海洋湍流中光学成像相关问题研究

比较研究了海洋湍流与大气湍流中长曝光调制传递函数的差异,讨论了海洋湍流中短曝光调制传递函数(SEMTF)的适用性,并且详细研究了海洋湍流参数对系统分辨率的影响。研究表明:海洋湍流中温度起伏占主导地位比盐度起伏占主导地位时的成像质量更高,即包含更多原图像的高频细节。虽然用Fried短曝光理论研究SEMTF时在高频区存在缺陷,但随着透镜直径与空间相干长度之比以及光传输距离的增大,SEMTF在高频区的适用性增强。此外,随着海水功率谱温度与盐度的比率和海水温度方差耗散率的增大,海水单位质量湍流动能耗散率的减小,海洋湍流中光学系统的分辨率减小,即成像质量变差。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

时域分析自适应光学中的非等晕性

本文利用时域分析方法讨论了自适应光学中的非等晕性以及相位梯度法克服非等晕性的适用性,并将位相补偿和位相梯度法补偿情况下的剩余位相结构函数和Strehl比的一般表达式,统一用传递函数H(f)来描述。该关系式不仅可分析非等晕性,同时可讨论大气平均风场和系统响应带宽对自适应光学系统补偿效率的影响。     

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...     

海洋湍流中光波特征参量和短期光束扩展的研究

Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中,假设了海水有着稳定的分层.但是,实际海水通常不是稳定分层的,温度与盐度的涡流扩散率是不相等的.2017年,Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式,并校验了所得公式的正确性.研究发现：当温度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了;当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式,并验证了其正确性.研究还表明：海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

海洋湍流对光子轨道角动量量子通信的影响

本文研究了基于光子轨道角动量的量子通信在水下量子信道中受海洋湍流运动的影响.基于Elamassie等提出的海洋湍流功率谱模型,本文建立了不同海洋湍流参数与光子轨道角动量量子通信的单光子探测概率、信道容量、密钥产生率以及双光子共生纠缠度的定量关系,并利用纠缠光子对的共生纠缠度在海洋湍流中的普适衰减特性进一步研究了轨道角动量纠缠光子对在海洋湍流中的最大纠缠距离.研究结果表明:水下量子通信性能和纠缠光子对的共生纠缠度都随海洋湍流的湍流动能耗散率的增大或温度方差耗散率的减小而降低;温度和盐度因素对海洋湍流贡献的比值对水下量子通信的影响在海水是否稳定分层的条件下具有显著的区别;在通过海洋湍流进行量子通信时,增加信号光子的初始轨道角动量量子数可以提高量子密钥分发的密钥产生率和纠缠光子的纠缠衰减抵抗性.     

多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算

介绍了多层共轭自适应光学(MCAO)系统的基本原理及其对提高自适应光学系统的等晕角的作用。介绍了用计算机模拟计算MCAO等晕角所用的数值方法,并给出了相应的算法。计算了在传统的自适应光学系统中的等晕角的大小以及采用多层共轭技术的自适应光学系统的等晕角的大小,并对二者进行了比较,说明了多层共轭自适应光学系统相对于传统的自适应光学系统在提高系统的等晕角方面的优越性。结果表明,在MCAO中,变形镜的个数越多其等晕角越大。     

不稳定分层海洋湍流对厄米-高斯光通信系统的影响

推导了不稳定分层海洋湍流下厄米-高斯光束闪烁指数的理论公式,以及考虑海洋湍流和瞄准误差综合影响下UWOC系统信道系数的概率分布函数,进一步推导了系统主要性能参数即误码率、信道容量和中断概率的理论计算公式,并采用高斯-厄米正交积分近似方法求得3个性能参数的闭合表达式,仿真分析了不稳定分层和稳定分层湍流情况下,光束模数、传输距离、海洋湍流参数和瞄准误差对系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率的影响。结果表明：相比于稳定分层,不稳定分层的系统计算误差更小;当盐度波动占主导时,系统性能更好;随着均方温度耗散率增大、湍流动能耗散率减小、瞄准误差增大,系统信道容量减小,中断概率增大。本研究结果可为厄米-高斯光在水下光通信领域的应用提供参考。     

湍流大气中光束的相位不连续点数密度

基于Rytov近似和几何光学近似条件下,导出了对数振幅导数方差的解析表达式,证明了该参量主要取决于湍流内尺度、Rytov方差以及Fresnel尺寸大小.在此基础上,给出了光束相位不连续点数密度的修正表达式,分析了相位不连续点数密度随上述湍流参量变化的情况.分析表明在Rytov方差小于1的湍流条件下,不连续点数密度数随Rytov方差的增大而增大,而随湍流内尺度和Fresnel尺寸的增大而减小.     

Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论

从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.     

Influence of oceanic turbulence on propagation characteristics of Gaussian array beams

Based on the power spectrum of oceanic turbulence proposed by Nikishov, the influence of oceanic optical turbulence on propagation of Gaussian array beams is studied in detail by using five propagation characteristic parameters (i.e., mean-squared beam width, Rayleigh range, turbulence distance, power in the bucket and Strehl ratio). It is shown that the influence of oceanic optical turbulence on propagation of laser beams becomes stronger as τ (ratio of temperature to salinity contribution to the refractive index spectrum) and χ_T (rate of dissipation of mean-squared temperature) increase and ɛ (rate of dissipation of kinetic energy per unit mass of fluid) decreases, which is in agreement with the further analysis of oceanic turbulence shown in this paper. Furthermore, it is concluded that propagation of laser beams is more affected by oceanic optical turbulence in abyssal region than that in active region or oceanic surface.     

