激光大气传输相位不连续性的数值计算

利用激光大气传输及其校正四维程序对激光大气传输相位不连续性问题进行了数值计算,分析了相位不连续点密度与湍流强度、传输距离的关系和不同波长信标情况下的相位不连续性及其对校正结果的影响.根据计算结果表明:1) 在一定的传输距离情况下,大气湍流较弱时,相位不连续点对的数密度随湍流强度的增强变化很缓慢,但当湍流强度增强到一定值后,相位不连续点对的数密度随湍流强度的增强而迅速增加;2) 相位不连续点对的数密度不仅与大气相干长度有关,与传输距离也密切相关,在相同的大气相干长度条件下,传输距离越远,光强起伏越强,相位不连续点对密度越大,对自适应光学相位校正效果的影响也越大;3) 在同样的大气湍流和传输距离条件下,信标光波长越长,相位不连续点对的数密度越小,对主激光的校正效果也越好. 综合上述计算结果说明,用大气相干长度(或d/r0)以及自适应光学系统带宽,并不能完全描述自适应光学相位校正效果.尤其是在长距离激光大气传输中,自适应光学相位校正需要考虑闪烁的影响.(OG3)     

强激光大气传输特性分析及自适应光学技术

分析了强激光在大气传输中产生的折射、吸收、散射和湍流等线性光学效应，以及热晕、受激喇曼散射和大气击穿等非线性光学效应。同时介绍了自适应光学技术，以用于强激光发射。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明:自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r_0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2(D／r_0)2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1 1．2(D／r_0)2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r_0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序，计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时，在弱湍流效应条件下，以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱，SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2]，不考虑系统像差时，光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2；随着湍流强度或传输距离的增加，要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响，以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外，对于不同的发射和传输条件，自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的，且存在一阈值，条件不同其阈值是不同的。     

大气中的光学涡旋及其传播

光学涡旋在大气中的产生和发展是光波大气传输中的新现象,对光电工程应用具有潜在的重要影响和应用前景,从光场的相位奇性出发,讨论了光学涡旋的起源、形态,介绍了利用数值模拟方法获得的几种光学涡旋及其组合在均匀介质和非均匀湍流介质中的传播特征.讨论了湍流大气中光学涡旋的产生和发展以及光学涡旋拓扑荷的传递问题.分析了光学涡旋对激光大气传输相位校正的影响.指出了利用光学涡旋传播动力学特征的几种可能的应用工作.     

激光大气传输研究若干问题进展

本文主要总结1995年以来，大气光学重点实验室在激光大气传输研究方面取得的一些重要进展：（1）较系统地测量了影响激光大气传输的大气光学参数，积累了一批资料；（2）提出利用双差分吸收激光雷达测量大气臭氧垂直分布以及利用偏振光的散射测量同时决定大气气溶胶的复折射率和谱分布的新方法；（3）证明了有限时间大气相干长度测量值是一个随机量，并推导出其概率密度分布函数的表达式；（4）提出了描述湍流大气中激光光强起伏的概率分布及激光光斑统计特征的方法；（5）在实际大气湍流与模拟大气湍流中，第一次用实验方法得到了自适应光学相位校正效率与大气湍流强度的定量关系；（6）你建立了有一定特色的包括自适应相位校正的强激光大气传输四维数值计算程序，并得到了部分实验验证。     

大气光通信信道特性及相位补偿技术研究

大气湍流使光载波的强度和相位在空间和时间上都呈现随机起伏,从而极大地降低了激光通信系统的性能.基于大气湍流信道的特点,分析了各种湍流效应对大气激光通信系统性能的影响,介绍了自适应光学相位补偿技术在大气激光通信系统中的应用进展,特别指出基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学技术由于具有诸多优点,在未来的大气激光通信系统中可能有较为广阔的应用前景.     

激光大气传输相位不连续点的探测实验

利用30×30 Hartmann-Shack波前传感器对激光在大气中传输时产生的相位不连续点进行了探测.实验结果与数值模拟结果对比分析表明:强湍流条件下,探测到了相位不连续点,实验结果与数值模拟结果基本相符,并充分说明了相位不连续点是成对出现的.利用激光大气传输四维程序对激光大气传输相位不连续性问题进行了数值计算,分析了发射口径和网格精度对相位不连续点数密度的影响.     

