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%。     

基于自适应光学成像非等晕效应的空变点扩展函数估计模型

针对湍流扰动波前改正的天文自适应补偿成像系统由于等晕区存在而限制了观测视场内有效的补偿区域.这对通过自适应光学系统获取的天文实测数据的充分利用造成很大不便.通过对自适应光学系统空域统计特性的分析,得到空变点扩展函数的成像系统描述.在此基础上,依据大气光学统计理论,通过多相位屏分层大气湍流模型,提出一种利用数值模拟估计空...     

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。     

自适应光学系统测试中大气湍流的时域模拟

建立了大气湍流模拟的时域模型,用于在自适应光学系统的测试中模拟大气湍流的时域变化。讨论了时域模型下随机相位屏平滑帧数和刷新频率与平均风速的关系。结果表明：对表征随机波前的随机相位屏进行时域平滑可使随机波前的变化更符合大气湍流对入射波前连续平滑渐变的影响;随机相位屏的平滑帧数仅与系统口径和大气相干长度相关,而与风速无关;随机相位屏的刷新频率与平均风速成正比,平滑后的刷新频率还与平滑帧数成正比。最后,构造了一套大气湍流模拟装置,应用功率谱分析法对时域模型的有效性进行了验证。     

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。     

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。     

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。     

上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响

剪切光束成像（sheared-beam imaging,SBI）技术是一种利用三束剪切相干激光照明的非传统成像技术,该技术通过探测器阵列接收目标反射回波的散斑图进行计算成像,在对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势.大气湍流引起的光束波前畸变是影响SBI成像质量的一个关键因素,因此本文从湍流引起的激光波前畸变对目标频谱信息提取的影响入手,建立了光束波前畸变对成像影响的理论模型.利用多层相位屏模型模拟了近地25 km大气对SBI光束传输的影响.通过计算机仿真,得到了不同激光发射孔径和不同成像距离时SBI的成像结果.仿真结果表明,选取合适的发射孔径尺寸可以有效缓解湍流对光束波前质量的影响,从而提升成像质量.在Hutchin的研究基础上,对孔径选择范围的已有研究成果进行了扩展与深化.给出了SBI系统发射孔径尺寸选取的建议,为SBI对不同高度目标成像的像质差异分析提供了参考.     

自适应光学中的非等晕性

本文讨论了自适应光学中非等晕域对补偿效果的影响,提出了一种减小非等晕性误差的新方法—位相梯度法。分析结果表明,该方法可显著增大有效校正的角范围,使非等晕性误差的影响大大减小。我们预期位相梯度法有望解决自适应光学中信标的非等晕性问题。     

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     

西安理工大学无线光通信系统自适应光学技术研究进展

总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类,同时介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前,提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善,但不失为人们在该领域进行的有益探索。     

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。     

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。     

哈特曼-夏克波前传感器子孔径合并的理论研究

在大气湍流条件较好而被探测信标光信号极弱的工作条件下,自适应光学系统在实际的应用中需要采用子孔径合并的部分校正方式。本文针对云南天文台1.2m高分辨率自适应光学系统中的哈特曼－夏克（Hartmann-Shack ）波前传感器结构,从光子起伏噪声和CCD像素读出噪声对子孔径内哈特曼光斑质心探测精度的影响的角度,对子也径软件合并和硬件合并两种方案进行了理论分析和计算,导出了有实际应用意义的结论。     

Configuration optimization of laser guide stars and wavefront correctors for multi-conjugation adaptive optics

Multi-conjugation adaptive optics(MCAOs) have been investigated and used in the large aperture optical telescopes for high-resolution imaging with large field of view(FOV).The atmospheric tomographic phase reconstruction and projection of three-dimensional turbulence volume onto wavefront correctors,such as deformable mirrors(DMs) or liquid crystal wavefront correctors(LCWCs),is a very important step in the data processing of an MCAO's controller.In this paper,a method according to the wavefront reconstruction performance of MCAO is presented to evaluate the optimized configuration of multi laser guide stars(LGSs) and the reasonable conjugation heights of LCWCs.Analytical formulations are derived for the different configurations and are used to generate optimized parameters for MCAO.Several examples are given to demonstrate our LGSs configuration optimization method.Compared with traditional methods,our method has minimum wavefront tomographic error,which will be helpful to get higher imaging resolution at large FOV in MCAO.     

Comparison of several stochastic parallel optimization algorithms for adaptive optics system without a wavefront sensor

Optimizing the system performance metric directly is an important method for correcting wavefront aberrations in an adaptive optics (AO) system where wavefront sensing methods are unavailable or ineffective. An appropriate “Deformable Mirror” control algorithm is the key to successful wavefront correction. Based on several stochastic parallel optimization control algorithms, an adaptive optics system with a 61-element Deformable Mirror (DM) is simulated. Genetic Algorithm (GA), Stochastic Parallel Gradient Descent (SPGD), Simulated Annealing (SA) and Algorithm Of Pattern Extraction (Alopex) are compared in convergence speed and correction capability. The results show that all these algorithms have the ability to correct for atmospheric turbulence. Compared with least squares fitting, they almost obtain the best correction achievable for the 61-element DM. SA is the fastest and GA is the slowest in these algorithms. The number of perturbation by GA is almost 20 times larger than that of SA, 15 times larger than SPGD and 9 times larger than Alopex.