شوند. توصیفهای آماری مختلفی برای آشفتگی داده شده است. در این پژوهش آمار اتاقک آشفته با آمارهای کالموگروف و فون-کارمن مقایسه شده است.[2]
-2 آشفتگی اپتیکی و شاخص فرید
مخلوط شدن تودههای هوا با چگالیهای متفاوت، ضریب شکستهای تصادفی و آشفته را در جو بوجود میآورد. طول موج پرتو عبوری است. به دلیل وابستگی C 2N به دما، پارامتر r0 نیز تابع دما است. این ویژگی باعث میشود که بتوان پارامترهای تلاطم را با تنظیم اختلاف دمای بین جریان هوای سرد و گرم کنترل کرد. در تلاطم اپتیکی که در محیط آزمایشگاه توسط مخلوط کردن هوای سرد و گرم در یک محفظه انجام میشود، اختلاف دما، سرعت جریان هوا و قطر پرتو عبوری به گونهای انتخاب میشود که نسبت D/r0 با نسبت به دست آمده در تلسکوپهای عملیاتی قابل مقایسه باشد. بر اساس این قانون تا زمانی که نسبت D/r0 ثابت است، تأثیر انحراف جبههی موج یکسان است.
-3 اثر مقیاس درونی و مقیاس بیرونی
مقیاس بیرونی L0 حد بالای حضور شاره تلاطمی است. این حد بالا باعث میرا شدن ابیراهیهای اپتیکی مرتبه پایین میشود.[3]
-4 آزمایش زاویه فرود پرتو
-1-4 معرفی چیدمان آزمایش و اجزای آن
اتاقکی که برای شبیه سازی آشفتگی جو در نظر گرفته شده است یک مکعب است که جریان هوا توسط دو دمنده که در دو طرف اتاقک و روبروی هم قرار دارند وارد اتاقک می شود. جلو هر دمنده یک توری لانه زنبوری قرار گرفته است که باعث ایجاد جریان همگن و همسانگرد هوا در اتاقک خواهد شد. تغییر دما عامل اصلی آشفتگی جوی است . در اتاقک شبیه ساز آشفتگی نیز جلو یکی از دمنده ها چند گرم کن قرار گرفته است که اعمال ولتاژ به آنها باعث گرم شدن هوا تا دمای دلخواه میشود.
اختلاف دمای در نظر گرفته شده برای انجام آزمایشها بین 30 تا 200 درجه سانتیگراد است. لیزری که برای آزمایش در نظر گرفته شده است یک لیزر دیودی با طول موج 635 nm است.گیرنده شامل یک دریچه با قطر دهانه متغیر و یک عدسی است. عدسی، پرتو لیزر را روی صفحه حساس آشکارساز حساس به موقعیت - PSD - کانونی میکند. شکل - 2 - تصویر آشکارساز PSD در چیدمان آزمایش را نشان میدهد.
-2-4 روش انجام آزمایش نمای کلی آزمایش زاویه فرود در شکل - 3 - نشان داده شده است. با روشن شدن دمنده و گرمکن ها دمای اتاقک به میزان دلخواه تنظیم میشود. در تمام مدت انجام آزمایش، سرعت جریان هوا باید ثابت باشد. هنگامی که اختلاف دمای هوای اتاقک بر روی یک دمای مشخص ثابت گردید، ثبت موقعیت لکه لیزر بر روی آشکارساز شروع میشود. قطر دریچه از 50mm تا 2mm تغییر داده میشود. در هر یک از این قطرها، در بازه زمانی 60S اطلاعات موقعیت لکه ذخیره سازی می شود. چون فاصله زمانی نمونه برداری 2ms در نظر گرفته شده است، در هر دقیقه 30000 عدد ثبت خواهد شد.
