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。     

激光实际大气传输湍流效应相位校正一些实验结果

进行了近地面水平大气中激光传输湍流效应及其自适应光学相位校正实验，对光束振幅起伏、到达角起伏及其远场Strehl比进行了测量分析。实验结果表明，光束到达角起伏功率谱在低频段（f＜0．4υ／d）近似地满足-2/3次幂关系，而在高频段（f＞0．4υ／d）则近似满足-8／3次幂关系。在较弱湍流效应情况下时数振幅起伏方差小于0．3），相位补偿是有效的，而在较强湍流效应树数振福起伏饱和）时，自适应光学系统常常不能实现稳定闭环。由于传输场景地形复杂，湍流效应及其相位校正效果定量规律的描述还需进一步研究。     

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。     

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)     

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.     

激光大气传输光波相位不连续性问题研究进展

激光在大气中长距离传输时,即使湍流很弱也会产生强湍流效应。在强湍流效应中,一个重要的问题就是光波的相位不再是连续的,相位不连续性问题会引起现有的自适应光学校正能力的降低。介绍了相位不连续点产生的机理和基本性质,阐述了激光大气传输相位不连续性问题近年来的研究进展,为激光大气传输及自适应光学校正技术研究工作的更好开展提供了参考。     

自适应光学技术与激光光束质量

在许多应用中,亮度是对激光光束的最重要指标,光束质量因子甚至比激光功率更为重要.自适应光学技术实时测量和校正光束波前误差,从而可以改善光束质量.在激光传输的不同环节,采用自适应光学技术可以进行光束稳定、净化和大气湍流校正. 1985年我们研制了世界上首套用于ICF的激光波前校正系统.研制了数套光束稳定系统用于校正强激光的方向漂移,又进行了强激光光束净化试验. 还研制了37和61单元两套自适应光学系统,先后完成室内湍流模拟池校正试验、公里级水平光路大气补偿试验和上行传输试验. 从1981年起研制了多种变形反射镜和高速倾斜镜. 在光束质量诊断方面研制了紫外、可见到红外波段的哈特曼传感器系列,采样频率从25 Hz到2900 Hz,已用于光束质量诊断、光学系统检验、强光下的镜面变形测量和大气湍流测量.(OG6)     

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。     

地空激光大气斜程传输湍流效应的数值模拟分析

大气湍流效应是制约各种激光工程应用的重要因素之一.采用多层相位屏的模拟方法,针对地空激光大气的长距离斜程传输进行了大量数值模拟,通过变化天顶角、光束初始半径和激光波长等传输条件,定量分析了光束的有效半径、相对真空扩展倍数、光斑质心漂移均方根和63.2%环围能量的平均功率密度等统计参量在不同传输条件下受湍流的影响程度和变化规律.结果表明:天顶角越大,湍流效应越强,光束受到湍流的影响越大;波长越短,光束受到湍流的影响越强;光斑的漂移随光束初始半径的增大而减小,且与波长无关;在湍流效应和衍射效应的综合作用下,光束有效半径和63.2%环围能量的功率密度随波长和光束初始半径均不是单调变化.这可为激光工程应用提供一定的理论分析和性能预测依据.     

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。     

激光大气传输中的不完全相位共轭数值模拟

采用含时四维程序数值模拟了激光在湍流大气巾传输的不完全相位共轭。比较了不同孔径信标对探测光的反射率,考察了中弱湍流条件下采用不同孔径信标传输不同距离时硬孔的相位共轭保真度和反射率随湍流结构常数的变化规律,及强湍流条件下采用不同孔径信标时软孔的相位共轭保真度和反射率与高斯孔径的关系。结果显示：中、弱湍流条件下,直到3km传输距离,0．5m的接收孔径都足以提供点信标较为理想的相位共轭补偿,3km传输中等程度湍流下Cn^2=10^-15m^-,大信标有较为明显的优势,其保真度高于小信标．所需的系统放大倍率也远低于小信标;3km传输强湍流下Gn^2=10^-13m^-2/3,大信标的保真度反而低,而PCM孔径小时也能获得较高的保真度。     

钠信标光斑大小及回光数研究

钠信标已经成为地基大口径望远镜自适应光学系统的必要组成部分。钠信标光斑大小和回光数是影响自适应光学系统性能的关键因素,从发射角度考虑,主要由激光到达钠层时功率密度分布和耦合效率共同决定。为了准确估计钠信标光斑大小和回光数,首先建立了激光在大气中传输的模型,通过分析激光发射望远镜口径和上行路径大气湍流对激光到达钠层功率密度分布的影响,得出优化激光发射望远镜口径的普适方法;然后根据激光通过发射望远镜后到达钠层的功率密度与耦合效率的关系,计算钠信标光斑大小和回光数;最后利用探测误差和时域误差作为评价指标,计算了系统的最优采样频率。研究结果表明,针对丽江高美古天文台大气条件（大气相干长度（r0@550 nm）中值为7~9 cm）,激光发射望远镜口径最佳值为300 mm,此时产生的光斑最优;当r0为9 cm,激光器采用中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器并利用D2a+D2b双峰泵浦激发钠原子时,产生的钠信标回光数为1.3107 photonss-1m-2,光斑大小为0.6,最优的采样频率为900 Hz。     

相位屏法研究平顶高斯光束的大气传输特性

由于理论研究和实验研究的局限性,用随机相位屏描述湍流大气对激光束的影响,模拟了平顶高斯光束经湍流大气传输时的远场光斑,并进行了统计分析。结果表明,平顶高斯光束经弱湍流大气传输时,短曝光光斑由中心小暗斑和外侧不规则的亮斑组成,湍流增强使光斑破碎,光强分布杂乱无章;对长曝光光斑而言,弱湍流情况下,光斑形状规则,光强分布存在中心凹陷现象,湍流增强使光斑变为椭圆,但光强变为近似成高斯分布。对于本文的参数值,湍流强度为C2n=10-16m-2/3时,光斑质心沿x和y方向分别在[-7.5 mm,7.5 mm]和[-10 mm,10 mm]随机变化,湍流增强使质心漂移标准差变大,同一湍流情况下,平顶高斯光束质心漂移的标准差要比高斯光束小。     

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.     

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。     

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。     

激光大气传输模拟程序CLAP及其应用

基于已有的工作基础,利用高效的科学计算语言FORTRAN95,开发完善了一套实用化的激光大气传输模拟程序.该程序基于光场传播的抛物型方程和多层相位屏技术,实现了激光大气传输的湍流效应、热晕效应以及湍流和热晕相互作用等的数值模拟.通过内置的4种激光大气传输路径以及10种光学湍流廓线等,可以在多种传输模式下对圆形、环形和方形等光束的传输过程和效应参数进行仿真计算,光传播的实时过程利用OpenGL技术能够三维动态显示.模拟软件的用户界面友好,计算参数设置方便,可以有效地为自由空间光通信、激光雷达探测以及随机介质中的光传输研究等提供理论分析和性能预测.