强湍流区的自适应光学适用性

从调制传递函数的观点出发,考虑振幅起伏相关性的影响,导出了在强湍流区自适应光学技术补偿光束畸变的斯特列尔比及补偿效率理论表达式。理论预计与实验结果相符。并且,对不要求完全补偿的情形,自适应光学在强湍流区也是适用的。     

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%.     

基于深度相位估计网络的涡旋光束相位校正

大气湍流会引起涡旋光束（VB）的相位畸变和模态扩散,造成湍流介质中通信性能下降。提出基于深度相位估计网络的拉盖尔-高斯（LG）光束相位补偿方法,以提高模态检测准确度,即通信的可靠性。分别利用使用和不使用高斯光作为探测光束两种方案进行学习,在光强图像与大气湍流引起的扰动相位之间建立映射关系,在接收端依据接收到的光强图像,预测湍流引起的扰动相位并进行相位校正。结果表明,所提深度网络能够较准确地实现相位预测,经补偿后,光束模态纯度达到95%以上,补偿后光强图像与发送端光强图像之间的均方误差明显减小。     

信号光束宽度对不同漂移误差的空间光通信系统误码率影响的研究

信号光束宽度直接影响着空间光通信系统误码性能,光束宽度的选择需要综合考虑多种因素。研究了激光在大气湍流中的光束漂移、光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系,得到考虑漂移因素的光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系。分析表明在弱湍流条件下,光强闪烁和平均光强与光束宽度和对准精度相关,讨论了在水平路径上未跟踪补偿和跟踪补偿的光束的光强闪烁和平均光强随光束宽度的变化趋势。利用数值方法得到光强闪烁最小、平均光强最大时的光束宽度取值区间,通过光强概率分布关系和实际应用要求实现了光束宽度的优化选取。结果表明,在相同系统信噪比情况下,跟踪光束与未跟踪光束相比,系统误码率低,光束宽度值相对较小,取值区间大。     

一维线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性

研究了一维(1D)线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性，推导出了其光强传输方程. 研究表明，1D线阵离轴高斯光束通过湍流大气传输经历了三个阶段，即在近场其光强分布为类似于入射光的锯齿状分布，随着传输距离的增加逐渐变为平顶分布，最后在远场成为类高斯分布. 湍流的增强会使光束传输经历三阶段的进程加快. 并且，湍流使得不同子光束数的1D线阵离轴高斯光束的归一化光强分布相接近. 此外，子光束数越多的1D线阵离轴高斯光束受到湍流的影响越小；1D线阵离轴高斯光束较高斯光束受到湍流的影响要小. 关键词： 一维(1D)线阵离轴高斯光束 湍流大气 传输特性     

部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展

基于广义惠更斯-菲涅尔原理，并采用将部分相干双曲余弦高斯光束用厄米-高斯光束的非相干叠加表示的方法，研究了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气的光束扩展问题，推导出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流大气均方根束宽的解析表达式.研究表明，部分相干双曲余弦高斯光束的扩展随着湍流大气的折射率结构常数C²_n和光束离心参数δ的增大而加剧.但是，随着δ的增大，部分相干双曲余弦高斯光束受到湍流的影响减小. 关键词： 部分相干双曲余弦高斯光束 湍流大气 光束扩展     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

对流湍流池Fried相干长度的光学结构

利用不同的方法，测量并比较了用自适应光学补偿实验的对流湍流池的相干长度，给出到达角起伏谱和起伏方差的概率分布，结果表明，在对流湍流池中，光束的到达角起伏谱满足“－８／３”幂，由于相位起伏服从正态分布，因此到达角起伏的方差呈Ｘ＾２分布，到达角起伏在水平和垂直方向上的谱完全一致表明了湍流池湍流的各向同性特征，相干长度与对流湍流池上下温差的实验结果，符合以往对流湍流池的流体力学和热力学相心关系。     

大气湍流信道中聚焦涡旋光束轨道角动量串扰特性

携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率,然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰.基于螺旋谱分析理论,推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式,并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响,最后利用多相位屏法进行模拟验证.结果表明:随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小,接收功率减小,轨道角动量串扰增大;接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小;聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小.这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.     

