湍流强度对大气传输光束的相位特性及其相位校正物理极限的影响

运用相位屏近似法计算模拟了激光束通过大气湍流的光场分布。从高频相位比例和相位不连续点数目等角度对畸变光束的相位特性进行了分析,进而利用考虑到变形镜驱动器间交联耦合的高通滤波方法模拟自适应系统对畸变波前的校正作用,建立了畸变光束的相位校正物理极限的预估模型,定量分析了湍流强度和传输距离对校正极限的影响。研究结果表明:在一定范围内,随着湍流强度的增强及传输距离的增大,畸变波前中高频相位比例明显增加,相位不连续点数目也逐渐增多;激光束通过大气湍流后,其相位校正的效果主要受畸变光束连续相位中的高频相位比例以及相位不连续点数目的共同影响,畸变波前中高频相位比例越大,相位不连续点的数目越多,相位校正效果也越差。     

时变湍流对动态移动光斑定位精度的影响

为了研究时变湍流对跟瞄过程中动态平移的光斑定位和跟踪精度的影响,采用改进的逆傅里叶变换方法构造了体现大气湍流特性的随机相位屏,模拟仿真分析了不同强度时变湍流影响下光斑动态平移时探测器感受到的光斑质心与光斑实际质心之间的跟踪偏差、定位偏差与光斑在探测器上位置之间的关系,以及湍流强度对光斑质心定位精度的影响,给出了统计偏差曲线。结果表明,在时变大气湍流的影响下,光斑整体动态平移过程中实际质心的移动距离与接收端探测器感受到的光斑质心移动距离存在一个跟大气湍流强度成正比的偏差。动态平移过程中光斑质心的平移跟踪偏差与定位精度、大气湍流强度以及光斑在接收终端探测器上的位置有关。     

基于H-V模型和Zernike法的激光大气传输模拟

激光在大气传输时会受到大气湍流等因素的影响, 导致光束质量下降, 影响激光作用效能。针对功率谱反演法产生的相位屏在低频部分表现不足的情况, 利用H-V模型对白天和夜晚条件下的激光大气湍流效应进行建模, 采用Zernike算法来构造大气湍流相位屏。仿真结果与Kolmogonov 统计规律符合, 结果显示Zernike算法可以对低频部分很好模拟, 随着阶数的提高, 高频部分也能较好体现。针对美国ABL系统和ATL系统参数对强激光束的大气传输湍流。畸变波前进行仿真分析, 得出ATL系统湍流相位屏最大PV值约为3.5λ, ABL系统湍流相位屏最大PV值约为7.5λ。研究结果能够对强激光自适应光学系统的技术指标分析提供指导。     

利用液晶空间光调制实现激光大气湍流效应动态仿真

针对工程应用中激光大气传输的特点和要求,分 析大气湍流对激光传输影响的规律和大 气湍流动态效应半实物仿真方法,提出一种多层大气相位屏数值模拟结合液晶空间光调制器 (SLM) 进行波前逆变换的激光大气湍流动态半实物仿真的技术途径。将多层大气相位屏的随机生成 的 相位数据序列经过计算机处理后注入光路中的液晶SLM,激光经过空间光调制后, 远场得到激光光斑的随机相位和强度起伏分布。讨论了远场激光大气湍流效应环境模拟装置 的 基本理论方法、实验依据并进行了初步分析。利用该装置模拟可产生不同类型湍流,并进行 湍 流效应对远场光斑影响的验证实验。本文方法具有实时性好、动态控制、扩展性强和可介入 半实 物仿真系统的特点,是激光大气传输建模与实现半实物仿真的技术途径之一。     

海上大气激光传输特性仿真研究

大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一。基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律。仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比。研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据。     

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。     

LC-SLM激光大气传输湍流模拟及通信实验分析

采用功率谱反演法与叠加低频谐波方式数值模拟静态湍流相位屏,并根据湍流冻结理论仿真了动态湍流相位屏。采用液晶空间光调制器(LC-SLM)在实验室内搭建了大气湍流信道仿真平台,进行了Kolmogorov湍流模型下,不同湍流强度的激光大气传输模拟研究,对比分析了实验结果,与理论较为符合。同时实验研究了不同模拟湍流强度下激光通信误码率的响应关系,这对实验室内评估实际激光通信系统的性能具有重要应用价值。     

湍流大气中动态激光散斑的数值模拟

首先在分步傅里叶算法中引入了时变相位屏,模拟了真空中漫射平面激光回波动态散斑场,统计计算了真空散斑场的空间和时间相关函数,分析了目标运动速度和发射波束半径对散斑相关特性的影响.然后根据冻结场理论,模拟了湍流大气中激光波束照射漫射面的回波动态散斑场,分析了风速对散斑特性的影响.结果表明,相关长度由目标上的光斑尺寸决定,光斑越大,接收面上的散斑越小.而相关时间不仅受目标平面上的光斑尺寸影响,还受目标平面上的光场相位影响,光场相位随着位置的变化越快,相关时间就越短.     

