В Квантовом центре МТУСИ и проектно-конструкторском бюро разработки космических технологий МФТИ разработали симулятор атмосферной турбулентности. Он позволяет моделировать искажения, которые возникают при прохождении световой волны через турбулентную атмосферу, и таким образом проверять работу систем адаптивной оптики и беспроводной оптической связи. Статья опубликована в журнале Technologies.
Атмосферная турбулентность — это перемешивание воздушных масс в атмосфере Земли, из-за нее возникают локальные изменения температуры, плотности и показателя преломления. Вследствие этого световая волна по-разному распространяется в атмосфере, и ее волновой фронт — поверхность, где световые колебания имеют одинаковую фазу,— искажается.
Для оптических систем это критически важно, потому что световая волна может терять пространственную когерентность, из-за чего изображение объекта может стать менее четким. В системах свободно-пространственной оптической связи, например, при передаче данных лазерным лучом, влияние турбулентности может уменьшать мощность сигнала на приемнике и ухудшать точность. Кроме того, атмосферная турбулентность ограничивает работу наземных телескопов, лазерных систем и оптических линий связи со спутниками.
Статистическая модель атмосферной турбулентности уже известна, как и методы формирования фазового экрана — математической карты фазовых искажений световой волны, которая имитирует воздействие турбулентности атмосферы. Последовательность фазовых экранов показывает, как атмосферные искажения меняются со временем.
Однако не хватало универсального инструмента, который мог бы быстро воспроизводить физически корректную турбулентность со статистикой Колмогорова (классической моделью, описывающей хаотичное движение воздуха в турбулентном режиме), гибко менять параметры среды и одновременно работать в составе реальной системы адаптивной оптики. Для того чтобы закрыть этот пробел, в Квантовом центре МТУСИ и проектно-конструкторском бюро разработки космических технологий МФТИ создали программно-аппаратный симулятор.
Уже существуют симуляторы атмосферной турбулентности, однако у них есть ограничения: низкое разрешение фазовых экранов, недостаточная частота генерации, зависимость от мощного аппаратного обеспечения и ограниченные диапазоны длины волны, скорости ветра и длины трассы.
«Мы стремились создать компактный и гибкий инструмент, который позволял бы воспроизводить статистически корректные фазовые флуктуации в широком диапазоне условий — от слабой турбулентности до очень сильной, с возможностью оперативно менять длину волны, скорость ветра и размер апертуры. В итоге у нас получился симулятор, который позволяет, не выходя из лаборатории, посмотреть, как поведет себя лазерный пучок при различных условиях среды распространения»,— рассказал Илья Галактионов, руководитель Квантового центра МТУСИ и инженер проектно-конструкторского бюро разработки космических технологий МФТИ.
Илья Галактионов разработал свой программно-аппаратный симулятор атмосферной турбулентности. Сначала программа генерирует искусственные фазовые искажения, которые должны статистически соответствовать реальной атмосферной турбулентности. Затем эти искажения воспроизводятся с помощью устройства адаптивной оптики и измеряются датчиком волнового фронта.
После этого сравниваются исходный смоделированный фазовый экран и экспериментально реконструированные волновой фронт, чтобы оценить точность системы. Дополнительно ученый проверил, соответствует ли поведение сгенерированной турбулентности модели Колмогорова, а производительность нового симулятора сравнил с уже существующими приборами по скорости, разрешению и диапазону настраиваемых параметров.
«Представьте, что вы настраиваете лазерную связь между двумя зданиями, но на улице дует ветер, и солнце нагревает асфальт — лазерный пучок начинает “дрожать”, расплываться и отклоняться от требуемой траектории, и информация теряется. Наш симулятор воспроизводит эти эффекты прямо в лаборатории. Он генерирует последовательности фазовых карт, статистически эквивалентных тем, которые возникают при прохождении лазерного пучка через турбулентную атмосферу. Раньше для подобных экспериментов требовались либо длинные натурные трассы, либо узкоспециализированные стенды с ограниченным диапазоном настройки. Наш инструмент позволяет менять условия на лету, моделировать различные сценарии — от городской атмосферы до высокогорных условий — и оперативно оценивать качество коррекции прямо в лаборатории, без многократных выездов в поле»,— пояснил Илья Галактионов.
Результаты показали, что разработанный симулятор позволяет быстрее и гибче моделировать атмосферную турбулентность с относительной ошибкой 8%. Он генерирует фазовые экраны с частотой до 100 Гц, что примерно в три раза быстрее, чем наиболее быстрый из сравниваемых аналогов с частотой около 33 Гц. При этом максимальное разрешение увеличено до 1024 × 1024 пикселей, что в 1,5 раза превышает аналоги.
Кроме того симулятор позволяет работать в более широком диапазоне: максимальная длина волны выросла с 2,2 до 10 мкм — более чем в четыре раза, а максимальная скорость ветра увеличилась с 30 до 50 м/с, то есть примерно в 1,7 раза. Размер апертуры увеличен с 400 до 800 мм — в два раза.
«С практической точки зрения значимым результатом является достижение высокой производительности на стандартном процессорном оборудовании, что делает инструмент доступным для широкого круга лабораторий без необходимости приобретения дорогих графических ускорителей. Также мы создали полноценное программное обеспечение с открытой архитектурой для интеграции с различными типами волновых корректоров. В общем, мы сделали не просто симулятор, а полноценный рабочий стенд для инженеров и ученых»,— добавил Илья Галактионов.
Одно из прямых применений разработки — исследование беспроводных оптических линий связи. Атмосферная турбулентность искажает волновой фронт и может ухудшать прием оптического сигнала, поэтому возможность контролируемо воспроизводить такие искажения позволяет оценивать устойчивость системы еще на этапе лабораторных испытаний. Также эта разработка будет полезна для астрономических исследований: симулятор позволит тестировать адаптивную оптику телескопа до проведения эксперимента.
«В ближайших планах — выпуск второй версии программного обеспечения с расширенной поддержкой различных типов корректоров и интерфейсов для взаимодействия с ними, включая пространственные модуляторы света и MEMS-зеркала. Мы также работаем над оптимизацией алгоритмов для гибридных вычислений, чтобы сохранить высокую производительность и при максимальном разрешении. Кроме того, мы думаем над созданием веб-демоверсии симулятора, которая позволит исследователям ознакомиться с его возможностями без установки, а также разработать плагины для Matlab и Python для более тесной интеграции с научными рабочими процессами. В долгосрочной перспективе мы намерены добавить поддержку не-колмогоровских спектров и реализовать режим работы в реальном времени для замкнутых адаптивных систем. Также рассматриваем возможность открытого доступа к исходному коду для академического сообщества»,— рассказал Илья Галактионов.
Научная статья: Galaktionov I. A Robust Tunable Simulator of Atmospheric Turbulence for Performance Analysis of Wireless Optical Links // Technologies 2026, 14, 427. DOI: https://doi.org/10.3390/technologies14070427
