湍流大气成像系统长曝光传递函数的研究

采用傅里叶变换法对在Kolmogorov谱大气湍流下望远镜的长曝光成像进行了模拟,给出了湍流大气成像系统长曝光传递函数的数值模拟方法,求出了在此情况下的长曝光传递函数。给出了大气湍流在Kolmogorov谱假设下成像系统长曝光传递函数的理论值。基于空间目标为点目标的假设,提出了一种湍流大气成像系统长曝光传递函数的测量方法。对由三种方法获取的大气湍流长曝光传递函数进行了比对分析。结果表明,由三种方法获取的大气湍流长曝光传递函数基本上是一致的,由傅里叶变换法模拟和实际测量得到的传递函数是合理的。     

平顶光束通过湍流大气传输的光谱特性

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了平顶光束在湍流大气中的光谱传输方程,详细研究了其光谱特性,并给出了合理的物理解释。研究表明,轴上点光谱为蓝移,随着离轴距离的增大,光谱由蓝移逐渐变为红移,轴外点存在多阶光谱跃变现象。随着湍流的增强,光谱位移量和光谱跃变量减小、光谱跃变现象消失。特别分析了平顶光束与高斯谢尔模型(GSM)光束通过湍流大气传输的光谱跃变之间存在的差异。     

湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

激光雷达大气湍流测量方法研究

 报道了一种用激光雷达方法测量大气湍流的技术，利用发射激光束在空间所需位置产生一个聚焦光斑，通过此光斑处的大气分子瑞利散射机制形成一个空间的人造散射光源，接收系统对此光源的散射光进行探测，测量出从地面到此空间散射光源之间的大气湍流参数。给出了对武汉上空大气湍流测量的初步结果。得到了不同高度层的大气相干长度随时间的变化特性、平均值和起伏均方差，并对实验测量和模型计算的大气折射率结构常数在相应高度段的积分值进行了比较，二者积分值都在10-12量级，得到的结果基本相符。这种测量方法的实现，为测量空间不同方位、不同距离的大气湍流提供了一种新的手段。     

湍流大气中图像传输的信息量

分别从系统像的信息量和信息自由度的角度分析了大气湍流对相干和不相干照明光学系统成像质量和分辨率的影响。理论上，处于一定大气湍流条件下的相干照明系统存在着超出经典衍射极限的超分辨率。     

可抑制大气湍流影响的深度学习计算鬼成像

计算鬼成像利用光场的二阶相干性进行成像.当探测光经历未知扰动(如大气湍流)时,无法通过计算获得实际到达物体的光场,此时按无扰动的计算光场进行图像重构时会产生图像模糊.提出一种基于深度学习的图像分类-复原方法,用于消除大气湍流对计算鬼成像的影响.该方法的基本思想是先用基于卷积神经网络的分类网络对图像按模糊程度进行分类;然...     

液晶大气湍流模拟器

提出平行取向液晶器件作为大气湍流模拟器(ATS)的应用,研制出平行排列TFT型二维阵列液晶湍流模拟器(LC ATS)．基于Zernike多项式模拟大气湍流的理论,在Zygo干涉仪上,利用此湍流模拟器产生Zernike模式面形,能够很好的产生Zernike多项式的前2~8项模式面形．并且选取前231项Zernike模式,进行湍流的计算模拟与液晶湍流模拟器的实验模拟,计算模拟与实验模拟的湍流结果比较接近,说明此类型液晶湍流模拟器可以模拟大气湍流.     

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.     

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。     

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。     

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.     

天文望远镜像差对斑点成像技术的影响

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和KnoxThompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响：天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。     

Study on the Scintillation for Optical Wave Propagation in the Slant Path Through the Atmospheric Turbulence

Based on the theory of optical wave propagation in the slant path and the ITU-R turbulence structure constant model which is altitude dependent, the modified Rytov method, which is applicable to the optical wave propagation in the horizontal path, is extended to the propagation in the slant path. According to the spectrum model with non-zero inner scale, the scintillation index as a function of the Rytov variance is obtained from weak to strong fluctuation regions with plane wave and sphere wave incidence, respectively. Finally, the scintillation index with different zenith angles is analyzed, and comparison between the results of the modified method and experimental measurements is given and discussed in detail.     

利用气象要素估算海洋大气近地层光学湍流

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正,建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型,并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时,温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时,海面湿度越小,光学湍流越强;在较低湿度条件下,尤其在红外窗区,湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时,光学湍流先随海面风速增大而增强,后随风速增大而减弱;当气温大于海温时,光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时,与可见光和近红外波段相比,红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时,两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下,大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3,伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强,C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大,并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。     

Acquisition Time for Ground-to-Satellite Optical Communication System in Weak Atmospheric Turbulence with Spatial Diversity

Abstract

In this article, various issues involved in a ground-to-satellite optical communication link (i.e., acquisition time, uncertainty area, and channel noise) are discussed. Acquisition time of a free-space optical link is evaluated for coherent (sub-carrier BPSK and QPSK) and non-coherent (OOK and -PPM) modulation schemes over weak turbulent channel with transmit diversity. In the analysis, both uncorrelated and correlated beams are considered. It is seen that an increase in transmit diversity order helps to improve the acquisition time, irrespective of turbulence strength in the atmosphere. At high correlation, a marginal change in acquisition time is observed with the increase in diversity order.     

近海面大气光学湍流计算模型的比较与改进

通过在黄海北部某海域进行的海上大气光学湍流观测实验,对比分析了不同大气稳定度环境下四种大气光学湍流C2n计算模型的性能。针对中性和近中性环境下模型误差大的问题,基于温度折射率结构参数fT与稳定度的对应关系,利用实测数据和函数拟合,提出了一个新的fT函数形式。误差分析表明采用新的fT参数方案明显提高了C2n模型的计算精度,其性能大大高于其他几种计算模型。     

Study on the Perturbation Characteristics of Two-Channel Laser Propagation in Atmospheric Turbulence

In order to study the influence factors of acquisition detection target information by lidar and understand the influence degree of each factor, the two-channel phase perturbation model and the two-channel eikonal variance model are derived in detail by using the geometrical optics method in this paper, and each factor is discussed in detail. The results show that the transmission distance is the main factor to affect the two-channel perturbation. With the increase of the transmission distance, the disturbing degree will gradually weaken. With the increase of transverse coordinates, the disturbing of two channels will also be weakened. In order to further weaken the disturbing degree, the feature dimension should be far larger than the wavelength, but far less than the transmission distance.