发射系统遮拦比对均强聚焦光束光斑扩展的影响

 利用数值模拟方法讨论了发射系统遮拦比对均强聚焦光束湍流大气传输光斑扩展的影响。结果表明，对于均强聚焦光束湍流大气传输，在弱湍流效应条件下，光斑扩展受遮拦比影响较大；在较强湍流效应条件下，不同遮拦比光斑扩展变化趋势相同，此时远场光斑扩展主要还是受湍流效应强弱的影响。获得了常用遮拦比条件下均强聚焦光束光斑扩展和湍流效应特征参数的定标关系。     

Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论

从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.     

湍流对地-空光通信系统性能的影响及自适应光学补偿

空间通信在地 空通信中具有广阔的应用前景。大气湍流引起的相位噪声会严重地影响系统的性能,而自适应光学补偿可使问题得到很好的解决。分析了湍流引起的相位噪声问题,并以Hufnagel湍流模型为例,借助结构函数的概念对这一噪声进行了计算。论证了自适应光学补偿方案。     

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。     

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     

光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统的数值模拟

研究了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统在实际大气环境中的传输.从光纤激光阵列、激光在大气中的传输、目标和优化算法四个方面,建立了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统的理论模型.在不同强度大气湍流下,对系统补偿大气湍流影响的效果进行了研究,并对系统控制参数优化进行了简单探讨.结果表明,目标在回路闭环控制结构能够有效补...     

基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究

自由空间光通信在未来全球通信网中具有潜在的应用价值,然而自由空间光通信的性能易受大气湍流影响,而自适应光学能够解决大气湍流问题.在gamma-gamma分布大气湍流中,用自适应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿,进行通信系统误码率的分析,给出了上行链路和下行链路的模拟结果.结果表明:自适应光学误差补偿技术能够很好地提高自由空间光通信的性能,并且低阶自适应光学补偿就能达到很好的校正效果.     

Experimental demonstration of single-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler

Coupling plane wave into a single-mode fiber(SMF) with high and steady coupling efficiency is crucial for fiberbased free-space laser systems, where random angular jitters are the main influencing factors of fiber coupling. In this paper, we verified a new adaptive-optic device named adaptive fiber coupler(AFC) which could compensate angular jitters and improve the SMF coupling efficiency in some degree. Experiments of SMF coupling under the angular jitter situation using AFC have been achieved. Stochastic parallel gradient descent(SPGD) algorithm is employed as the control strategy, of which the iteration rate is 625 Hz. In closed loop, the coupling efficiency keeps above 65% when angular errors are below 80 μrad. The compensation bandwidth is 35 Hz at sine-jitter of 15 μrad amplitude with average coupling efficiency of above 60%. Also, experiments with simulated turbulence have been studied. The average coupling efficiency increases from 31.97% in open loop to 61.33% in closed loop, and mean square error(MSE) of coupling efficiency drops from 7.43% to 1.75%.     

孔径平均效应对采用相位补偿技术的空间相干光通信系统误码率的影响

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型,通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明:孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率,改善系统性能;原始信噪比越高,传输距离越短,波长越长,相位补偿模式的J值越大,接收孔径直径越接近最优值,孔径平均效应对误码率的改善效果越明显;孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值,相位补偿模式的J值越大,影响越明显;系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大,随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。     

临近空间相干激光通信链路外差效率分析

临近空间相干激光通信链路是天地一体化高速通信网络节点间连接的重要链路。围绕外差效率这一表征大气湍流扰动后信号光和本振光相干合成的指标,推导了非均匀湍流路径上的外差效率理论表达式,并结合大气折射率结构常数廓线,开展了临近空间-地面、临近空间-临近空间和临近空间-低轨卫星三类临近空间相干激光通信链路的外差效率仿真。仿真结果表明:临近空间-低轨卫星链路可以忽略大气对外差效率的影响;如果临近空间-临近空间链路距离大于500km或是临近空间-地面链路天顶角大于60°,外差效率将小于50%,有必要采用自适应光学技术进行补偿。