自适应光学对大气扰动波前的补偿效果研究 I.水平大气传输时的结果分析

讨论了光波在水平大气湍流中传输时的情况。计算结果表明自适应光学系统的补偿效果与光波传播路径上的横向风有很大的关系。大气湍流的强度越大，自适应光学系统的截止频率越高，横向风的影响也越大。计算结果还表明在相同的ｒ０或者相同的大气湍流强度下，球面波所受大气扰动的自适应光学补偿效果受横向风的影响要比平面波的厉害。本文还将理论分析的结果和数值模拟的结果进行了比较，表明数值模拟结果受横向风的影响比理论分析结果受横向风的影响大。最后，文中分析了以上现象并对此作出了合理的解释     

水平大气中横向风对自适应光学系统性能的影响

从理论上分析了光波在水平大气中传播时传播路径上的横向风对理想补偿系统和时间带宽有限的自适应光学系统性能的影响，得到了自适应光学系统的Ｓｔｒｅｈｌ比与横向风速之间的解析表达式，并据此得到了一批计算结果。这些结果表明横向风对自适应光学系统的补偿功能有很严重的影响，随着横向风速的增大，系统的Ｓｔｒｅｈｌ比迅速降低，特别是对于一定接收口径的系统，当横向风速超过一定的阈值后，加了补偿的光波的成像效果比不加补     

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。     

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。     

近海平面大气湍流对光波传输影响的数值模拟

针对近海平面大气湍流的特点,采用多相位屏法,对平面波在不同湍流强度下的近海平面的传播进行了数值模拟。对最终的能量分布与在真空中传播相同距离的传播结果进行了比较。结果表明,湍流对光波强度的影响显著,且湍流强度越大,光波强度起伏越大。     

湍流路径积分参量与湍流大气中光的传播效应

根据光波在湍流大气中传播的理论分析了弱起伏条件下决定光波传播效应的折射率结构常数Ｃ＾２ｎ的各种路径积分参量之间的关系，导出了由光波的强度起伏所确定的等效折射率结构常数对计算大气相干长度与光波的到达角起伏，光束的扩展及漂移的相对偏差的表达式。针对折射率结构常数Ｃ＾２ｎ具有周期性，递减，递增和随     

非线性光学位相共轭实时补偿大气湍流扰动

利用单色标量光波通过大气湍流的传输理论,在一级玻恩近似下,导出位相共轭波补偿气流扰动的理论,得出在无大气吸收及无限大共轭镜条件下,共轭波可完全补偿大气湍流的结论。实验结果表明,利用受激布里渊散射产生的位相共轭波可得到很好的实时光场恢复。 关键词：     

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%。     

自适应光学系统的数值模拟：直接斜率控制法

采用直接斜率控制法完整地实现了对自适应光学（ＡＯ）系统的数值模拟，系统研究了带自适应光学校正的激光大气传输规律。提出了对计算出的位相进行了“剪接”的办法，解决了残余位相方差与自适应光学的校正效果没有对应关系的问题。证明可以把快速傅里叶变换法（ＦＦＴ）用于透镜成像的聚焦计算，与积分法得到相同的结果，报道了对于一定的延迟时间，当大气横向风速大于一个阈值时，自适应光学补偿比安全相位补偿的效果还要好，表明     

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.     

用于波前补偿实验的对流湍流系统的光学特性

描述一种用于波前补偿实验的对流湍流系统，它用水或乙醇为介质，在采用了自行研制的平板式加热和冷却器后，不仅湍流强度易于控制，温度起伏谱和大气相似，具有较宽的惯性区和较好的重复性，而且比实际大气湍流更平稳。本系统除可用于自适应光学系统的波前补偿试验和湍流与热晕相互作用的研究外，还可用于其它激光通过湍流大气的模拟实验研究。     

涡旋光束在湍流大气中的光束扩展

涡旋光束在湍流大气中传输时,其振幅和相位会发生随机起伏,导致在接收平面处的光强起伏及光束扩展等。以低阶拉盖尔-高斯涡旋光束为例,利用激光大气传输四维程序数值模拟了不同条件下的涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展。由模拟结果可知,传输距离越长或湍流越强,涡旋光束在大气中传输时的束宽扩展受湍流的影响越大;涡旋光束的拓扑荷数越高、光束的束腰越小或光波的波长越长,其束宽扩展受大气湍流的影响越小。湍流的内尺度和外尺度也会影响涡旋光束的光束扩展,但影响程度相对较小。另外,通过计算仿真还比较了涡旋光束和普通高斯光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展的差异。     

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。     

基于风廓线雷达的光波段折射率结构常数方法研究与理论仿真EI北大核心CSCD

湍流对光在大气中的传播有重要影响。光波段折射率结构常数是描述湍流强度的物理量。通过风廓线雷达回波分析是研究湍流强度的新方法。利用风廓线雷达计算出湍流耗散率和平均风的垂直梯度,结合温度、气压等常规气象参数,可估算光波段折射率结构常数,计算的量级在10-18～10-13 m-2/3之间,符合实际情况,证明了方法的可行性。同时对不同等压面上压强梯度、温度梯度及湿度对折射率结构常数的影响进行了数值计算。结果表明,同一等压面上压强梯度改变对Cn2影响很小,可忽略不计;而温度梯度改变对结果有较大影响,故对温度廓线的测量有较高的精度要求;相对湿度10%～90%的变化对光波段折射率结构常数的影响低于一个量级,因此在晴空大气条件下,湿度项可以忽略。     

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

 大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏，破坏了光波的相干性。研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律。主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析。通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性，对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识，为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考。     

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%.     

激光导引星自适应光学系统对大气湍流低阶像差校正效果分析

 在对大气湍流相位扰动进行Zernike多项式展开的基础上,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导, 得到了实际自适应光学系统（系统存在时间滞后和有限的空间分辨率）对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析,为实际自适应光学系统的设计提供了理论参考。     

基于天气预报模式预报阿里天文站大气光学湍流EI北大核心CSCD

利用气象模式预报大气光学湍流,能够使地基望远镜根据不同的大气视宁度条件,选取相应的观测目标和终端设备,还可以优化自适应光学系统性能和激光器打击目标的发射时机。介绍了采用天气预报模式建立的大气光学湍流预报方法。利用该预报方法,采用数值和分析两种模型,分别提前3d、2d和1d预报出2011年11月6日夜间阿里天文站的气象参数、大气光学湍流强度Cn2廓线和视宁度。共计6次的预报结果均显示近地面层、边界层2km高度以及对流层12km高度存在强湍流层。与单星闪烁测量层析(SICDAR)的实测数据对比结果表明,本预报方法能够反映大气光学湍流廓线的结构特征。预报的视宁度反映出夜间的增大趋势和差分像运动视宁度仪(DIMM)实测结果相似。     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

激光传输大气参量测量精度要求的数值分析

 就激光大气传输湍流热晕相互作用下大气参量测量误差对激光传输效果（平均功率密度）的影响进行了数值分析，并以典型的激光传输条件为例，分析了对激光大气传输影响最为敏感的3个大气参量——风速、吸收系数以及湍流结构常数的测量精度要求。综合不同传输距离下大气参量测量误差对传输效果的影响，大气风速的测量精度要求为±10%，吸收系数及湍流结构常数的测量精度要求分别为±5%和±15%。