利用激光雷达测量湍流强度廓线的研究

介绍了一种新颖的利用激光雷达测量湍流廓线的原理,通过对经过分层大气湍流的光束波面误差的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用一定的算法反演湍流强度廓线.通过大量的实验,验证了通过测量波面误差获得大气折射率结构常数这种方法的可行性.提出了在一定近似条件下利用平面波积分方程的递推算法反演大气折射率结构常数,获得了较为满意的相似度,并且与球面波算法进行了比较,分析了各自的反演效果.     

近地面大气相干长度值对比实验分析

在进行大气湍流强度、激光大气传输的研究时,大气相干长度是一个非常重要的参数.为了确定大气相干长度仪系统测量的A类不确定度,验证差分像运动法(DIMM)所测得的大气相干长度的可靠性,在相同传输路径上,分别运用差分像运动法和湍流积分法测量大气相干长度值.两种方法测量结果在量级和时间趋势上基本一致,两种方法得到相互验证.同时分析了两种测量方法得到的大气相干长度值存在差异可能的原因.大气相干长度仪的A类测量不确定度是通过贝塞尔法来计算的.通过实验可以得出,该大气相干长度仪系统的平均相对扩展测量不确定度小于20%.大气相干长度仪系统具备较高的可靠性,能够为大气光学传输的应用提供有价值的参考.     

跟踪移动信标并实时计算斜程路径大气相干长度的差分像运动测量装置

介绍了一种能够跟踪移动信标的新型大气相干长度测量系统。系统使用遗传算法与区域加宽迭代质心算法结合而成的新算法处理差分运动图像,实时计算移动目标脱靶量与光波到达角起伏方差,实现了跟踪测量的功能。测量实验中,利用飞行高度为35km的平流层气球搭载的碘钨灯作为光源,实时测量了斜程传输路径上的大气相干长度值。与此同时,在距离新仪器5m处放置了一台以太阳的边缘作为光源、测量整层大气相干长度的大气相干长度仪进行对比测量。对比结果表明,两组测量数据具有较好的相关性。据此初步分析与讨论了利用激光导星技术主动探测整层大气相干长度的可行性。     

大气相干长度的对比实验研究

大气相干长度是在激光大气传输和自适应光学研究中对大气湍流介质进行定量描述的重要参量。介绍了利用激光大气闪烁测量反演大气相干长度和利用差分像运动测量法(DIMM)测量光波到达角起伏方差来确定大气相干长度的两种不同测量方法，并根据光波到达角起伏和激光大气闪烁这两种不同方法测量大气相干长度的仪器，在相同的近地面传播路径上进行对比实验观测，两者测量结果有时存在一定的偏差，但其量级和时间变化趋势基本一致，这两种测量方法相互得到了验证。最后还对实验观测结果进行了讨论，分析了误差产生的原因。     

不同下垫面水平大气相干长度的测量与分析

与温度脉动仪测量结果对比验证了大气相干长度仪测量结果的可靠性,分析了两种仪器测量结果存在的差异及原因。对比大气相干长度仪测量的博贺海面、海边及合肥水平大气相干长度得出如下结论:全天海面水平大气相干长度最大,海边次之,合肥最小;合肥水平大气相干长度具有典型的日变化特征,清晨、傍晚转换时刻变化范围约4~10 cm、4~15 cm;海边水平大气相干长度清晨转换时刻变化范围约8~15 cm,特征与合肥相似,傍晚转换时刻后保持在12 cm左右;海面水平大气相干长度清晨转换时刻变化范围约9~12 cm,傍晚转换时刻约从15 cm迅速增至50 cm并保持2 h后迅速减至28 cm。结合不同下垫面的特点、天气状况及海陆风转换造成的影响,对上述实验结果进行了初步分析。     

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。     

南海海边整层大气相干长度的测量与分析

大气相干长度是描述光波大气传输中湍流效应的重要参量,具有区域变化特性。海边大气相干长度的测量结果很少有报道,利用差分像运动法大气相干长度仪观测了茂名博贺海边的整层大气相干长度,获得了海边大气相干长度的全天数据。数据分析表明,海边整层大气相干长度日变化明显,夜晚起伏无规则,上半夜平均天文视宁度好于下半夜,白天最差;与陆地数据比较得知,海边整层大气相干长度日变化不如陆地上的剧烈,海边日变化成近"V"型,陆地上的为近"U"型;通过分析比较,提出了一些启发性的见解。     

斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

面向星地激光通信的大气湍流预报研究进展

激光通信系统在大气环境下应用的性能受到严重制约,当激光在大气湍流中传输时,其波面会发生畸变。在激光通信系统中,对大气湍流相关参数进行预报可以提前对星地数据传输链路进行调度,避免建立无效的通信任务。此外,大气湍流预报在天文选址、光学遥感等领域也有重要价值。随着国内外相关工作的长期积累以及算力、观测设备等硬件的能力提升,当前科研人员已经提出了一些大气湍流预报方案。文中主要综述了国内外学者在大气湍流预报方面的研究进展,首先详细介绍了目前应用比较广泛的中尺度数值预报技术,列举了使用中尺度数值预报方法对国内外典型区域的大气湍流进行预报的相关工作;然后介绍了深度学习方法在大气湍流预报中的应用情况,对其优势与局限性进行了讨论;最后介绍了一种面向星地激光通信的大气相干长度短时预报方法。     

大气相干长度仪全屏自动跟踪测量软件

介绍了大气相干长度仪测量软件的升级改进.该软件对原有图像处理方法进行了改进,提高了目标光斑的识别效率,将原有的半屏测量拓展为全屏测量,增强了系统的测量稳定性.同时,升级后的测量软件实现了大气相干长度仪在复杂环境下进行图像灰度和对比度的自动调节,仪器在执行跟踪测量任务时可以根据背景光变化实时调节目标识别算法的参数,进而能...     

