高能激光及其采样后大气传输中湍流及热晕效应的比较

通过数值模拟，比较了高能激光及其采样后在湍流大气中传输时远场中央长曝光斑的环同能量半径与扩展等情况。结果表明，在仅有湍流时两者保持不变，而热晕会导致光斑的进一步扩展；采样器的透光比越低，热晕对光斑的扩展影响越小；未采样高能激光的远场中央光斑相对于高能激光经采样后的远场中央光斑的扩展，可归因于热晕效应。因此，利用光束波前采样器对高能激光及其采样后在湍流大气中传输时的远场光斑特性进行比较，就可以诊断高能激光大气传输热晕效应。     

激光大气传输远场光斑仿真

从衍射、大气湍流对光束漂移和扩展以及激光发射系统的跟瞄精度等方面分析了激光大气传输的远场瞬时光斑分布。用蒙特卡罗方法仿真计算了远场光斑瞬时质心分布,根据光斑的质心分布和瞬时光斑分布计算了长曝光光斑。     

聚焦高斯光束湍流大气传输的定标模型

为实现激光湍流大气传输效应的快速评估，采用数值仿真方法研究高斯光束远场长曝光光斑的定标规律。首先，对理想光束真空衍射和湍流扩展效应分别定标，结果表明光源截断强弱影响远场有效半径大小。然后，考虑衍射、初始像差、平台抖动和湍流扩展的相互作用，改进了半径平方加和假设，建立了远场63.2%环围功率半径和平均光强的定标规律模型。特别地，对于截断因子为■的高斯光束，在实际激光系统特性、常用光学湍流廓线、地对空传输路径组成的参数空间中开展了数值仿真，利用遗传算法确定了模型的标度指数。结果表明基于改进的半径平方加和方法所建立的定标规律模型精度有了显著提升。定标规律模型与数值仿真的结果对比表明，真空传输远场半径的平均相对偏差为1.55%，湍流大气传输远场半径和平均光强的平均相对偏差分别为1.92%和3.80%。     

实用型激光拦截系统中大气影响的应用分析

探讨了低慢小激光拦截系统中大气因素的影响情况,有针对性地分析了大气湍流和大气衰减对激光拦截系统远场光斑的影响,论证了低慢小激光拦截系统在特定大气条件下的作战效能,推导远场光斑功率密度的计算过程,结合实际使用经验,提出了激光拦截系统的使用条件限制。     

面向激光通信的大气随机信道分析与研究

大气激光通信系统以其容量大、体积小、保密性高等特点,正适合替代微波作为信息传输瓶颈问题的最佳解决方案,具有重大的意义和良好的应用前景.研究了大气随机信道的特性,特别是大气随机信道对激光传输的影响.大气随机信道的研究是激光通信系统的一个十分重要的研究部分,对激光通信系统的设计和实现具有较大的参考价值.根据大气湍流的特点,建立了大气湍流信道的模型,依据湍流信道模型进行了激光在湍流信道中水平传输远场光斑的计算机模拟仿真,分别就不同的湍流、不同的传输距离进行了光斑的实时显示,并和实际测量光斑进行了比对.分析了激光通过大气随机信道时光斑变化的因素,利用软件对光斑进行了模拟,并将模拟光斑与实际测量光斑进行了比较.用此系统可以方便、准确、形象地显示激光光斑的闪烁、分裂等现象,便于我们研究大气对无线光通信的影响,为进一步优化激光通信系统性能,最终实现全天候的大气激光通信做了有意义的探索.     