اگر زوایه انحراف پرتو را کوچک در نظر بگیریم، میتوان با تقسیم کردن جابه جایی پرتو در راستای x,y بر فاصله کانونی عدسی - f=600mm - ، زاویه انحراف پرتو را بهدست آورد. شکل - 4 - تغییرات زاویه فرود پرتو در راستای محور x برای اختلاف دمای 80 C و قطر دهانه 35 mmرا نشان میدهد. شکل - 3 - تغییرات زاویه فرود در راستای محور - a - x و محور - b - y -3-4 تجزیه و تحلیل اعداد به دست آمده از آزمایش -1 -3-4 تعیین نوع آمار حاکم بر اتاقک شبیه ساز درصورتی که مقیاس درونی آشفتگی را برابر صفر و مقیاس بیرونی آشفتگی نیز برابر بینهایت باشد، آمار توصیف کننده آشفتگی، آمار کالماگروف است.
به دلیل همسانگردی آشفتگی داخل اتاقک کافی است وردایی زاویه فرود در راستای یکی از محورهای مختصات را بدست آوریم. در یک دمای مشخص وردایی زاویه فرود را برای قطرهای مختلف بدست آورده و آن را برحسب قطر دهانه رسم میکنیم. بر روی نقاط رسم شده، یک منحنی با تغییرات D 1/ 3 را برازش می کنیم. شکل - 6 - این برازش برای اختلاف دمای 80 C را نشان میدهد. شکل - 4 - منحنی تغییرات وردایی زاویه فرود در راستای محور y بر حسب D به ازای دمای 80 درجه سانتیگراد بر اساس این شکل در قطرهای کوچک و قطرهای بزرگ، داده های تجربی بر آمار کالماگروف به صورت کامل منطبق نیست. این عدم تطابق را به این شکل می توان توضیح داد که در اتاقک شبیه ساز، مقیاس درونی برابر صفر نیست.
مقیاس درونی در قطرهای کوچک دهانه تلسکوپ بیشتر نمایان است و با افزایش قطر دهانه اثر آن کاهش مییابد. از طرفی مقیاس بیرونی در قطرهای بزرگ اثر کاهشی خود را نشان میدهد. به همین دلیل است که منحنی وردایی زاویه فرود بر حسب D در قطرهای بزرگ به صورت کامل بر منحنی برازش شده منطبق نیست. میتوان نتیجه گرفت که باید به جای توصیف اتاقک آشفتگی بر حسب آمار کالموگروف از آمار فون کارمن استفاده کنیم که شامل مقیاس بیرونی و درونی است.
-2-3-4 تعیین مقیاس درونی و بیرونی
برای توصیف وردایی زاویه فرود از رابطه - 8 - که شامل مقیاس دورنی و مقیاس بیرونی است، استفاده میکنیم. - 4 - جابهجایی زاویهای پرتو در اختلاف دمای ثابت و به ازای قطرهای 2-10 mm با فاصله 0.5mm و به ازای قطرهای بزرگتر را با فاصله 5 mm انجام میدهیم. وردایی جابهجایی زاویه فرود را برای هر قطر و اختلاف دماهای مختلف به دست میآوریم. با توجه به رابطه - 8 - فراسنجهی C N2 h در وردایی زاویه فرود وجود دارد.
برای ازبین بردن این وابستگی، ورداییهای بهدست آمده را بر وردایی کوچکترین قطر - 2mm - تقسیم کرده تا وردایی بهنجار بهدست آید . وردایی بهنجار را بر حسب قطر دهانه - D - رسم می کنیم. برای تعیین فراسنجه مقیاس درونی، انتگرال رابطه - 8 - را به ازای l0, L0 مختلف رسم کرده تا جایی که برازش منحنی تئوری با نقاط تجربی کمترین خطا را داشته باشد. به این ترتیب مقدار مقیاس درونی بدست خواهد آمد. شکل - 7 - منحنی وردایی بهنجار بر حسب D برای اختلاف دمای 80 C را نشان می دهد.