强湍流区的自适应光学适用性

从调制传递函数的观点出发,考虑振幅起伏相关性的影响,导出了在强湍流区自适应光学技术补偿光束畸变的斯特列尔比及补偿效率理论表达式。理论预计与实验结果相符。并且,对不要求完全补偿的情形,自适应光学在强湍流区也是适用的。     

大气闪烁对自适应光学校正的影响

 激光在大气湍流中长距离近水平传输时，闪烁加强，限制了常规自适应光学的校正能力。数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响，拟合得到了在Fresnel数一定时，Strehl比与Rytov方差的表达式，以及Rytov方差一定时，Strehl比与Fresnel数的表达式。结果表明，在Rytov方差较小时，纯相位校正Ｓtrehl比只与Rytov方差有关；随着Rytov方差的增加，Strehl比不仅与Rytov方差有关，还与Fresnel数有关，Fresnel数越大，校正Strehl比越大；大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比；在一定的Rytov方差下，Stregl比随Fresnel数增大而增加，逐步趋于饱和，达到纯相位校正的极限。     

低阶模式校正自适应光学系统的补偿效果分析

引入规格化的相位谱「不一定为科尔莫戈罗夫（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ谱」,推导了大气湍流相位结构函数、低阶模式校正后的残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数（ＬＴＦ）。分别给出了在各种不同大气湍流强度ρ０,不同相位谱空间频率的指数下降因子ρ时,大气湍流相位波前低阶模式完全校正后和倾斜部分校正时的长曝光光学传递函数（ＯＴＦ）、长曝光斯特列尔（Ｓｔｒｅｈｌ）比和半高全宽（ＦＷＨＭ）的数值计算结果。     

激光光强扰动对相干场成像降质影响理论研究

激光相干场成像系统发射多束激光,经大气传输对远程目标成像,大气湍流引起的激光束光强扰动是影响成像质量的一个关键因素.本文从湍流引起的激光束光强扰动对回波解调信号的影响关系入手,建立了激光回波光强扰动因子对相位闭合系数和成像频谱分量的降质传函理论模型;基于三光束激光相干场成像系统仿真验证了理论模型的有效性.研究表明激光相干场成像频谱分量和成像像质主要受三光束相位闭合求解算法中第二光束光强扰动影响.该研究揭示了激光回波光强扰动对成像像质的影响机理,对于分析大气湍流等引起的光强扰动降质效应和合理分配多光束光强稳定性以提高成像质量具有理论指导意义.     

傅里叶望远镜外场实验与结果分析

为了分析外场环境因素对傅里叶望远镜成像质量的影响和验证成像过程不受下行链路大气扰动影响的特点,开展了傅里叶望远镜外场实验研究.外场实验在室内实验的发射光学系统的基础上增加了主镜、次镜和会聚透镜组对目标散射光进行3次会聚仿真实际系统的成像过程,同时将目标与主镜、主镜与次镜分别拉开100 m距离验证成像系统不受下行链路大气扰动影响的特点.实验利用胶片打印的2种不同的卫星图片作为目标,获得了Strehl值分别为0.44、0.39的无大气扰动的外场重构图像和Strehl值分别为0.43、0.38的含大气扰动的外场重构图像.通过比较外场重构图像与室内重构图像的Strehl值,得出发射光学系统中光束的振动对成像有较大影响.分析发现无大气扰动外场重构图像与含大气扰动外场重构图像的Strehl值相近,从而验证傅里叶望远镜成像过程不受下行链路大气扰动的影响.     

远海海面大气光学湍流实验测量

将光纤湍流测量系统搭载于我国的“远望号”航天测量船, 首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多点同步测量, 初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据. 测量共进行了37天, 测量数据处理包括大气光学湍流强度的统计分析、采用Greenwood湍流空间相关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度, 以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数. 结果表明: 海面大气光学湍流强度中等偏弱, 且无明显规律性的日变化趋势; 空间外尺度较小, 约为0.2-0.3 m; 湍流谱标度指数符合-5/3次方的概率均为25%左右, 低于相应的近地面概率.     

随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中的传输特性

利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式得到了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输的交叉谱密度矩阵的一般表达式,通过数值计算主要研究了随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束在海洋湍流中传输时其在远场输出面的统计特性的变化,包括归一化光谱强度、光谱偏振度、两点的光谱相干度等.数值模拟结果显示海洋湍流能够对随机电磁高阶Bessel-Gaussian光束的归一化光谱强度分布产生影响,随着传输距离的增加,零阶Bessel-Gaussian光束中心出现凹陷,高阶Bessel-Gaussian光束中心会变平坦继而又凹陷下去,不管零阶还是高阶,当传输距离增加到足够远,光强分布都会演变成最终的类高斯分布.x轴上各点的偏振度改变与相干长度δ_(xx),δ_(yy)以及海洋湍流参数有关.x轴上任意一点和原点这两点的光谱相干度也随x的增加而呈振荡变化,并且海洋的均方温度耗散率χT对光谱相干度有影响.