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.     

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。     

采用Zernike多项式对大气湍流相位屏的仿真和验证

采用Zernike多项式法模拟大气湍流相位屏，并使用大气相干长度和相位结构函数来验证所产生大气湍流相位屏的正确与否。仿真结果表明，Zernike多项式法产生的大气湍流相位屏在低空间频率部分与理论值研究较为相符，但在高空间频率部分的仿真结果与理论值差别较大，这是由于Zenike多项式算法本身存在一定的应用条件。此外，虽然可以通过增加Zernike多项式的阶数或者改变接收口径改变大气湍流相位屏上湍流的分布，但是却存在计算量大，计算复杂等缺点。因此，在激光通信系统的具体应用时，应该综合考虑，选择最佳的实验方案。     

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。     

一种空间激光通信中模拟湍流效应的新方法

大气湍流一直是限制空间激光通信的主要因素。提出了一种模拟大气湍流效应的新方法,在接收端用一对相关的幅度屏与相位屏来模拟大气湍流效应。针对星到地的激光通信,论文先将二重积分形式的幅度自相关、相位自相关以及幅度-相位互相关函数简化为一重积分的形式;然后根据这三种相关函数,基于协方差随机屏模拟方法同时产生一对相关的随机幅度屏与相位屏;并比较了模拟屏的结构函数与理论结构函数的符合度。该方法可有效模拟湍流内、外尺度对湍流效应的影响。     

水下湍流连续相位屏生成的仿真研究

建立水下湍流多层相位屏的理论和模型是开展水下湍流研究的主要问题。考虑水下湍流的统计特性,通过三维协方差矩阵预测的方法进行了水下湍流的统计特性和连续性的模拟。提出重叠分配矩阵的方法,优化多层相位屏的模拟,分析了计算效率和湍流统计特性表征之间的关系。结果表明:重叠分配矩阵方法能有效提高单层相位屏的生成效率。三维协方差矩阵预测方法可以使相位屏具有层间相关性,其在单层相位屏内的统计特性也与理论符合较好,但是在小尺度和大尺度下与理论值有一定偏差。该研究将传统的独立多层二维相位屏拓展到了空间相关的多层相位屏,使得利用多层相位屏描述水下湍流更加符合物理实际。     

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。     

结构函数在大口径光学系统评价中的应用

为了降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险,将从结构函数的角度对大口径望远镜光机系统评价方法进行分析和研究.首先通过理论计算得出结构函数与光机系统评价的常用指标斯特利尔比以及系统波像差均方根的关系,并对于结构函数的具体求解方法进行了讨论;然后对于低阶Zernike项对应的系统低频波像差以及Kolmogorov谱反演代表的高频系统波像差进行了分析,得出结构函数在不同的评价尺度下系统斯特利尔比的变化趋势.由于大气相干长度与系统结构函数有直接关系,且直接影响到大口径光学系统的使用效果,最后基于极大似然估计提出了一种大气相干长度估计方法.     

基于剪切干涉法的大气相干长度直接实时测量

大气湍流的随机变化对星地激光通信性能有所限制,高速激光通信对瞬时湍流特性的描述提出新的要求。基于剪切干涉法对大气相干长度进行直接、实时测量。通过测量经过大气扰动的畸变光波前的剪切相位分布,利用满足各态历经随机过程条件时,相位结构函数的时间平均等于系综平均的特点,结合Fried相位结构函数,得到实时的大气相干长度。采用波长为635nm的光波进行1.2km距离实验,成功测得了大气相干长度,并通过对比实验验证了其可行性,解决了在高速激光通信中,传统的测量大气相干长度方法在时间累积和统计分析方面的限制。     

湍流大气中传输光波的波相位结构解析函数

在湍流大气对传输光波调制的双尺度湍涡(大尺度湍涡和小尺度湍涡)近似下,研究了用于计算描述湍流大气中传输光波相干长度变化的核心函数(互相干函数)的关键因子波结构函数(WSF),通过建立包含不同尺度湍流因子的折射率起伏谱密度函数,导出了可以用于精确理论分析平面波与球面波在湍流大气中传播时所产生的诸如到达角起伏和相干性变化等效应的波相位结构函数的精确解析式,同时给出了便于数值计算的近似误差在2%范围以内的波相位结构函数的精确渐近表达式。     