对Zernike模式法重构19单元哈特曼测量波前的研究

通过对19单元哈特曼测量和模式法重构波前的过程进行数值模拟,研究了Zern ike模式法重构波前时耦合和混淆出现的原因、条件、程度和数学算法的表现。确定了在综合考虑最高可识别模式和计算稳定性同计算工具关系的情况下,选择最佳重构阶数的基本原则。同时对19单元哈特曼复原精度进行了评价,得出模式耦合是影响精度的主要因素,得到了模式法波前测量的适用条件,为利用哈特曼进行光束质量诊断提供了依据。     

利用Zernike法进行激光小尺度畸变波前的重构

提出利用阵列菲涅耳波带片作为波前分割传感,采用Zernike模式法进行高功率系统激光束小尺度相位畸变波前重构方法。通过数值模拟讨论了畸变波前的纹波尺寸因子、畸变波前的幅度大小对波前探测重构的精度影响,并得到小尺度畸变波前重构的Zernike的优化价数。     

GPU计算液晶自适应光学波前重构的并行性研究

研究了图形处理器(GPU)计算液晶自适应波前重构的并行性。介绍了液晶自适应光学的Zernike模式波前重构算法,论述了GPU的通用架构和GPU实现波前重构的方法。在此基础上提出了利用GPU拥有的RGBA4个颜色通道进行并行计算,进一步加快计算速度,最后给出了实验结果。结果表明:在GPU计算波前重构时,利用RGBA颜色通道的并行计算,将计算速度提高了3倍多。     

自适应光学系统光学部分的计算机模拟

利用相位屏（PS）方法通过软件模拟大气湍流,进而研究了自适应光学（AO）系统中哈特曼一夏克（H—S）波前传感器的计算机模拟技术。使用基于Zernike多项式的模式法重构波前,验证了模拟方法的可行性,完成了AO系统光学部分的计算机模拟。     

基于波前相位单纯形样条函数建模的空间目标波前解卷积方法

针对空间目标地基自适应光学望远镜成像过程中同时记录目标图像及波前传感器数据的情形,提出了一种利用波前测量数据的空间目标自适应光学图像复原方法。该方法将大气降质波前表示为望远镜孔径内的二元单纯形样条函数,而非传统的Zernike模式的线性组合,基于该区域表示,为哈特曼-夏克波前传感器建立了平均斜率测量模型,进而非适定的波前重构问题转化为良态等式约束最小二乘问题,最终的目标图像即可通过非盲解卷积方法获得。仿真实验验证了提出的方法在不同的湍流强度下均能表现出良好的复原效果,对测量噪声亦不敏感。     

哈特曼-夏克波前传感器的最优模式复原

为了减少波前探测斜率噪声对于基于哈特曼-夏克波前传感器的Zernike复原模式的影响,采用对波前复原矩阵斜率噪声影响的相关分析和线性解耦变换的方法,得到一组基于哈特曼-夏克传感器斜率探测噪声的Zernike最优复原模式,通过合理剔除波前模式复原中易受噪声影响的模式组合,减少了波前测量噪声引起的波前模式复原误差;采用蒙特卡罗随机试验法,验证了——子孔径成方形排布的波前传感器对于波前斜率噪声的受影响程度,仿真结果显示,复原模式系数误差由0.0212λ下降为0.0048λ.结果表明,在剔除部分模式项后,最优复原模式统计优化对于滤除波前斜率探测噪声有一定的作用,提高了波前探测器的探测精度和复原能力.     

腔内像差扰动对正支共焦腔模式的影响及腔内像差校正

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。     

利用光场传感器重建波前相位的仿真研究

利用软件仿真对光场传感器重建波前相位的能力进行了研究。研究采用FFT算法模拟波的传播和衍射效应,利用Zernike多项式模拟像差, 根据相应的光场映射及逆光场映射理论,进行波前重建。研究了前22项单阶像差的波前相位重建情况,选取其中初级像差和二级像差的 重建结果做了比较分析,并针对复合像差的波前重建做了多组仿真实验,比较了低阶复合像差和高阶复合像差的重建误差。结果表明: 无论是单阶像差还是复合像差,光场传感器都能够重建波前相位,并且对低阶像差的相位重建效果好于高阶像差。     

夏克-哈特曼传感器任意形状孔径波前的模式重构及Zernike多项式描述

根据高等代数内积和欧氏空间的概念及线性无关向量正交化方法 ,提出了在任意形状区域上 ,利用Zernike多项式在给定区域的正交化方法 ,通过线性变换生成一组新的正交多项式 ,实现在任意区域哈特曼 夏克波前传感器的相位模式重构的方法 ,并通过线性反变换 ,实现任意区域的波前相位的Zernike多项式表示。     

波像差与光束质量β因子的关系

分析了光学系统的波像差与对应的光束质量β因子间的关系，推导了光束质量β因子的近似计算公式。用数值计算方法建立了各种泽尼克多项式的波像差均方根值(RMS)与口因子问的拟合关系式。在此基础上，分析了科尔莫哥诺夫大气湍流引起的波像差与对应光束质量口因子间的关系。数值计算结果验证了推导的近似计算公式在相当大的像差范围内是准确的。