Наиболее сильно влияние атмосферы проявляется в протяженных оптических каналах, например, космос — Земля и Земля — космос, которые используются для траекторных и астрономических измерений, локации Луны, решения калибровочных и юстировочных задач. Использование ЛИС в этих каналах требует учета особенностей распространения световых волн, которые обеспечивают оптический контакт с ИСЗ[4] в пределах пространства над горизонтом наблюдателя. Если к этому добавить малую продолжительность сеанса измерений из-за высокой скорости перемещения ИСЗ и низкую точность измерений из одного пункта, то вполне естественным окажется использование совокупности ЛИС, рассредоточенных на обширной территории и образующих измерительный комплекс.

Таким образом, в отличие от радиотехнических космических измерительных комплексов, в которых выбором диапазона длин волн удается существенно снизить мешающее действие атмосферных образований, эффективность применения ЛИС в значительной степени определяется как геометрией их расположения и динамикой движения ИСЗ (что сближает их с радиотехническими измерителями), так и статистическими характеристиками полей атмосферы. Эти характеристики играют основную роль при синтезе структуры измерительных комплексов, используемых при локации медленно перемещающихся объектов (Луна, стационарные ИЗО).

В зависимости от масштабов атмосферных неоднородностей и пространственно-временных характеристик их полей проблема повышения эффективности ЛИС должна решаться на разных иерархических уровнях.

Первый уровень предусматривает адаптацию структуры ЛИС к возмущениям атмосферы или целенаправленное изменение возмущений, выбор оптимальных параметров измерительной системы, комплексирование оптических и радиотехнических измерителей. Этот уровень несет в значительной степени отпечаток индивидуальных свойств ЛИС.

Второй уровень, являющийся определяющим, связан с синтезом, пространственно-временной структуры комплекса ЛИС, оптимально согласованной со стохастической структурой облачных полей и динамикой движения ИСЗ. Комплекс ЛИС обладает всеми признаками больших систем: целенаправленностью и вероятностным характером функционирования, иерархичностью структуры, сложными переплетающимися связями и возможностью адаптации к внешним условиям.

Эффективность применения ЛИС в реальных условиях в значительной степени определяется свойствами тех случайно-неоднородных сред, которые, как правило, разделяют измерительную систему и исследуемый материальный объект. Примером случайно-неоднородной, или турбулентной, среды является прозрачная атмосфера Земли, диэлектрическая проницаемость которой случайным образом изменяется в пространстве и во времени.

Турбулентные флуктуации показателя преломления существенно ухудшают тактико-технические характеристики ЛИС (дальность действия, точность измерений и др.) как из-за искажения непосредственно измеряемых параметров световой волны (например, угла прихода), так и за счет действия значительной мультипликативной помехи.

Одним из эффективных путей уменьшения возмущающего действия полей турбулентных неоднородностей на качество функционирования ЛИС является применение быстро развивающихся в последние годы адаптивных методов компенсации искажений оптического сигнала. Сущность адаптивных методов заключается в автоматической коррекции амплитуды и фазы поля волны в плоскости передающей (приемной) апертуры лазерной системы на основании данных о турбулентных искажениях оптической волны с целью получения максимальной интенсивности излучения в плоскости исследуемого материального объекта (получения наилучшего изображения объекта).

Технические трудности реализации амплитудно-фазовой коррекции, а также то, что в ряде случаев основные ограничения на работу лазерных систем накладывают фазовые флуктуации, привели к преимущественному развитию методов фазовой компенсации. Впервые возможность преддетекторной компенсации атмосферных искажений волнового фронта в астрономических телескопах рассмотрел в 1953 г. Бэбкок. В начале 70-х годов с созданием широкополосных устройств управления волновым фронтом оптических полей (активной оптики) были созданы когерентные оптические системы с адаптацией к атмосферным искажениям сигнала. В ЛИС эти методы целесообразно использовать в системах с гетеродинными приемниками или с дифракционно-ограниченными приемниками прямого фотодетектирования.

Наибольшее распространение в измерительных системах получили методы адаптации, которые предполагают управление фазовым фронтом излучаемой волны с целью максимизации мощности лазерного излучения, распространяющегося через турбулентную среду, в плоскости исследуемого объекта. Когерентные адаптивные оптические системы с управлением волновым фронтом излучаемого поля получили название систем СОАТ (от английских слов Coherent Optical Adaptive Techniques).

Адаптивные методы компенсации с управляющим воздействием на волновой фронт излучаемого поля основываются на свойствах линейности, взаимности и квазистационарности атмосферы. Для выполнения условия квазистационарности необходимо, чтобы временной отклик адаптивной системы и время распространения сигнала не превышали времени «замороженности» турбулентной среды, которое составляет 10-3 .10-2с. Принципы адаптивной компенсации фазовых искажений волнового фронта можно проиллюстрировать с помощью Рисунок 5, где в плоскости а-а изображен фронт зондирующей волны до входа в случайно-неоднородную среду, а в плоскости б-б — искаженный фазовый фронт после прохождения турбулентного участка среды. Если теперь измерить распределение фаз в плоскости б-б, сформировать фазосопряженный принятому фронт волны и излучить его с помощью апертуры, расположенной в плоскости б‑б, то в плоскости а-а благодаря взаимности атмосферы будет принята плоская волна. Информацию о турбулентных искажениях волнового фронта в плоскости б-б можно получить и с помощью косвенных измерений, например, путем анализа интенсивности излученного сигнала в плоскости а-а

Существенное влияние на точность измерения дальности оказывают условия распространения излучения, связанные с влиянием регулярных неоднородностей тропосферы. Групповой показатель преломления в атмосфере может быть рассчитан с относительной погрешностью порядка 10-8, если известны длина волны, давление, температура и влажность. Для учета условий распространения используют модель слоистой атмосферы с постоянным групповым показателем n в каждом слое. Первое приближение получают, используя параметры стандартной атмосферы. В этом случае ошибка измерения дальности вследствие отличия реальной атмосферы от стандартной не превышает 2 . 3 м.

Анализ погрешностей измерения дальности показывает, что при одиночном измерении среднеквадратическая погрешность 5 . 10 м может быть обеспечена типовой структурной схемой лазерного дальномера, если лазерный источник излучения позволяет получить на заданном расстоянии отношение сигнал-помеха около 10. Такую типовую структурную схему имеют дальномеры тактического назначения.