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.     

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.     

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%.     

天体目标斑点成象的模拟

根据大气湍流的统计特性规律,对孔径为1.5m望远镜的随机相位屏的产生以及望远镜成象特性进行了模拟.对相位屏的方差、低频特性进行了有效控制和改善.用大气的结构函数和大气望远镜的散斑传递函数两种方法对随机相位屏的光学特性进行了评估,证明了模拟算法及其结果的正确性.     

无限长湍流相位屏产生方法

在考虑时间特性的激光大气湍流数值模拟中,构造满足要求的湍流相位屏对大气湍流的模拟尤为重要,为此提出基于多点预测的相位协方差插值方法产生湍流相位屏,由多个已知点的相位值对新插值点的相位值进行预测,推导出了插值点的预测矩阵及其残余方差的表达式,并对插值后生成的相位屏的空间统计特性进行了验证。数值模拟结果表明:该方法产生的湍流相位屏与大气湍流的统计特性符合得较好,随着用于预测的已知点数的增加,模拟生成的湍流相位屏的精度提高,并可以进行连续插值生成无限长的湍流相位屏。     

基于畸变相位波前分形特征产生矩形湍流相屏

在包含时间进程的光波大气传输及其自适应光学相位校正的数值模拟研究中,如长曝光成像和自适应光学系统的动态控制过程,矩形湍流相屏的产生和应用尤为重要.而现在通常使用的功率谱反演法产生的是正方形的湍流相屏,只采用其中的矩形部分显然造成计算机资源的浪费;并且谱反演法产生的湍流相屏需要进行低频补偿,从而明显地增加计算量.基于大气湍流所造成的畸变相位波前的分形特征,提出了一种产生矩形湍流相屏的新方法,并与解析理论结果进行对比,验证了这种矩形相屏产生方法的正确性.与已有的方法相比,此算法具有两个明显的优点:算法简单、计算效率高,节省计算机资源;与大气湍流介质统计特性无论在高频部分还是在低频部分均符合得较好.     

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.     

采用分区法生成稀疏谱湍流相位屏

为了更好地研究光束在大气湍流中的传播特性，提出了基于稀疏谱模型的湍流相位屏模拟方法，对生成相位屏的灰度图、结构函数和光束漂移量进行了研究分析。首先采用数学方法分析光波的方向、大小和振幅，并由此得到稀疏谱相位屏；然后分别在不同相干半径下，与功率谱反演法生成的相位屏灰度图进行对比，并分析稀疏谱模型下的结构函数和光斑位置拟合度。仿真和实验测试结果表明，实验结构函数的平均误差为6.1%，该模拟方法下的相位屏细节信息更为丰富，大气湍流光斑质心的均方根误差为1.013×10?7 m，具有精度高、运行速度快、模拟周期长等优点，能够较好地模拟真实大气湍流。     

基于多阶频率栅格的湍流相位屏低频补偿（英文）

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Δf1有一最佳值;当选取M=3、N′x=N′y=3、Δf1=2m-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.     

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性,利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏,并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现,当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时,光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小,光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时,发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响,当相位屏数量较多时,均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果,且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。     

快速傅里叶变换湍流相位屏高频误差的补偿方法

基于快速傅里叶变换(FFT)的湍流相位屏模拟方法存在低空间频率及高空间频率湍流分量采样不足的问题。提出了一种相位屏高频误差补偿方法。在这种补偿方法中,通过数值积分计算出未采样部分高频功率谱对应的二维相位自相关矩阵,然后该自相关矩阵经过FFT得到各功率谱采样点需补偿的功率谱值。仿真结果表明,该方法可以很好地补偿高频误差,模拟的相位结构函数误差约为0.1%。     

大气信道对星地链路激光通信的影响

星地链路激光通信系统的运行不可避免地要受到湍流大气等随机介质的影响,从而可导致卫星接收信息误码或通信中断。基于Born近似和弱起伏下的Rytov近似,分析推导了激光光束从发射机经湍流大气斜程到达接收机(或目标)时的光场变化。采用McGlamery算法,对Kolmogorov功率谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟,进而在模拟的相位屏和惠更斯-菲涅尔原理基础上,将主要适用于模拟平面波相位波前的McGlamery算法推广应用到了高斯光束的光场模拟。研究表明:大气信道段对星地链路激光通信系统有着极为重要的影响,也间接说明了McGlamery算法对准直激光光束相位波前模拟的适用性。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。     

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。     

基于引力搜索算法的湍流相位屏生成方法

本文提出了一种全新的相位屏生成方法,结合了经典快速傅里叶变换(FFT)模型与稀疏谱模型.经典的FFT模型由于低频成分的严重缺失,限制了其在高精度相位屏生成方面的应用,为此,本文将相位屏的低频部分单独提取出来,应用稀疏谱模型生成相应的低频补偿屏,将二者相加后得到最终的精确相位屏.结果表明,补偿屏的模拟精度与低频采样点的分布有关,且存在一种最优分布使得最终的相位屏结构函数与理论结构函数的误差最小.为兼顾相位屏生成速度,本文选取了16个低频采样点,采样点位置由两个待定参数确定,并应用引力搜索算法对参数进行优化得到最终的低频采样点分布.仿真结果表明,该方法与传统低频补偿方法相比精度提高了1—2个数量级,且运算速度优于传统方法.     

大气湍流随机相屏模拟方法研究

对几种模拟随机湍流相位屏的方法进行了总结,利用结构函数对每种方法进行了分析,并从Zernike多项式分解的思路和激光大气传输的角度,通过焦斑扩展和焦斑质心漂移对几种方法进行了完整比较,最后对湍流低频倾斜信息的补偿方式进行了探讨。通过分析发现:傅里叶变换(FFT)法模拟的相屏体现的湍流高频信息较充分,但低频信息不足;Zernike法模拟的相屏体现的湍流低频信息较充分,但高频信息不足。随着采用的Zernike多项式阶数的增加,其体现的高频信息会得到改善,但这些高频信息主要集中在圆域的边缘区域。分形法模拟的相屏体现的湍流高低频信息均较好。针对焦斑扩展和焦斑质心漂移,除分形法外,其他算法均存在不同缺陷。采用FFT法与Zernike多项式展开法相结合的方式或FFT法与湍流自相似理论相结合的方式模拟大气湍流随机相屏,也不失为一种较有效的方式,但从激光大气传输的角度来说,采用分形法模拟湍流随机相屏最好。