基于自适应光学成像非等晕效应的空变点扩展函数估计模型

针对湍流扰动波前改正的天文自适应补偿成像系统由于等晕区存在而限制了观测视场内有效的补偿区域.这对通过自适应光学系统获取的天文实测数据的充分利用造成很大不便.通过对自适应光学系统空域统计特性的分析,得到空变点扩展函数的成像系统描述.在此基础上,依据大气光学统计理论,通过多相位屏分层大气湍流模型,提出一种利用数值模拟估计空...     

自适应光学系统的数值模型

本文讨论了有限单元变形镜自适应光学系统的数值模型及其算法，建立了一个反映自适应光学系统各组成部分的数值模拟程序，并利用这个程序对激光大气传输湍流效应的位相补偿进行了数值模拟，其中包括大气相干长度，非等晕性及自适应光学系统的有限响应带宽对补偿效率的影响。     

中国西部典型地区整层光学湍流观测与分析

基于大气相干长度和等晕角综合测量系统在中国西部地区的长期测量资料,分析了大气相干长度和等晕角的时间变化和统计分布特征,给出了白天、夜间、傍晚转换时刻三个时段大气相干长度和等晕角的平均值和标准差。对原始数据的概率分布统计表明,不同地区不同月份大气相干长度和等晕角近似满足对数正态分布,并采用样本偏度和样本峰度描述样本分布同正态分布的偏离程度。分析了大气相干长度和等晕角月平均值的相关性,定性评估了不同时段高层湍流和近地湍流对大气相干长度和等晕角的贡献。     

自适应光学系统测试中大气湍流的时域模拟

建立了大气湍流模拟的时域模型,用于在自适应光学系统的测试中模拟大气湍流的时域变化。讨论了时域模型下随机相位屏平滑帧数和刷新频率与平均风速的关系。结果表明：对表征随机波前的随机相位屏进行时域平滑可使随机波前的变化更符合大气湍流对入射波前连续平滑渐变的影响;随机相位屏的平滑帧数仅与系统口径和大气相干长度相关,而与风速无关;随机相位屏的刷新频率与平均风速成正比,平滑后的刷新频率还与平滑帧数成正比。最后,构造了一套大气湍流模拟装置,应用功率谱分析法对时域模型的有效性进行了验证。     

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。     

大气光学湍流模式研究:Cn2廓线模式

由于大气湍流的存在,当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象,严重制约光电系统的性能,是造成天文观测困难的主要原因.大气折射率结构常数C_n²廓线是评估大气湍流效应的重要参数.本文归纳了几种有代表性的C_n²廓线模式,提出了修正的CLEAR I夜晚模式;分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据,给出了5个实验点算术平均拟合的C_n²廓线公式;计算了各模式和测量数据在波长为0.5μm时的大气相干长度r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0、相干时间τ0、等效高度h和等效风速V等大气光学参数以及各大气层C_n²递减率和不同大气层湍流贡献百分比.重点对H-V(5/7)模式的存疑、 C_n²廓线模式采用的平均方法、低平流层C_n²是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出:相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

大气湍流畸变对空间目标清晰干涉成像仿真研究

本文利用功率谱反演法分别展开对符合 Kolmogonov 统计规律和修正后的Von Karmen 统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究. 得到各种模型下相位屏对该成像系统干涉成像图. 仿真结果表明, 采用闭合相位原理, 基本可以消除大气湍流对光束波前的影响, 验证了采用相位闭合技术的优势.     

功率谱反演大气湍流随机相位屏采样方法的研究

从产生大气湍流随机相位屏的功率谱反演法原理出发,分析了均匀采样造成的随机相位屏大量低频信息泄漏的不足,提出利用非均匀采样方法对功率谱进行滤波产生随机相位屏.建立了非均匀采样模型,并分析比较了两种采样方法覆盖的采样频率范围和单边采样频率区域的湍流功率,理论证明了非均匀采样功率谱反演产生大气湍流随机相位屏的可行性和有效性.针对大气湍流的Kolmogorov谱,分别仿真计算了两种采样模型下功率谱反演生成的大气湍流随机相位屏.仿真结果表明,在不增加采样点和计算量条件下,非均匀采样方法生成的大气湍流随机相位屏具有丰富的低频和高频信息,有效改善了传统功率谱反演大气湍流随机相位屏时低频信息严重不足的缺陷.     

非均匀湍流路径光传播数值模拟中相位屏间C2n的选取

针对非均匀湍流路径光传播的数值模拟,为减小相位屏间湍流强度均匀的假设所引起的模拟误差,数值分析了在种选择相位屏间折射率结构常数C2n的可能方案.通过计算平面波和球面波的Rytov指数和Fried参数,对比五种方案得到的Rytov指数和Fried参数与理论结果的相对误差.结果表明,当相位屏间C2n选择为相位屏间湍流大气实际的折射率结构常数的路径平均值时,模拟误差最小,该选择方案为相位屏间C2n选取的最伟方案;当根据相位屏间湍流大气的Rytov指数相等的原则来设置相位屏分布时,选择相位屏间C2n为两相邻相位屏处折射率结构常数的儿何平均值时,在一定的误差允许范围内,该选择方案具有可取性.     

基于目标在回路的三路光纤传输激光相干合成实验

实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在回路技术.建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束倾斜的自适应光纤光源准直器,同时补偿合成光束间的平移和倾斜相差,实现了基于目标在回路的三路光纤传输激光间相干合成,获得了接近理想情况的合成效果.文章为在实际大气环境中实现多路相干组束的长距离传输提供了参考.     