涡旋光束在中强度湍流大气中的传输特性北大核心CSCD

主要分析了拉盖尔-高斯(LG)光束在中强度湍流大气中的传输特性。利用分步傅里叶法和相位屏法仿真了在水平通信链路和上下行通信链路情况下LG光束的强度分布、相位分布及螺旋谱分布情况。仿真发现大气湍流会影响LG光束的传输性质,而且拓扑荷和折射率结构常数越大,影响越大。另外,还发现上下行链路中LG光束受到大气湍流的影响比水平链路中受到的影响小。     

环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

大气湍流中贝塞尔-高斯涡旋光束传播性能分析

为了研究涡旋光束在湍流大气中的传输特性,根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法,对贝塞尔-高斯光束在大气湍流中的传输过程进行了理论分析和数值仿真; 采用次谐波补偿法产生随机相位屏来模拟大气湍流,解决了大气湍流模拟时存在低频成分不足的问题。结果表明,除了湍流强度外,传输距离、拓扑荷数、激光波长等也成为影响贝塞尔-高斯涡旋光束质量的主要因素; 湍流越强,光束的环形光强越弱,相位畸变越严重,光强起伏越明显,且逐渐退化为普通高斯光束; 随着传输距离的增加,涡旋光束扩散现象明显,最终退化为普通高斯光束; 波长越长,则涡旋光束抑制湍流能力越强,环形光强越强,相位畸变程度会得到逐步改善; 拓扑荷数越小,涡旋光束会最先退化为普通高斯光束,相位畸变程度越弱。该结果对于研究涡旋光束在自由空间光通信中的传输是有帮助的。     

非均匀步长分步傅里叶算法的改进

研究了大气湍流中斜程路径上激光波束的传输模拟过程中的步长取值问题。针对分步傅里叶算法中大步长情况下的边界反射问题,首先对已有的吸收边界法进行了数值实验,得到了吸收边界法的步长取值上限。提出了滤波函数法,进一步解放了对步长的限制,利用真空中的波束传输模拟,证明了滤波函数法的有效性及其有效区域。结合这两种方法,给出了一种斜程路径上的相位屏设置方式,模拟了激光在此路径上的传输并统计计算了激光光斑的相干长度和闪烁指数。数值结果与理论吻合,证明了滤波函数法可以有效地增大分步算法中步长的上限,从而提升大气湍流中激光波束远距离斜程传输仿真效率。     

激光大气传输模拟程序CLAP及其应用

基于已有的工作基础,利用高效的科学计算语言FORTRAN95,开发完善了一套实用化的激光大气传输模拟程序.该程序基于光场传播的抛物型方程和多层相位屏技术,实现了激光大气传输的湍流效应、热晕效应以及湍流和热晕相互作用等的数值模拟.通过内置的4种激光大气传输路径以及10种光学湍流廓线等,可以在多种传输模式下对圆形、环形和方形等光束的传输过程和效应参数进行仿真计算,光传播的实时过程利用OpenGL技术能够三维动态显示.模拟软件的用户界面友好,计算参数设置方便,可以有效地为自由空间光通信、激光雷达探测以及随机介质中的光传输研究等提供理论分析和性能预测.     

激光在复杂大气环境下传输特性的仿真

随着激光技术的发展,激光复杂大气环境下的传输特性一直是激光领域的研究热点.综合激光大气传输的Lam-bert-Beer定律,结合瑞利散射、米散射等经典理论,设计出一套仿真系统,可以模拟激光在复杂大气环境中的传输过程.同时,为了得到经过湍流之后的最终光场,采用基于傅里叶变换的多层相位屏模拟湍流产生的随机扰动,仿真出光斑随...     

内通道轴向风速对强激光相位特性的影响

针对内通道传输过程中激光束相位特性的变化,建立了内通道中光场-流场的耦合仿真模型,通过引入湍流相位屏模拟了内通道中湍流扰动对传输光束波前相位的影响。在此基础上,定量计算了不同轴向风速条件下内通道传输光束的波前相位特性,并结合自适应波前校正模型,分析了激光束经内通道传输后的波前校正效果。研究结果表明,随着轴向风速的增大,激光束波前相位中的高频成分呈现出先增大后减小的趋势,经自适应波前校正后的光束质量也呈现出类似趋势,且当轴向风速约为0.65 m/s时畸变波前中的高频成分最多,经波前校正后的光束质量最差。该模型能够为激光控制系统的设计和性能评估提供一定参考。     

综合斜程传输和光束扩展影响下的大气湍流相位屏组设计

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变,先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏,再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正,得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布,建立了相位屏组模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。     

基于深度卷积神经网络的大气湍流强度估算

提出了一种基于深度卷积神经网络估算大气湍流折射率结构常数C_n²的方法。将湍流影响下的高斯光束光斑图像作为神经网络的输入,利用深度卷积神经网络提取图像的特征信息,得到C_n²大小,并采用平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差和相关系数四个统计量来衡量模型的估算效果。结果表明,该模型能够根据湍流影响下的高斯光束光斑图像对C_n²进行估算,当迭代500次时,相关系数为99.84%,各项误差均在2%左右。该模型在大气湍流特性分析及大气湍流强度估算等领域有一定应用价值。