大气湍流影响星地相干激光通信的数值仿真

由于解析法在研究相干光通信的相位补偿等问题中存在困难,采用多层相位屏分步传输的数值仿真方法研究大气湍流对星地相干光通信下行传输的影响。首先建立了卫星地面之间的大气湍流中激光传输的仿真模型,可以实现不同天顶角和不同湍流条件下的光传输仿真计算。然后用其进行地球同步轨道(GEO)卫星下行光通信的数值仿真分析,并通过与理论值的对比来检验算法的可靠性。最后结合二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)相干激光通信系统的误码率（bit error rate, BER）模型,计算分析了下行激光通信信号的衰落系数和BER。     

相位屏法研究湍流大气对干涉图样的影响

基于马赫-泽德光路发射的相干光为模型,利用功率谱反演法生成随机相位屏的方法模拟湍流大气,分析了相干高斯光在湍流大气中的传输过程并建立了传输模型,推导得到了接收屏上的干涉光强。数值仿真分析了湍流大气对干涉图样分布以及条纹间距和对比度等特征参数的影响。结果表明,随着湍流强度增大,干涉图样变得模糊甚至破碎,条纹间距增大,对比度下降。此研究结果对于激光主动干涉探测技术的应用具有一定参考意义。     

Development and application of a statistically based feature extraction algorithm for monitoring tool wear in Circuit Board Assembly

Vibroacoustic signals of rotating machinery are composed of sums of modulated periodicities, broadband random components, and occasionally a set of transient responses. These signals are not ergodic as the modulated periodicities are partially coherent. Progressive wear of the rotating machine causes the nonlinear structure of the received signal to intensify, and nonlinearity results in transfer of energy between harmonics of the signal's periodic components. Statistics developed from bispectrum and second-order cumulant spectrum estimates of the measured signal are combined with power spectrum amplitudes as feature inputs for standard multivariate classifiers. The higher-order statistics measure, respectively, the extent of nonlinearity and intermodulation of the received signal. Classification results of simulated and actual incipient wear data collected from a controlled experiment drilling circuit boards illustrate the potential of this novel statistical signal processing approach.     

自由空间光通信中相干圆偏振调制系统性能研究

自由空间光通信（FSO）具有高带宽、不需要铺设光纤、部署迅速、低功率损耗等优点,得到了广泛的关注。在Gamma-Gamma大气湍流信道下,分别考虑弱、中、强三种大气湍流强度,结合相位噪声,研究了相干探测的圆偏振调制系统的性能,推导出了误码率和中断概率的闭合表达式。在不同的大气湍流强度和相位噪声的情况下,仿真分析了相干探测的圆偏振调制系统的性能,并与直接探测系统的误码性能进行比较,结果表明,采用相干探测系统的误码性能优于直接探测系统。因此,在圆偏振调制系统中,采用相干探测方式可减小大气湍流的影响,大大降低了误码率,提高了系统的通信性能。     

斜程湍流大气中矢量涡旋光束的OAM特性研究

基于螺旋谱理论推导出矢量涡旋光束在斜程大气湍流传输中的轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)谱,讨论了修正Kolmogorov大气湍流对不同阶矢量涡旋光束光场分布及光束OAM谱的影响。利用旋转毛玻璃作为随机相位屏,实验采集了矢量涡旋光束通过旋转毛玻璃后的光强图像与归一化强度。结果表明:经大气湍流斜程传输后,矢量涡旋光束的光强分布产生畸变且OAM谱发生弥散,OAM谱弥散程度随传输距离的增大而增大。传输距离不变时,天顶角越大,主OAM模相对功率越小,湍流内尺度减小与折射率结构常数增大均会导致主OAM模相对功率减小。同一传输路径下,随着湍流强度的增大,矢量涡旋光束中心相位奇点的强度逐渐增大,并且拓扑荷不变时,偏振阶数高的矢量涡旋光束受到的湍流影响较小。