Кратко — сначала механизмы, потом практичные методы коррекции и их ограничения.
Механизмы формирования пятна на приёмнике
- Фазовые и амплитудные флуктуации из-за турбулентности (разброс по масштабам от больших до малых):
- Большие течения (low‑frequency, крупномасштабные): смещение центра луча (beam wander) и дрейф.
- Средние и малые масштабы: фазовые искажения приводят к расширению пучка (beam spread) и образованию спеклов; малые масштабы дают локальные волновые фронты с сильной кривизной.
- Интерференция фазовых возмущений ⇒ интенсивностные флуктуации (scintillation) — неспоследовательное усиление/подавление света в точках приёмной плоскости.
- Ключевые параметры (количественные оценки):
- Параметр неустойчивости среды $C_n^2(z)$ (вертикальное распределение).
- Параметр Фрида (коherent length): $$r_0={\left[0.423k^2{\int }_0^L{C}_n^2(z)dz\right]}^{-3/5},$$ где $k=2\pi /\lambda$. $r_0$ задаёт масштаб, ниже которого волновой фронт ~плоский.
- Рытовская дисперсия (интенсивностные флуктуации, приближённо для горизонтального канала): $${\sigma }_R^2\propto C_n^2{k}^{7/6}{L}^{11/6},$$ — рост с длиной пути и частотой.
- Strehl‑коэффициент (качество фокуса): $$S\approx \exp (-{\sigma }_{\varphi }^2),{\sigma }_{\varphi }^2\propto (D/r_0{)}^{5/3},$$ где $D$ — апертура/диаметр пучка.
- Последствия для пятна: широкая «долговременная» оболочка из-за рассеяния+дифракции, флуктуации яркости в масштабе speckle, смещение центра и непредсказуемые пробои по интенсивности (высокая вариативность мощности по точкам).
Эффективные методы коррекции волнового фронта (практично)
- Tip‑tilt (двухкомпонентная коррекция) — компенсирует beam wander и надоест при слабых возмущениях; простая, высокая пропускная способность. Часто обязательна как первый этап.
- Адаптивная оптика (AO) с измерением фронта и деформируемым зеркалом (SCAO):
- Работает на фазовых искажениях; эффективна против расширения и спеклов при умеренной турбулентности.
- Требования: число степеней свободы ≈ $(D/r_0{)}^2$ (приближённо число активаторов/мод) и полоса управления больше Greenwood‑частоты $f_G$. Примеры формул: $$N_{\text{act}}\sim {\left(\frac{D}{r_0}\right)}^2,f_G\sim 0.43\frac{\bar{v}}{r_0},$$ где $\bar{v}$ — характерная скорость сдвига турбулентных слоёв.
- Многоконфор-мная/мультиконъюгированная AO (MCAO / Multi‑Conjugate):
- Корректирует турбулентность в нескольких высотных слоях (уменьшает анизопластичность и расширяет поле коррекции). Полезна при длинных трассах и разнесённых возмущениях.
- Пре‑компенсация (uplink pre‑compensation):
- Измеряют обратный путь через маячок/гид лазер, вычисляют коррекцию и применяют на передающем зеркале. Эффективно при обратной взаимности и наличии маячка.
- Оптическая фазовая конъюгация (OPC, phase conjugation):
- Может компенсировать как фазу, так и часть амплитуды при двунаправленных/ретро-путях; требует специализированной реализации (не всегда практична на одном пути).
- Апертурное усреднение и приёмная диверсификация:
- Большая апертура приёмника снижает scintillation (апертурное усреднение). Мультиапертурные системы + объединение (spatial diversity) уменьшают провалы по интенсивности.
- Коэргентное приёмообработка и цифровая «обратная проработка»:
- Гетеродинный приём + цифровая обработка фазы/амплитуды (MIMO‑объединение, фазовая ремодуляция) — помогает при сильной турбулентности и для связи.
- Предиктивное управление:
- Моделирование и предсказание на основе измерения ветра и временной корреляции улучшает производительность при ограниченной полосе усилителя.
- Комбинации: tip‑tilt + высокопропускная AO (многоактуаторов) + предикция + мультиконъюгированная схема дают наилучший результат для длинных/сильных каналов.
Ограничения и практические советы
- AO корректирует в основном фазу; scintillation (амплитуда) остаётся проблемой, особенно для длинных путей. Для неё нужны апертурная диверсификация, регенерация или OPC/комбинации.
- Для заданного диаметра $D$ и волнового фронта рентабельность исправления определяется отношением $D/r_0$: при $D\ll r_0$ достаточно tip‑tilt, при $D\gtrsim r_0$ — нужна высокопорядковая AO.
- Полоса управления должна превышать $f_G$; иначе эффект «запаздывающей» коррекции снижает эффективность.
- Наличие маячка (guide star) или ретрорефлектора сильно упрощает коррекцию; в отсутствие маячка применяют лазер‑маячки, естественные звездные/наземные точки или алгоритмы слепой коррекции.
Краткое практическое правило:
- короткие дистанции/слабая турбулентность — tip‑tilt ± небольшая AO;
- средние — SCAO с числом актюаторов $\sim (D/r_0{)}^2$ и полосой > $f_G$;
- длинные/сильные — MCAO или комбинация пред‑компенсации, OPC и приёмной диверсификации + цифровая обработка.
Если нужно, могу привести пример расчёта $r_0$, ${\sigma }_R^2$ и требуемого числа актюаторов для ваших конкретных параметров (λ, L, C_n^2, D, v).