相位不连续点数与湍流效应特征参数的关系

利用激光大气传输四维程序对激光在大气中传输时产生的相位不连续点的数目进行了数值计算.计算结果表明,相位不连续点的数目不仅与描述光强起伏量的大气湍流强度、传输路径长度和传输光的波长有关,而且还与湍流的内尺度有关.另外,通过对湍流较弱但传输路径较长的强闪烁条件下畸变光场中出现的相位不连续点数目的计算发现,当湍流效应达到一定程度时,相位不连续点的数目有达到饱和的趋势.     

基于SPGD算法的激光大气传输湍流效应校正的初步研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是近年来广泛发展的一种无模型优化控制算法,它具有速度快、无需信标光等优点,得以运用于自适应光学系统中.利用相位屏法数值模拟激光大气传输过程,以61单元变形镜为校正器,采用SPGD算法对激光大气传输湍流效应进行了初步校正研究,研究表明: SPGD算法可以用在自适应光学系统中用于校正激光大气传输湍流效应引起的畸变,且不同参数如扰动幅度值、增益系数的选取对校正效果有一定影响,文中给出了不同传输情况下的仿真计算结果.     

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。     

自适应光学技术在大气光通信系统中的应用进展

大气光通信中大气湍流引起的相位噪声和光强起伏噪声会严重影响通信系统的通信质量,自适应光学补偿可在一定程度上解决问题.常规自适应光学技术对于解决上行链路、下行链路中的湍流扰动问题得到了理论和实验验证.强闪烁现象的存在使得常规自适应光学技术在水平链路中的应用受限,不使用波前传感器的自适应光学技术则为这一问题的解决提供了可能方案.随机并行梯度下降算法是该类自适应光学技术中一种较有应用前途的控制算法.     

大气相干长度测量信标自动跟踪系统

大气相干长度是研究大气湍流强度、激光大气传输以及自适应光学的重要参量之一.整层或有限距离相干长度的测量大多是以恒星、高空气球中光目标等作为信标光源的.一般依靠轨道跟踪或手动跟踪,跟踪能力差,测量时操作不便.为此研制了一套信标自动跟踪测量系统,可以实现各种不同条件下大气相干长度的自动跟踪观测,从而大大提高了测量性能.     

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...     

自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

相干激光通信能够实现每秒数百吉比特的通信速率和接近量子极限的灵敏度,在未来天地一体化信息网络中具有广泛的应用前景。大气湍流引入的光学波前畸变是影响星地相干激光通信链路性能的重要因素。本文将自适应光学技术应用于大口径光学地面接收站,并系统地开展了4 Gbps高速相干激光通信试验,试验结果表明,自适应光学技术能够有效抑制中等大气湍流的影响,并提高相干激光通信的灵敏度和稳定性。     

聚焦光束热晕效应相位补偿定标规律研究

非线性热晕效应对高能激光大气传输有重要的影响,一个可以用来预测和评价高能激光在不同传输条件下自适应光学系统补偿效果的定标规律对实际的工程应用有重要的意义。利用激光大气传输四维仿真程序,通过仿真不同空间带宽的自适应光学系统,在均匀路径下,对不同发射口径、不同传输距离聚焦光束稳态热晕的相位补偿进行了数值计算。结果表明,自适应光学系统空间带宽对聚焦光束热晕效应的相位补偿影响差别不大,使用广义畸变参数N可以较好地定标其相位补偿效果。     

自适应光学技术提高FSO性能的实验验证

搭建了一套37单元的自适应光学系统和155M/2.5G大气激光通信系统室内实验平台。结果显示:大气湍流对激光通信性能影响很大。使用芯径为62.5μm的多模接收光纤时,自适应开闭环误码率最大改善超过4个数量级;使用芯径为10μm的单模接收光纤时,可以很明显地观测到接收端信号的深度衰落现象,且衰落程度与误码率一一对应。自适应光学闭环后,深度衰落得到了抑制,也极大地降低了系统误码率。