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.     

多光束发射对湍流效应下激光传输的影响

大气湍流引起的光强起伏会导致大气闪烁、光束漂移、到达角起伏和波前畸变等效应.多光束发射技术是克服激光大气传输中光强起伏的有效途径之一.以单光束、双光束、四光束以及八光束发射为例,通过计算峰值光强、环围功率半径以及像散参数等光束质量参数,得到单光束和多光束大气传输的光强起伏特性.结果表明:随着光束数目的增加,峰值光强显著...     

剪切光束成像技术对纵深目标的成像

剪切光束成像技术是一种能透过大气湍流对远距离目标实现高分辨率成像的主动成像技术.现有相关研究中所采用的目标均为二维平面目标,然而现实中的目标一般都具有三维形貌,目标纵深对回波信号产生的延迟或对成像质量产生不利影响.从剪切光束成像理论出发,在二维目标成像模型的基础上建立了三维纵深目标成像模型,并利用该模型研究了两剪切光与参考光间的频差及目标纵深对成像的影响.仿真结果表明,随着拍频的增大,重构图像质量逐渐下降.剪切光束成像技术可通过减小拍频来提高真实目标成像质量.     

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。     

激光收发望远镜的几何布局对光束到达角起伏相关性的影响

大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合,激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异,最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发,利用Zernike多项式波前展开,给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下,不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后,讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。     

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.     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

特殊函数在湍流大气传输光束漂移中的应用

研究特殊函数在激光湍流大气传输光束漂移效应中的应用,为提高跟瞄系统的瞄准精度提供理论依据。基于特殊函数和修正Von Karman谱,对斜程湍流大气传输光束漂移方差表达式进行了数值仿真。数值模拟表明,特殊函数高次项的近似舍去对激光湍流大气传输光束指向精度影响甚微。在外尺度较小时,光束漂移方差变化较快;随着外尺度的增加,光束漂移增加缓慢且趋于饱和。在相同的外尺度下,发射孔径（初始光束束径）与发射天顶角的增大对光束漂移具有抑制作用,且天顶角接近π/2,光束漂移角方差快速减小。     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱仪

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性,具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一,光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差,提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法,并进行了数值模拟仿真和实验验证。实验结果表明,校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ,此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略,提高了光栅光谱仪的光谱成像质量,证明了所提出的方法的有效性。此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。     

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.     

大气湍流对空间光耦合至单模光纤的影响

 根据弱湍理论，考虑湍流强度闪烁、孔径平均效应、湍流波前畸变及耦合系统跟踪误差的影响，导出了空间光到单模光纤的平均耦合效率及耦合功率起伏方差模型。根据Hufnagel-Valley 5/7折射率结构模型，对下行连接及上行连接的平均耦合效率及耦合功率起伏进行了研究。仿真结果表明，对于下行连接，随着地面接收天线孔径的增大，相对功率起伏先是由于孔径平均效应而减小，而后由于湍流波前畸变的影响而逐渐增大；对于上行连接，可忽略湍流波前畸变及孔径平均效应的影响。     

基于GPU的液晶大气湍流模拟器波面生成的并行实现

为了使液晶大气湍流模拟器具有实时大气模拟能力,在GPU通用计算架构下提出了基于GPU的液晶大气湍流模拟器实时波面生成计算方法。针对液晶湍流模拟器高分辨率、高精度的特点介绍了湍流波面生成计算方法,论述了CUDA通用计算架构。建立基于GPU的波面生成模型,并对该模型进行了并行化优化和共享存储器优化。给出了采用CPU与GPU进行波面生成的实验对比结果。结果表明:采用GPU生成分辨率为256×256,192项Zernike多项式进行波面生成的平均时间为2.5ms,生成速度比CPU少两个量级,满足实时波面生成的要求。     

Phase compensation in non-Kolmogorov atmospheric turbulence

Zernike polynomial decompositions are used for investigating phase distortion induced by atmospheric turbulence in optical systems. Closed-form expression of the Zernike-coefficient variances is derived. The finite size of the receiver aperture is analyzed using the filter function which is also particularly effective in the theoretical analysis of lower-order aberrations like tilt terms and piston-removed phase variance. The outer scale of the non-Kolmogorov turbulence is considered. The result shows that the effect of finite outer scale attenuates low-order Zernike mode of optical distortion and longer outer scale can lead to more energy in the tilt terms. The generalized exponent can only enhance tilt terms and attenuate other Zernike modes of optical distortion. Further, for different outer scale and generalized exponent, the residual phase variance decreases with more modes of phase compensation.     

四光束剪切相干成像目标重构算法研究

针对传统剪切光束成像技术的准实时性问题,提出用口字形排布的四束光代替传统L形三束剪切光照射目标,研究了四光束剪切相干成像目标重构算法.只需单次测量就能同时重构出四幅目标图像,减少了用于降低散斑噪声、获取高质量图像所需的测量次数,同时大大减少了多组发射时的光束切换次数,提高了成像效率.在算法实现中,通过最小二乘法恢复出四组波前相位,利用散斑幅值的简单代数运算恢复波前幅值,从而重构出目标图像.仿真结果表明,与传统方法相比,在图像质量相同的前提下,本文方法所需的数据采集时间减少了至少1/2,不但提高了目标重构效率,还可为远程运动目标的成像识别提供更好的手段.     

抑制孔径间距误差影响的相干场成像质量提升方法研究

相干场成像基于激光发射孔径间距相等、频谱相等的基本假设, 迭代计算频谱重建高分辨图像, 实际应用中不可避免的激光发射孔径间距误差是影响成像质量的重要因素. 针对发射孔径间距误差造成的成像质量下降问题, 提出一种抑制孔径间距误差影响的成像质量提升方法. 首先分析了孔径间距误差对激光回波频谱和成像质量的影响机理; 推导得到了频谱误差迭代模型; 理论上构建了孔径间距误差对信号频谱和成像质量的零影响条件方程; 提出一种线性规划方法求解成像质量零影响条件方程, 得到孔径间距误差最优化分布矩阵; 实际应用中基于该最优化误差矩阵合理分配各孔径间距误差, 就可抑制孔径误差对成像质量的影响. 实验验证了该方法的正确性和有效性. 结果表明: 该方法可提升成像质量评价指标斯特列尔比近1倍; 所提方法可便捷有效地抑制孔径误差对成像质量的影响. 该研究为实际相干场系统成像质量的提升和发射阵列孔径间距精度设计提供了理论指导.     

大气湍流中孔径限制下高斯光束的传播特性

在扩展Huygens-Fresnel原理和Rytov近似的基础上,得到了孔径限制下湍流大气中高斯光束平均光强的积分表达式,利用数值模拟方法分析了轴上和接收面上平均光强的分布,并得到了波阵面半径、传播距离、湍流强度和波长与平均光强的关系曲线图.结果表明在湍流大气中波长、传播距离、发射孔径和波阵面半径的改变会引起平均光强重心的漂移,传播距离增加会导致光束的展宽.