非Kolmogorov大气湍流随机相位屏模拟

介绍了功率谱法、Zernike多项式法、分形法模拟生成非Kolmogorov湍流相位屏的过程,并利用这三种方法对符合非Kolmogorov统计特征的大气湍流相位屏进行了模拟。将不同方法得到的相位屏的相位结构函数与理论结构函数进行对比,分析了三种相位屏模拟方法的准确性和模拟速度。结果表明:添加次谐波和增加Zernike多项式阶数分别可以弥补功率谱法和Zernike多项式法生成的相位屏低频和高频不足的缺点,但导致模拟效率下降;分形法生成的湍流相位屏高频和低频都较为充足,且模拟效率较高;随着非Kolmogorov湍流谱幂率的增加,功率谱法所需要的次谐波级数增加,Zernike多项式法所需要的Zernike多项式的阶数减少,分形法生成的相位屏的精度更高。     

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。     

基于分形的大气湍流随机相位屏数值模拟

激光大气传输湍流效应是制约合成孔径激光雷达高质量成像的重要因素之一,对大气湍流统计特性进行了研究,建立了大气湍流随机相位屏分形模型,使用随机中点位移法进行模拟,分别产生了符合Kolmogorov及non-Kolmogorov统计规律的湍流相位屏.通过计算模拟相位屏的相位结构函数,与理论值比对,验证模拟相位屏的准确性,并与现有的谱反演法和结构函数法进行了对比,分析了各自的优缺点.结果表明,基于分形方法产生的相位屏与理论值更加接近,效果良好.     

旋转相位屏的动态大气湍流数值模拟和验证方法

利用功率谱反演加次谐波的方法模拟产生了符合Kolmogorov统计规律的大气湍流畸变波前相位屏,重点分析了所生成的相位屏在旋转使用情形下的统计特性,为后续的相位屏旋转应用实验奠定了理论基础。通过子相位屏组相位结构函数及大气相干长度数值模拟结果与理论值的对比,对子相位屏组的统计特性进行了验证,并对模拟结果与理论值存在的差异进行了分析。结果表明,用功率谱反演加次谐波方法得到的随机相位屏是正确的,在旋转使用情形下,子相位屏组的相位结构函数与理论结果整体符合,但低频成分仍存在较大的偏差,其大气相干长度模拟计算结果较设计值偏大。     

相位屏法仿真海洋湍流激光传输特性有效性

海洋湍流是制约水下激光通信应用的重要因素之一,相对于大气湍流,海洋湍流在较短距离内即可达到强起伏,针对强湍流传输特性及数值仿真的可靠性验证具有重要意义。基于大气湍流传输特性理论公式,利用大气湍流参数等效表达海洋湍流的方法给出了弱起伏到强起伏条件下海洋湍流传输特性的理论计算公式。针对相位屏法在海洋湍流仿真中的应用,给出了选取相位屏间距、网格尺寸和网格数目的基本要求,并数值仿真了海洋湍流不同参数条件下的传输特性,与理论计算结果进行了对比。结果表明:基于相位屏法得到的光强一阶矩传输特性参量与解析结果较为一致,但是在强闪烁条件下数值仿真光强闪烁特性与理论结果偏差较大。     

激光大气传输室内模拟研究

采用液晶空间光调制器在实验室内进行激光大气传输模拟研究。基于均匀各向同性的Kolmogorov湍流模型,利用Zernike多项式法生成静态相位屏,利用湍流冻结法生成r0=0.1 m和r0=0.05 m不同湍流强度下的动态湍流相位屏,并实时加载在液晶空间光调制器上。分析得到,接收端的对数光强概率密度分布趋近于正态分布,拟合确定系数均在0.9以上;到达角起伏方差分别为 和 且光斑中心集中在2个像素以内。实验结果与实际外场情况相符合,达到了较好的室内模拟效果。     

自适应光学系统光学部分的计算机模拟

利用相位屏（PS）方法通过软件模拟大气湍流,进而研究了自适应光学（AO）系统中哈特曼一夏克（H—S）波前传感器的计算机模拟技术。使用基于Zernike多项式的模式法重构波前,验证了模拟方法的可行性,完成了AO系统光学部分的计算机模拟。     