Simulation of anisoplanatism of adaptive optical system in inhomogeneous turbulent atmosphere

The goal of this study was to analyse anisoplanatism of adaptive optics under an inhomogeneous turbulent atmosphere over a pupil of finite size. By means of a numerical model with layers of turbulence software was proposed by which point spread function (PSF), optical transfer function (OTF) as well as system isoplanatic angle can be calculated. Atmospheric turbulence was simulated with the aid of a set of moving random phase screens with arbitrary statistics. Both reference and target are assumed to be the point light sources. To simulate atmospheric turbulence we applied the concept of a number of moving random phase screens with Kolmogorov spectrum. In my investigation I used the model of the Shack-Hartmann wave front sensor and the ideal model of a wave front adaptive mirror that is assumed to reproduce a given number of Zernike polynomials without time delays. The designed software allows calculation of instantaneous and average values of phase correction errors at different angles between a reference beacon and target source. Simulations can be made with a broad range of parameters of an adaptive system and atmospheric turbulence. The system of the model allows changing of the control algorithm of phase correction. Both common phase conjugation and weighted phase conjugation algorithm have been tested. This program is capable of calculating the effects of beam diffraction during propagation in the atmosphere.     

自适应光学中的非等晕性

本文讨论了自适应光学中非等晕域对补偿效果的影响,提出了一种减小非等晕性误差的新方法—位相梯度法。分析结果表明,该方法可显著增大有效校正的角范围,使非等晕性误差的影响大大减小。我们预期位相梯度法有望解决自适应光学中信标的非等晕性问题。     

Generation of infinitely long phase screens for modeling of optical wave propagation in atmospheric turbulence

Numerical modeling of optical wave propagation in atmospheric turbulence is traditionally performed by using the so-called 'split'-operator method, where the influence of the propagation medium's refractive index inhomogeneities is accounted for only within a set of infinitely narrow phase distorting layers (phase screens). These phase screens are generated on a numerical grid of finite size, which corresponds to a rather narrow slice (spatial area) of atmospheric turbulence. In several important applications including laser target tracking, remote sensing, adaptive optics, and atmospheric imaging, optical system performance depends on atmospheric turbulence within an extended area that significantly exceeds the area associated with the numerical grid.

In this paper we discuss methods that allow the generation of a family of long (including infinitely long) phase screens representing an extended (in one direction) area of atmospheric turbulence-induced phase distortions. This technique also allows the generation of long phase screens with spatially inhomogeneous statistical characteristics.     

激光导星角度与聚焦非等晕性综合分析

采用自适应光学(AO)系统对湍流大气进行校正时,非等晕性误差的影响不可避免。基于空间谱滤波技术,围绕湍流大气角度、聚焦、角度与聚焦相耦合非等晕性问题,进行了统一建模,给出了不同情况下的理论描述公式,分析了纯角度和纯聚焦非等晕误差中不同泽尼克模式分量所占比份。针对典型AO系统工作模式,分析了不同高度大气层对非等晕性误差的贡献。实际应用时,根据应用场景,应对AO系统工作模式和信标模式做优化匹配选择。     

Study on an optical system with coherent laser array source and phase optimization in turbulent atmosphere

Model of an optical system with coherent laser array source and the piston phase optimized by the stochastic parallel gradient descent algorithm is established. With this model, theory of beam propagation through the optical system in turbulent atmosphere is analyzed, and the analytical formulas of the beam average intensity along the propagation path are derived. Strehl ratio of the received beam induced by intensity disorderly distribution and power efficiency of the received beam are introduced to evaluate performance of the optical system. Under the H-V 5/7 atmospheric turbulent model, performance of an optical system with determinate parameters was calculated, and the influences of the propagation distance and the laser wavelength were numerically analyzed, respectively.     

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.     

激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解

激光导引星概念解决了自适应光学技术的信标问题，同时带来了无法克服的非等晕性误差。将高度聚焦非等晕性误差和角度等晕性误差统一起来考虑，分析激光导引星的大气湍流波前各阶模式的非等晕性误差，并给出了解析模型。同时分析了瑞利导星和纳导星的大气湍流波前的模式非等晕性相对误差，在没有角度偏离的情况下，90km的钠导星的模式非等晕性误差明显小于15km的瑞利导星，但是它对角度的敏感程度却远远大于端利导星。采用激光导引星的自适应光学系统用于大气湍流的校正，选择较低阶的模式校正就可以达到较好的效果，而且即使目标与导引星的偏角大于等晕角，选择低阶模式也可以达到有效的部分校正效果。     

孔径平均效应对采用相位补偿技术的空间相干光通信系统误码率的影响

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型,通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明:孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率,改善系统性能;原始信噪比越高,传输距离越短,波长越长,相位补偿模式的J值越大,接收孔径直径越接近最优值,孔径平均效应对误码率的改善效果越明显;孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值,相位补偿模式的J值越大,影响越明显;系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大,随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。     

Diffractive optical elements with a double identical microstructure for determination of statistical parameters of random phase objects

Physical processes of interference pattern formation in partially coherent and coherent optical systems containing special diffractive optical elements with a double identical microstructure are studied in the case when a thin scattering object is present in the optical system. Methods for determining the spatial coherence function of the light field, the autocorrelation function of transmission of random phase screens, and the statistical parameters of the screens are considered.