长曝光大气湍流退化图像点扩散函数估计

大气湍流能明显降低光学系统的成像质量,距离目标越远,曝光时间越长,受大气扰动越严重,图像越模糊。利用大气湍流退化点扩散函数可以对模糊图像进行复原,但实际自然条件下的点扩散函数往往难以准确获得。结合课题研究背景,针对长曝光大气湍流退化图像复原提出了近似等腰三角形模型,通过该模型能得到准确的大气湍流点扩散函数,并采用维纳滤波获得清晰复原图像。实验表明该方法能够对大视场、远距离条件下获得的长曝光大气湍流退化自然图像估计出准确的点扩散函数,复原图像拥有较好的视觉效果,通过计算灰度平均梯度值和拉普拉斯梯度模两个客观评价标准,进一步证实了该算法的有效性。     

获取非等晕幸运短曝光图像的概率研究

通过湍流大气进行短曝光成像,存在一定的概率能够获得接近系统衍射极限分辨率的图像,瞬间的波前畸变可以忽略不计.通过设计不同望远镜口径的短曝光成像观测实验,应用基于灰度梯度统计的像质评价函数对序列短曝光图像进行了像质评价,并运用归一化处理来研究非等晕条件下获取幸运短曝光图像的概率.处理结果验证了“幸运图像”的获取概率随着口...     

大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。     

云南高美古湍流大气中激光短曝光光斑统计特性研究

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200 m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532 nm固体激光1,2,3,4,4.7 km大气传输光斑成像探测实验。利用4000 frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。     

基于兴隆观测基地50cm望远镜的幸运成像系统

大气湍流会在很大程度上降低地基望远镜的空间分辨率,而幸运成像技术以较低的成本、简单的设备、易实现的算法可以有效修正大气湍流的影响,从而提高了地基望远镜开展天体成像和密集星场高精度测光观测的能力.基于兴隆观测基地50 cm望远镜研制了幸运成像系统,该系统包括滤光片、望远镜增焦子系统、数据采集子系统和数据处理子系统.在视宁度良好的晴夜对月球、大行星、球状星团和双星进行了观测,成功获取了月球表面的清晰图像,恒星星像的半高全宽(FWHM)达到0.6,好于2倍望远镜衍射极限.观测结果表明,该幸运成像系统能够有效提高地基望远镜的空间分辨本领,为下一步的高分辨天文观测研究奠定了基础.     

基于多帧湍流退化图像的近视解卷积复原

根据贝叶斯和Parseval定理,引入了频域内多帧湍流退化图像的近视解卷积复原算法。以大气湍流长曝光光学传递函数作为估计的光学传递函数。根据频域代价函数的特点,提出分步牛顿法求解代价函数。本算法能够处理未匹配的多帧图像,并能获得理想的复原图像。计算机仿真多帧湍流退化图像的复原结果表明:即使多帧图像未匹配,在不同湍流强度和不同噪声情况下算法仍能复原出好的图像效果。     

紫外光通信信道参数对Turbo码的影响

在紫外光通信中采用了纠错性能优异的Turbo码,用gamma-gamma湍流模型仿真信道中的大气湍流,考虑紫外光通信常用的P P M(脉冲位置调制)方式以及湍流的影响,在紫外信道中,分析了在相同的条件下折射率结构常数和波长等因素的变化给Turbo码性能带来的影响。仿真结果表明：在相同的条件下,折射率结构常数越小,波长越长,Turbo码的性能越好,该结论可为实际实现提供理论参考。     

大气湍流模糊图像的高分辨力复原算法

大气湍流是大气中的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,这种干扰作用极大地影响了光电成像系统对于目标的分辨能力。由于湍流影响而退化的图像中同时存在着幸运区域,用适当的算法可以获得高分辨力复原图像。为了获取包含幸运区域的大气湍流模糊图像,在实验室使用人造湍流,并结合短曝光技术拍摄了大气湍流干扰的序列图像。文中应用矩形交叠分块方法,改进了基于偏微分方程（PDEs）的序列图像复原算法,对获取的序列短曝光图像进行处理。结果表明,经该算法处理得到的合成图像质量有明显的提升,该算法对大气湍流造成的图像质量退化有较好的复原作用。     