拉盖尔-高斯光束空间传播波前畸变的RMS评估

定量评估拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-GAUSS)光束在大气湍流中传输的相位畸变,对 补偿和提高轨道角动量(OAM,Orbital angular momentum)自由空间光通信的质量具有重 要作用。提出将Zernike多项式导出的LG光束波前畸变的均方根(RMS) 作为光束传播的相位畸变评估指标,并在仿真实验中采用分谐波(SH)随机相位屏模拟大气湍 流。 通过Matlab仿真方法对携带不同拓扑荷值的LG光束在湍流中传输的波前畸变(WFD)的RMS进行 分析和讨论。仿真结果表明,利用SH波法产生的随机相位屏比快速傅里叶变换(FFT)法更接 近 实际的大气湍流;受大气湍流影响,LG光束的相位受到破坏,且其损伤程度与光束传输距 离﹑光束携带OAM数l有关;WFD的RMS计算结果与相位仿真结果一致,作为算例,OAM数分别为l＝1、3和5的LG光束传输500m后的WFD的RMS值 依次对应为0.004、0.004和0.005,显示波前畸变愈加严重;对l为1的LG 光束,随着传输距离从500m增大到4500m,其WFD的 RMS值由0.004增大到0.005,也表明WFD更加严重。因 此,RMS定量评估方法可以较为准确和客观地反映LG光束WFD的规 律。     

激光在动态大气湍流中的传播特性研究

激光束在大气中传播的过程中会受到大气湍流的影响,导致光斑发生畸变,影响光束质量,并且在真实情况下湍流是随着时间变化的。本文针对这一问题,基于傅里叶变换的谱反演法建立了湍流相位屏模型,并根据湍流冻结法获得动态相位屏,开展了激光在不同强度的动态大气湍流中传输的仿真研究。仿真结果表明:对于相同的激光束,在相同时间内的光斑畸变随着大气湍流强度的增加而增加,并且接收到的功率密度整体上减小,起伏增加。     

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。     

一种基于复数相位屏的强激光大气传输仿真方案

针对传统实数相位屏法中只能表征湍流扰动而不能综合表征强激光在大气传输时导致的能量衰减、湍流扰动和非线性热晕效应等困难,提出一种基于复数相位屏表征的强激光大气传输仿真方案。该方案采用复数相位屏的实部和虚部分别表征衰减和湍流、热晕作用,其中基于能见度特征综合描述大气吸收和散射的衰减作用(复数相位屏的虚部),基于流体力学的密度扰动方程描述湍流和热晕的联合作用(复数相位屏的实部)。本方案具有光场全路径跟踪、易参数控制的优点,能够为实现远场强激光传输特性的评估提供更加完善的理论基础。仿真结果表明,该方案与实际外场测量参数更加一致,具备半实物仿真及参数评估的可行性。     

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。     

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。     

一种基于LM算法的激光足印中心提取方法

足印探测法是星载激光测高仪真实性校验的常用方法,而激光足印的中心提取是足印探测法的关键技术之一。针对受到大气湍流的影响的激光足印信号,提出一种基于Levenberg-Marquard(LM)算法的激光足印中心提取方法,以椭圆高斯函数为目标函数模型,通过椭圆高斯特征参数更新和迭代,以目标函数与观察值的残差作为判据,从而实现对特定参数即激光足印中心的提取。采用前40项泽尼克多项式模拟大气湍流作为激光足印在大气传输过程中的噪声,利用仿真数据对算法的提取精度和稳定性进行验证,实验结果表明,本文算法比传统的中心定位方法有着更高的定位精度并且相对稳定,假设激光足印探测器的布设间距为4 m,本文算法比其他传统算法的提取精度至少优于0.5 m。     

Studies of the correction for phase diverse speckle

Phase diverse speckle is a novel kind of imaging technique and can be used to overcome image degradation from unknown phase aberrations, such as atmospheric turbulence. The wave-front phase expanded on the Zernike polynomials is esti- mated from a pair of images (in the focal and out of focus planes). In this paper the principle of PDS is analyzed, and genetic algorithm is used as the iterative algorithm to simulate some characteristics, such as the influence of Zernike polynomials’ mode, amplitude of turbulence on the phase estimation. Thus, a new method for recovery of images is explored.