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。     

瞄准轴和发射轴平行度误差对探测率的影响

分析了在大气湍流影响下,目标激光光斑的功率密度及质心的分布情况,说明了目标激光光斑的功率密度分布的随机性。分别从目标大小不小于或者小于激光光斑两种情况建立了激光测距装备接收功率模型。在此基础上,重点讨论了发射轴和瞄准轴的平行度误差对探测率的影响,给出了探测率随平行度误差变化的曲线,得出了探测率只与平行度误差的大小有关,与偏差的方向无关的结论。     

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。     

大功率TEA CO2 激光远场发散角评估方法

在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。     

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。     

大气激光通信中稳定跟踪器件及算法研究

在大气激光通信中捕获对准跟踪(APT)是通信成功的前提。对空间激光通信中的捕获对准跟踪系统常用的两种光束定位探测器件CCD和四象限光电探测器(QD)的特性进行了深入分析,研究了影响大气激光通信跟踪系统性能的5种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理及对应仿真结果。结合大气湍流和探测器,针对质心跟踪算法和形心跟踪算法进行深入分析,得到并实验验证了在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论。     

光无线局域网上行链路中的光束对准设计

光链路是无线局域网安全性的物理层解决方案,其中上行链路为便携式终端设备设计的LD发射光束对准是关键问题之一。在Windows平台上展示了一种自动对准的软硬件控制方法,利用Windows中的Direct Show函数库,对激光光斑与目标的对准情况进行视频信号采集和图像识别,为简化识别算法,以蓝色为特征颜色并以一个特定的形状来标识对准目标,以650 nm红色LD为识别导向光束。使之位于红外传输光束中心位置左右,通过识别LD红色光斑与蓝色目标并判断它们之间偏差的方位和距离,将数据输出到下位机控制的微型云台,在二维方位上校准光斑与目标的偏差,同时通过红外LD实现了发送端到接收目标的光信号传输。     

基于四象限探测器的监视对准实验

激光束的空间稳定性是激光系统非常重要的指标,要保持激光束的空间稳定性就必须先对激光束的指向进行监测.本文采用四象限设备作为532 nm半导体激光指向的监测设备,它可以快速响应光斑的中心位置.实验测量了激光束自身的漂移抖动量,然后利用转台和透镜组合标定了3个角度的指向误差.实验结 果表明,激光束的漂移抖动最大值为3...     

用于激光合束系统的光束位置监测装置设计

为了实现近场可见光波段、多路不同波长激光合束中位置误差监测,设计了一种光斑位置监测装置,该装置以缩束系统为基础对同指向激光束位置进行自动监测,在激光合束系统中与快速反射镜相配合,能有效提高合束系统的精度和合束效率。首先对监测装置光学系统进行了设计和仿真分析,使其实现缩束功能的同时减小色差对监测精度的影响。接着,根据设计要求选择了合适的光电探测器。然后,设计了镜筒并对装置的箱体进行有限元优化设计以减轻质量并防止产生共振,使其可以在复杂的环境中工作。最后,根据光斑的特性选择了合适的光斑中心定位算法。实验检测结果表明:缩束倍数达到了15.6倍,监测精度达到了0.1 mm。系统基本上可以使所有激光束成像在CCD上,且光斑能在CCD上成完全像,稳定性较好,精度高,满足使用要求。     

大气湍流信道中OAM光束与高斯光束传输性能的实验研究

通过实验研究了大气湍流信道下中轨道角动量（OAM）光束与高斯光束的传输性能,并将两种光束的传输性能进行对比。实验以加载调制信号的OAM光束以及高斯光束为传输载波,分别测量了在大气湍流信道下两种光束的光束展宽、指向偏差、功率抖动以及误码率。实验结果表明:在大气湍流信道中传输后,OAM光束相比高斯光束,光束展宽减少10.5%,功率抖动的方差下降0.13,指向偏差的散布圆直径减小30.4%,并且光束中心更集中于接收面中心;OAM光束载波系统的最低探测灵敏度达到?28.97 dBm,相比高斯光束提升2.5 dB。实验结果证明了在大气湍流信道传输中,OAM光束比高斯光束受到湍流的影响更小,并且随着湍流强度的增加,OAM光束恶化程度远小于高斯光束。实验的结论为大气湍流信道下自由空间激光通信的发展和应用提供了参考。     

