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.     

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。     

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。     

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.     

伪部分相干高斯-谢尔模型光束在湍流大气中传播的闪烁孔径平滑效应

采用光传播的数值模拟方法, 对伪部分相干高斯-谢尔模型光束大气传播过程进行数值模拟, 统计分析不同接收口径内的光强起伏特性,计算闪烁的孔径平滑因子, 讨论了表征伪部分相干光的调制相位屏的相对变化频率对闪烁指数的影响, 并将其与充分发展的部分相干高斯-谢尔模型光束及完全相干光的闪烁指数对比. 结果表明: 降低光源相干性可大幅度降低闪烁指数, 但同时其闪烁指数的孔径平滑效应减弱, 在相同接收孔径下, 伪部分相干光闪烁指数的孔径平滑效果要比完全相干光差; 增大调制相位屏的相对变化频率可在一定程度上降低闪烁指数, 随着其相对频率的增大, 伪部分相干光的闪烁指数与部分相干光的结果趋于一致. 关键词： 伪部分相干高斯-谢尔模型光束 湍流大气 孔径平滑闪烁指数 数值模拟     

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.     

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。     

大气湍流下合成孔径激光雷达成像数值模拟及PGA补偿

为研究大气湍流对合成孔径激光雷达(SAL)的成像影响,采用谱反演法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟,给出了单层及多层叠加的随机相位屏图像;然后以多层随机相位屏叠加方式模拟实际大气湍流,计算了无湍流、弱湍流、中等湍流和强湍流等情况下理想机载单站聚束式SAL对点目标以及扩展目标的成像,模拟成像表明大气湍流对SAL成像的方位分辨率有严重影响,湍流越强,图像方位向分辨率越差;针对湍流造成的SAL图像方位向分辨率降低,采用相位梯度自聚焦(PGA)算法对SAL图像进行了方位向补偿,结果有效地改善了图像的聚焦效果,提高了成像质量。     

自适应光学对大气扰动波前的补偿效果研究：I.理论推导

在采用冻结湍流假设和几何光学近似的条件下，得到了经自适应光学系统校正后的剩余波前相位扰动的结构函数，进而根据剩余相位结构函数与系统Ｓｔｒｅｈｌ比的关系，求出自适应光学系统的补偿效果受系统的时空传递函数，大气湍流，光波传播路径上的横向风，观察目标的旋转角速度以及系统时间延迟影响情况的解析表达式。     

The influence of high-frequency phase distortion on the phase correction effect in atmospheric turbulence

By using the method of the power-spectrum inversion, the turbulence phase screen has been built up, and the propagation characteristics of high-frequency phase of laser beam in atmospheric turbulence have been analyzed; in addition, the phase correction effect of laser beams by using the adaptive deformable mirror has been simulated, and its affecting factors in turbulence have also been analyzed quantitatively. The results show that the phase correction effect of laser beams in turbulence is mostly determined by the percent of high-frequency phase in distorted wavefront. With the increase of the intensity of atmospheric turbulence and the propagation distance in turbulence, the percent of high-frequency phase in distorted wavefront increases, resulting in the degradation of the phase correction effect.     

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。     

应用哈特曼-夏克波前传感器测量大气湍流参数

对非科尔莫戈罗夫（Kolmogorov）湍流情况,在利用哈特曼－夏克（Hartmann-Shack)波前传感器的波前斜率测量原理并结合其时空结构及相关分析的基础上,提出了一种应用斜率结构－相关函数和斜率归一化相关系数测量大气湍流参数β（归一化相位空间功率谱指数下降因子）和ρ0（大气湍流强度）的新方法。利用这种方法对1km激光水平大气传输实验数据进行了分析。