非Kolmogorov湍流对高斯-谢尔光束的瑞利区间和湍流距离的影响

推导出了高斯-谢尔(GSM)光束通过非Kolmogorov湍流大气传输的瑞利区间zR和湍流距离zT解析表达式,并研究了湍流参量(广义指数α、内尺度l0及外尺度L0)对部分相干光扩展的影响。研究表明,随着α的增大,zR先减小而后增大,且在α=3.11处时存在极小值,即光束扩展的极大值。zR随L0的减小而增大(仅当3.6α4时);zR随l0的增大而增大。当α3.11时,α越大,l0对于zR的影响越小。值得指出的是:若相干参数β或束腰半径w0较小时,不论α取何值,在瑞利范围之内,湍流大气对光束扩展几乎不构成影响;相反,β或w0取较大值,不论α取何值,在瑞利区间范围内湍流大气对光束扩展都会产生明显的影响。此外,若β或w0取值在一定范围内,湍流大气是否能在瑞利区间范围内对光束扩展构成影响将与广义指数α相关。     

湍流大气中高斯谢尔光束波前长期线刃位错

采用Rytov近似和位错位置的长期统计平均的方法,研究了高斯谢尔光束通过近地面湍流大气传播时波前刃位错位置与湍流大气强度和传播距离等参数的关系。研究并得出了长期曝光平均条件下波前刃位错位置的湍流系综统计平均理论关系,同时得出了光束短期平均刃位错位置表达式。     

受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布

为了研究受限拉盖尔-高斯光束湍流传输时轴上光强分布,采用扩展惠更斯-菲涅耳原理方法进行了理论分析,得到了受发射圆孔限制的拉盖尔-高斯光束在大气湍流中传输时轴上光强的表达式。并运用MAPLE模拟,取得了不同湍流强度、波长和发射圆孔孔径下轴上光强的分布理论数据。结果表明,拉盖尔-高斯光束在不同阶数、湍流强度、波长和发射圆孔孔径下,真空和湍流较弱时,轴上光强在近场发生明显振荡,达到最大值后,强度明显开始降低,湍流较强时,传输很近距离强度就迅速衰减,并与其在真空中的传输特性进行了比较。这一结果对研究拉盖尔一高斯光束是有帮助的。     

湍流大气中部分相干光二阶统计特性的三参数模型及其应用

激光在强湍流中的传输以及斜程传输问题是随机介质波传播研究中的热点,也是难点。文中尝试建立一个可以在任意湍流环境下通用的激光传输二阶矩演化模型。首先利用广义惠更斯-菲涅尔原理及球面波结构函数的二次近似推导了高斯-谢尔波束在大气湍流中传输时的互相干函数表达式。建立了波束互相干函数的三参数模型,得到了三参数的递进公式。利用三参数迭代法计算了部分相干波束在强湍流中及斜程传输时的等效波束半径及相干长度。计算结果证明了在强湍流中,相比于直接利用广义惠更斯-菲涅尔原理的计算结果,迭代法得到的等效半径较小,而相干长度较大。在斜程路径上,上行与下行传输激光的统计特性是不同的。     

利用数值天气预报产品预报海面光学湍流

利用数值天气预报模式预报产品开展了不同季节海面光学湍流数值预报研究,发现:南北纬30°之间海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化较小,南北纬30°以外高纬度海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化显著,夏半球光学湍流强度相对较弱、大气相干长度相对较大,冬半球光学湍流强度相对较强、大气相干长度相对较小.全球大部分海域,10.6 μm光波10m高度光学湍流强度大于10-15m-2/3,0.55μm光波10m高度光学湍流强度小于10-15m-2/3.若沿海面10m高度水平传播10km,全球大部分海域,10.6μm光波大气相干长度大于60cm,0.55μm光波大气相干长度小于6cm.利用两个不同数值天气预报模式同期产品制作的海面光学湍流强度预报全球海域分布特征相似,但模式水平分辨率越高,预报的海面光学湍流强度的水平分布特征越清晰.     

湍流尺度对大气成像系统分辨率的影响

运用湍流大气的Andrews折射率谱近似模型从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数并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。结果表明应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。采用近似Andrews折射率谱模型所得结果与采用纯指数谱计算结果有明显差别。     

水平大气传输中部分相干光的光强分布及 相干特性

利用光束的交叉谱密度函数得到了部分相干光的光强分布和相干长度的表达式, 并基于该表达式就光源不同 相干参数、不同湍流强度对部分相干光在水平大气传输中的光强分布和相干长度的影响效应进行了数值模拟, 且与 完全相干光进行了比较分析。研究结果表明: 在自由空间传输过程中光强分布主要受衍射引起的展宽影响, 光源相干 参数越大光束的相干长度值越大。在湍流大气中, 光源相干参数越大光强分布和相干长度受湍流大气强度变化影响 越小。随着湍流强度和传输距离的增加, 光束展宽效应增加, 同时由于湍流叠加效应导致光束的相干长度下降。     

大气湍流对红外探测器光电性能影响的研究

基于大气湍流受限的调制传递函数模型,研究了调制传递函数(MTF)和点扩展函数(PSF)对短波红外探测器(SWIR)、中波红外探测器(MWIR)及长波红外探测器(LWIR)光电性能的影响,并对其进行了数值模拟。结果表明：大气湍流强度对红外探测器的空间分辨率有明显影响。弱湍流对中波和长波红外探测器的光电性能影响较大,湍流受限的MIF超过衍射受限的MTF而占主要地位;探测器的空间分辨率随着其孔径及波长的增加而降低。     

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。     

水下光通信系统在非Kolmogorov湍流中的传输特性

湍流效应是限制水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统性能的关键因素之一。在强海洋非Kolmogorov湍流中,首先以平面波和球面波为光源,研究了采用孔径接收的差分相移键控(differential phase-shift-keying,DPSK)调制的UWOC系统性能。接着,基于Gamma-Gamma信道模型,利用Whittaker函数推导出了平均误码率(average bit error rate,ABER)的解析表达式。最后研究了不同光束形状、调制方式、孔径尺寸以及非Kolmogorov湍流参数即内尺寸和幂率对ABER的影响规律。结果表明,UWOC系统采用球面波传输、DPSK调制在比较小的内尺寸和较大的幂率湍流下传输经孔径接收可以提升ABER性能。     

空间扩展目标对准误差图像的高分辨复原

大气湍流、光子噪声和光学跟踪系统对准误差严重降低了空间目标观测图像的分辨率.根据最大似然估计原理,建立了提高目标图像分辨率的多帧盲反卷积算法,用共轭梯度优化方法从目标记录图像估计出原始目标函数和点扩散函数.运用低通平滑滤波技术在算法迭代过程中逐步完成对噪声的抑制.模拟实验数据和实际图像的复原结果表明,论文建立的盲反卷积算法有效地克服了大气湍流、光子噪声和光学系统对准误差,提高了目标图像的分辨率,复原目标图像的分辨率达到了光学衍射极限的水平.     

非柯尔莫哥诺夫湍流对部分相干双曲余弦高斯光束扩展的影响

基于非柯尔莫哥诺夫湍流模型,本文给出了部分相干双曲余弦高斯光束通过湍流传输的二阶矩束宽和相对束宽解析式,并研究了湍流参数(广义指数α、内尺度l0、外尺度L0)和光束参数(离心参数δ、相干参数β)对光束扩展的影响。研究表明:束宽随α的增大而先增大后减小,且在α=3.11处存在光束扩展极大值;束宽随l0的增大而减小,随L0的增大而略微增大(仅当α3.7时)。另外,束宽随δ的增大及β的减小而增大,但当δ越大和β越小时,光束扩展受湍流的影响则越小。