库德光路光束指向稳定性分析

库德光路光束指向稳定性是保证激光测距机光轴指向精度的关键因素,通过坐标变换建立了一种可以从空间角度表征光束指向稳定性的动态方法,解决了大型激光测距机库德光路系统误差对光学系统影响的问题,将库德光路系统误差与光束指向有机地结合起来,以某地平式激光测距机为研究对象,建立了库德光路光束指向的动态误差模型。将CCD 固定在库德镜5 的安装接口处,并与图像采集卡组成图像采集系统,直接对库德光路激光光斑进行采集,获得了精度较高的光束指向动态误差数据。利用实测数据对光束指向的动态误差模型进行了最小二乘拟合,由此标定出了该设备库德光路光束指向的动态特性,为设备系统误差的修正工作奠定了基础。     

利用光束后向散射提高激光跟踪发射精度方法

为提高激光跟踪发射系统激光发射指向精度,提出了一种通过测量发射激光后向散射光尖来修正激光发射指向误差的方法。在介绍系统光机结构及后向散射相关理论的基础上详细论述了光尖探测距离与视差的关系,根据天气情况和长期测量经验获得良好天气、中等天气和较差天气三种天气状况下光尖探测距离,进一步得出三种天气状况下视差修正量。在良好天气状况下,利用预定空间轨迹误差修正方式进行实验验证,对比光束后向散射法与靶板测量法所测得的激光发射指向精度,在预定的空间轨迹上两者测量误差为2.5,实验证明,利用光束后向散射法可以大大提高激光发射的指向精度。     

基于目标照明回光的瞄准误差修正方法精度分析及实验验证

激光发射系统通常受到瞄准误差的影响,使得发射光束的中心偏离靶目标,造成能量传输损失和系统性能下降。激光对目标照明后的散射回光信号可以反映瞄准误差的信息,通过对散射回光信号的测量可以对瞄准误差进行修正来提高激光发射系统的瞄准性能。研究了一种基于目标照明回光的瞄准误差修正方法。利用目标回光信息与瞄准误差的关系,通过随机并行梯度下降(SPGD)算法对瞄准误差进行校正,分析了影响瞄准误差校正精度的因素。实验数据验证了理论分析结果。     

光谱合成激光阵列指向偏差的光束特性分析

保持良好光束质量的输出对实际光谱合成系统的构建至关重要。从理论上研究光纤激光阵列指向偏差对合成系统光束特性的影响,修正了带有指向偏转角激光队列的入射光场,结合光谱合成的光传输模型和统计学分析,讨论了合成激光光束质量随均匀分布随机扰动的变化规律。仿真结果表明,指向偏差对合成系统的输出特性影响显著,当激光队列的最大偏转角仅为0.05时,合成系统的光束质量就会退化到（6.491.73）。为实现合成光束亮度的定标放大,逐步扩展激光队列的阵列规模,合成系统光束质量的变化会逐渐趋于稳定,以变化稳定时的阵列规模（30路子光束）作为参考,拟合M2因子随最大指向偏转角的变化趋势。     

中波红外激光器的光束指向红外图像检测法

由于中波红外(3～5μm)探测器在军事上的广泛应用,基于中波红外激光器的定向红外发射装置已经成为发展的重点,而其中的激光束指向稳定性就成为非常重要的参数。对于一种光学参量振荡(OPO)产生的中波红外激光器进行了指向稳定性的测试,测试采用了中波红外成像系统及边缘提取与阈值的图像算法,获得了此种激光器的指向稳定性数据。实验结果表明,此激光器在常温下的最大指向偏移量为1.1mrad,平均值为0.3mrad。激光二极管(LD)抽运源晶体及非线性OPO晶体的温控还有进一步提高的可能性。研究结果将为中波红外激光器的研制、光束整形与光束指向测量与稳定技术提供参考。