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.     

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%。     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法

提出了一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法,通过对低频相位屏的采样方式进行设计,能够充分地补偿相位屏中的低频信息.利用该方法对符合Kolmogorov理论的大气湍流相位屏进行数值模拟,并结合相位结构函数和相对误差函数对所提方法的准确性进行验证,分析谐波次数和采样点数对模拟相位屏的影响.此外,还将改进后的次谐波法与经典的功率谱反演法、Zernike多项式法、分形法及改进前的次谐波法进行了对比,结果表明:改进后的次谐波法对应的相位结构函数与Kolmogorov湍流理论值最符合,即利用此方法生成的相位屏最准确.     

一种机载合成孔径激光雷达相位误差补偿方法

准确理解大气湍流扰动相位对光束传输特性的影响机制,并以此为基础发展有效的相位误差补偿算法是实现合成孔径激光雷达(SAL)高质量成像的关键之一.从激光光束的相位结构函数入手,提出了一种新的大气湍流相位屏产生方法--结构函数法,建立了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型,计算了不同强度湍流作用下机载SAL的成像结果.通过将其与秩一相位估计法联合使用,克服了秩一法对初始值敏感的缺点,提高了补偿算法的精度和效率.实验表明,与谱反演法相比,结构函数法的计算结果更接近于理论值,同时计箅复杂度由O(N2)降至O(N).改进的秩一法能够较为有效地改善一定强度范围内大气湍流引起的SAL图像失真,而且补偿后图像的信噪比相比传统的秩一法提高了大约5 dB,计算时间也缩短了约30%.     

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.     

基于多阶频率栅格的湍流相位屏低频补偿

提出一种基于多阶频率栅格划分的子谐波方法用于湍流相位屏的构造.通过对相位屏频域空间划分多阶频率栅格,并将每一阶的频率栅格进行更进一步精细子划分,补偿对湍流谱贡献最多的低频范围频率分量.采用大气湍流的相位结构函数和功率谱分析所构造相位屏的准确度.仿真结果表明:由所构造相位屏得到的相位结构函数与由湍流谱直接计算得到的理论值之间的偏差随着频率栅格总阶数M、每一阶的频率栅格点数目N＇x和N＇y的增大而减小,对每一组M、N＇x、N＇y的取值,子划分前的频率间隔△f1有一最佳值;当选取M=3、N＇x=N＇y=3、△f1=2 m-1时,所构造的相位屏的相位结构函数和功率谱与理论十分接近;所产生的随机相位屏的整体倾斜反映了低频成分的准确采样.     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成方法

为了更准确地反映湍流的实际特征,在光波的大气传输模拟中应采用修正大气折射率谱模型.本文针对该谱模型提出了一种高精度湍流相位屏生成方法.通过改变模型在低频区的采样设置,实现了基于修正大气谱的湍流相位屏高精度生成.通过与原始FFT法、次谐波法以及改进前的优化方法相比发现,本文提出的改进后的优化方法能将相位屏低频区域的最大相对误差从改进前的6.75%减小到1%,作为比较,原始FFT法在低频区的最大相对误差为22.99%,次谐波法为16.81%.利用该方法所生成的相位屏对高斯光束在湍流中的传输进行了模拟并对光束扩展和光束漂移等二阶统计特性进行了估计.结果表明,在弱扰动条件下,模拟结果和理论预测的结果是一致的;在强扰动条件下,随着距离的增加,模拟结果与理论结果偏差越来越大,其中光束扩展与理论预测的偏差最大可达6cm,而光束漂移可达1cm,这是由于理论模型无法预测漂移饱和现象而导致的.在与Von-Karman谱的模拟结果比较时发现,修正大气谱估计的光束扩展大于Von-Karman谱的估计且在光束漂移的预测中比Von-Karman谱更快的达到饱和,这正是修正大气谱高波数处存在"凸起"的结果.本文提出的方法生成的相位屏能够有效的表征实际大气的折射率扰动特性.     

基于小波分析的大气湍流相位屏模拟

大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏的快速模拟对于在实验中验证自适应光学系统的性能及控制算法的稳定性至关重要。提出了一种基于小波分析模拟大气湍流相位屏的方案。根据离散小波变换的频段分割性质,对Von Karman型功率谱进行切割;基于能量守恒原理,生成不同尺度上对应频段的近似高频系数;利用小波层之间低频系数的递推关系,得到最高层低频系数的相关函数,并利用相关函数法来模拟低频系数;通过小波合成算法得到最终的大气湍流相位屏。模拟结果表明,基于小波分析产生的大气湍流相位屏与Von Karman模型较好地吻合;该方法的计算复杂度低,能快速模拟大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏。