大气湍流对激光信号传输影响的分析研究

文中介绍了激光信号通过随机大气信道时,大气湍流效应造成了光束抖动、强度起伏,光束扩展和像点抖动等现象。对强度起伏、光束漂移及扩展和相位起伏与到达角起伏进行了理论分析,并在理论分析的基础上设计了实验研究方案,最后得出了相应的实验结果。     

偏振部分相干激光斜程湍流大气传输的漂移扩展

采用光场的一阶矩和二阶矩作为评价参数,研究了偏振部分相干激光波束在斜程湍流大气传输中的漂移效应和扩展效应。根据推广的惠更斯-菲涅耳原理,以椭圆偏振部分相干激光波束为研究对象,推导了斜程传输情况下波束的重心坐标、扩展半径和扩展角的表达式,数值分析了偏振波束两正交分量的相位差、方向角、波长、初始束腰半径和接收机高度对波束漂移及扩展的影响。结果表明,在确定的斜程传输距离和接收机高度下,随着偏振波束两正交分量相位差的增大,漂移效应先增大后减小,在确定的斜程传输距离下,接收机高度越高,波束的漂移效应和扩展效应越小。     

抑制二极管泵浦激光器光轴漂移的实验研究

对半导体二极管泵浦电光调Q激光器在实验过程中的光轴漂移现象进行了分析和探讨,利用有限元分析软件CFDesign模拟了激光晶体在不同散热状态下的温度分布。测量了晶体在不同的散热结构和泵浦结构下输出激光的光轴漂移量,指出了光轴漂移现象产生的原因。实验及模拟结果对于有光轴漂移量要求的激光器设计具有一定的借鉴意义。     

海上大气激光传输特性仿真研究

大气光学效应是影响激光器作用效能的重要因素之一。基于多层相位屏法,针对海上大气环境下激光水平传输做了大量数值仿真,通过在湍流相位屏上叠加热晕以及衰减引起的相位变化,综合考虑三者对激光传输特性的影响;分析了不同激光初始功率、不同折射率结构常数、不同能见度以及有无热晕情况下接收面处激光光斑半径,质心漂移均方根和环围功率比的变化规律。仿真结果表明:激光初始功率越强,热晕效应越明显,光斑畸变越严重,光束质量变差;折射率结构常数越大,湍流效应越强,光斑扩展与光束漂移现象越明显,平均功率密度下降,环围功率比增加;能见度越小,激光能量衰减越严重,环围功率比越大;热晕效应会加大光斑扩展程度,增加光束漂移量和环围功率比。研究结果可为海上大气环境对激光器作用效能评估提供一定的理论依据。     

湍流大气中激光通信系统接收光功率的优化研究

以部分相干高斯-谢尔模型(GSM)光束为例,对湍流引起的漂移方差和扩展角进行模拟,综合考虑由光束漂移引起的瞄准误差和光束扩展引起的接收光功率密度的整体下降,对激光通信链路中接收端光功率进行数值计算和分析,找出激光通信系统中最佳发射光束的参数。研究结果表明,湍流大气中激光通信系统最佳发射光束的参数与光束的束腰半径、空间相干长度、波长、传播距离和湍流强度有关。部分相干GSM光束接收端光功率随着波长、光束束腰、空间相干长度和传输距离的变化存在一最优值。     

二维位移测量中激光漂移实时补偿方法研究

激光漂移是影响二维位移测量精度的主要因素之一。为了消除激光光源漂移对二维位移测量结果的影响,提出了一种双光路激光漂移实时补偿的方法。在二维位移测量系统中,根据测量光路结构工作机理建立了激光光源平漂和角漂对位移测量产生误差的模型,通过参考光路监测激光的漂移量,并利用误差模型将漂移量经过转换后补偿到测量结果中。理论分析表明,本文方法能够实现对平漂和角漂的完全补偿。分析了实际光路布置中的结构参数误差对补偿效果的影响,基于此选择光路的结构参数。实验结果显示,使用双路激光漂移补偿方法后,可以使8h内的X方向和Y方向的漂移量分别减少55.1%和73.3%。     

临近空间激光传输特性研究

基于临近空间大气基本特性,对激光与大气相互作用进行分析和研究,采用MODTRAN软件分析了临近空间大气的吸收和散射,给出了400~2000 nm波长激光的透过率曲线,从激光光斑漂移和扩展两个方面对大气湍流对激光传输的影响进行数值计算,对发生热晕效应的功率阈值进行数值估算,结论表明:与近地空间相比,临近空间大气对于激光传输影响较弱,有利于实现高功率激光的长距离传输。     

基于全光纤滤波技术的多波长掺铥光纤激光器

设计了一种基于马赫-曾德和光纤光栅滤波结构的掺铥光纤激光器,实现了2 μm波段多波长激光输出。马赫-曾德滤波器由2个3 dB耦合器构成,光纤光栅反射波长为1950.35 nm,滤波器的波长间隔为1.6 nm,激光器阈值为70m W。通过实验证明了采用马赫-曾德结合光纤光栅进行滤波能够有效提高波长稳定性,实验中通过调节偏振控制器能够实现稳定的单波长、双波长及三波长激光输出。1892.2 nm单波长激光的波长漂移和功率漂移分别小于0.6 nm和0.969 dB,边模抑制比为49.75 dB;1902.8 nm和1932.0 nm双波长激光的波长漂移均小于0.4 nm,功率漂移分别小于1.021 dB和2.583 dB;1895.7 nm、1902.5 nm和1931.9 nm三波长激光的波长漂移分别小于0.4 nm、0.3 nm和1.0 nm,功率漂移分别小于2.548 dB、1.441 dB和0.809 dB。输出激光3 dB 线宽均小于0.8 nm。     

激光钠信标光斑漂移和光斑半径的数值模拟与分析

激光钠信标的光斑漂移、光斑半径的变化对自适应光学校正有直接的影响。在激光钠信标光斑漂移方差和有效半径理论模型的基础上,采用数值模拟的方法,在三种大气湍流模式下,具体研究了激光钠信标光斑与激光光斑漂移方差和有效半径的差异,计算了不同发射口径时激光钠信标光斑的长曝光与短曝光有效半径的平均值,分析了有再泵浦能量激光对激发钠信标光斑漂移方差和平均有效半径的影响。研究结果表明,大气湍流强度、激光发射口径以及再泵浦激光能量都能够影响激光钠信标光斑漂移和光斑半径。     

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。     

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性

根据推广的Huygens-Fresnel原理推导了不同接收机高度斜程传输情况下波束的扩展半径.同时结合Mellin变换,导出了考虑外尺度情况下准直激光波束漂移方差模型,可以退化到不考虑外尺度时漂移方差.数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气结构常数模型,结果表明,斜程大气湍流中波束的漂移方差、扩展半径依赖于接收机高度和初始波束半宽.随仰角的增加,波束的有效半径和漂移方差不断减小;累积效应斜程传输波束受大气湍流的影响比水平传输要小得多.     

脉冲激光干扰面阵CCD成像系统的实验研究

为了研究脉冲激光对面阵CCD的干扰效果,采用近场模拟实验的方法,设计了重复频率脉冲激光干扰CCD成像器件近场实验。当CCD器件表面接收激光功率密度达到2.97mJ/cm2时,观察和记录了CCD器件串音饱和现象;当CCD摄像机电子快门打开时,除发射窗口有激光光斑图像外,激光脉冲在激光器出光口竖直方向也会形成偏离出光口位置的漂移光斑图像。分析了CCD摄像机电子快门作用机理及图像信号转移方式机理,并对光斑漂移现象给出了合理解释。结果表明,重复频率脉冲激光可使CCD图像上出现漂移光斑而对图像形成干扰。这为重频脉冲激光干扰CCD的研究提供了理论基础和初步实验验证。     

激光陀螺随机误差建模方法研究

随机误差是陀螺的主要误差。为了减小随机误差对激光陀螺精度的影响。介绍了依据激光陀螺漂移数据建立时间序列模型的方法并进行了建模实验,并在此基础上采用卡尔曼滤波算法对激光陀螺的漂移数据进行了处理,取得了较好的效果。结果表明,此方法能有效地抑制激光陀螺的随机误差,提高激光陀螺的精度。     

单模光纤激光准直仪的研制

本文在简要分析影响激光准直精度主要因素的基础上,介绍了单模光纤激光准直仪的原理及其软硬件设计,给出了准直仪在不同距离下的漂移实验.实验表明:研制的准直仪在20m范围内1个小时内的相对漂移值小于2×10-6.     

光路温度特性对激光陀螺零偏的影响

偏置漂移使得激光陀螺输出信号产生较大偏置误差,准确地辨识漂移并有效地对其进行补偿,直接关系到激光陀螺的测量精度.为了提高激光陀螺的精度,研究了光路温度特性对激光陀螺零偏的影响.通过大量的重复性高低温实验,利用最小二乘法证明了光强与温度的线性关系,得到了拟合直线表达式,并分析了利用光强对陀螺零偏的补偿效果.提出了从硬件设...     

基于单神经元PID解耦的激光漂移量控制方法

简述了激光光束漂移量控制原理,并指出在特定方向(一维)激光光束漂移量控制过程中存在严重耦合问题。传统PID(proportionalintegralderivative)解耦控制难以很好抑制耦合现象。针对此问题,提出了应用单神经元PID解耦控制对激光漂移量控制过程中的耦合进行解耦。与传统PID解耦控制相比,本方法解耦控制的响应速度明显加快,抗干扰能力加强,可以更好地抑制系统耦合。实验表明,应用单神经元PID解耦控制后系统振荡现象基本消除,激光光束在特定方向的准直精度可以稳定在5×10-8rad。     

海上大气湍流中光束漂移模型分析

光束漂移是激光在大气湍流中传输时的一个重要效应。基于海上大气折射率起伏功率谱模型,推导得出了该环境大气湍流中水平路径光束漂移的理论表达式;为了分析所建立模型的适用性,利用CCD成像技术,在烟台地区近海面环境下开展了多次激光传输实验,分别采集到了不同时间段和不同距离的准直高斯光束漂移实测数据,在弱起伏条件下,将理论预测值与实际测量值进行比较,分析结果表明:两者之间的相对误差值全部低于16%,说明所建立的海上环境光束漂移理论模型能够与实测值较好地吻合。所得到的研究结果将为研究海上环境下光束漂移问题提供更加准确的理论模型。     

提高激光准直精度的途径

在激光准直高精度直线度测量中，激光漂移是影响其测量精度的主要因素。激光光线漂移分为光漂、光线弯曲和随机抖动三种类型，针对不同的产生漂移的原因，需采取适当的补偿方法来解决激光漂移问题，提高激光准直测量精度。本文对不同类型提高激光准直精度的方法进行了归纳，并分析了各方法的优缺点。     

飞行时间质谱峰形分析

报道了在用脉冲355 nm的YAG激光对水/甲醇二元团簇的多光子电离飞行时间质谱研究中,发现在电离激光相对于脉冲分子束的不同延时或是同一延时下不同的激光能量下,测得的离子谱峰除强度变化外,峰值发生漂移.离子峰值漂移的大小与信号强度密切相关.信号强度越大,离子的飞行时间越短,峰值漂移越大.分析认为:这种峰值漂移不是因为新质量数谱峰的出现,而是离子在穿越质谱仪的离子引出区和加速区极板时发生部分离子吸附,引起极板间电压的起伏造成的.离子信号越强,意味着极板对离子吸附的量越大,导致离子峰值的漂移越大.离子在电场起伏下的数值模拟结果与实验中观测到的离子峰值漂移规律一致.     

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。