信标光波长对全场补偿的影响

 激光在近水平长距离传输时,闪烁效应会影响自适应光学的校正效果。在Rytov近似下,导出了纯相位补偿方差和全场补偿方差与信标光波长的关系,研究了信标光波长对补偿效果的影响。结果表明,当信标光的波长与主激光波长之比小于1.89时,全场补偿的方差小于纯相位补偿的方差。     

湍流大气中光束的相位不连续点数密度

基于Rytov近似和几何光学近似条件下,导出了对数振幅导数方差的解析表达式,证明了该参量主要取决于湍流内尺度、Rytov方差以及Fresnel尺寸大小.在此基础上,给出了光束相位不连续点数密度的修正表达式,分析了相位不连续点数密度随上述湍流参量变化的情况.分析表明在Rytov方差小于1的湍流条件下,不连续点数密度数随Rytov方差的增大而增大,而随湍流内尺度和Fresnel尺寸的增大而减小.     

基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法

激光在大气中传输时,由于强湍流或长传输距离的影响,畸变波前中出现由相位起点组成的不连续相位,现有波前复原算法不能有效复原不连续相位,使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效.本文分析了最小二乘波前复原算法不能复原相位奇点的原因,提出了基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法,给出了复指数波前复原算法中迭代计算、降采样、插值计算的实现方式.研究了该方法对不连续相位和随机连续相位的复原能力,数值分析了采用复指数波前复原算法的自适应光学系统对大气湍流像差的校正效果.仿真结果表明,同等复原精度下,相比直接迭代过程,该方法所需浮点乘数目减少了近2个数量级,且随着夏克-哈特曼波前传感器子孔径数目增加,其在计算量上的优势更加明显. Rytov方差较大时,相比直接斜率法,自适应光学系统采用复指数波前复原算法后校正光束Strehl比提升1倍.     

光束在强湍流区中传播的到达角起伏

 基于修正Rytov理论，导出了适用于强湍流区的无限平面波和球面波的到达角起伏方差表达式及其功率谱表达式，分析了散射盘对到达角起伏的影响。研究结果表明：导出的方差表达式在弱湍流区也适用，随着Rytov方差的增加到达角起伏趋于饱和；高频功率谱的下降速度随着散射盘尺度的增加而增加。     

弱湍流大气激光通信中的光强闪烁研究

大气激光通信中，湍流引起的光强闪烁严重影响通信系统的性能指标（误码率）。通过对湍流条件下光强分布的数值仿真，得出弱湍流时接收光强服从对数正态分布，与Rytov理论一致。用随机过程分析的方法给出了系统误码率与光强闪烁的关系，并进行MATLAB数值模拟。研究表明误码率随对数振幅方差（湍流强度）的增加而上升，且当对数振幅方差在0～0．02时，误码率随对数振幅方差的变化较快，近似呈线性递增。在工程中，可采用自适应光学或多发射机等技术抑制湍流对大气激光通信的影响。     

自适应光学系统的数值模拟：直接斜率控制法

采用直接斜率控制法完整地实现了对自适应光学（ＡＯ）系统的数值模拟，系统研究了带自适应光学校正的激光大气传输规律。提出了对计算出的位相进行了“剪接”的办法，解决了残余位相方差与自适应光学的校正效果没有对应关系的问题。证明可以把快速傅里叶变换法（ＦＦＴ）用于透镜成像的聚焦计算，与积分法得到相同的结果，报道了对于一定的延迟时间，当大气横向风速大于一个阈值时，自适应光学补偿比安全相位补偿的效果还要好，表明     

自适应光学对大气扰动波前的补偿效果研究：I.理论推导

在采用冻结湍流假设和几何光学近似的条件下，得到了经自适应光学系统校正后的剩余波前相位扰动的结构函数，进而根据剩余相位结构函数与系统Ｓｔｒｅｈｌ比的关系，求出自适应光学系统的补偿效果受系统的时空传递函数，大气湍流，光波传播路径上的横向风，观察目标的旋转角速度以及系统时间延迟影响情况的解析表达式。     

强湍流区的光束漂移

 基于修正Rytov理论，导出了适应于强湍流起伏区的光束漂移方差表达式，分析了湍流外尺度、有效散射区域尺度和光束束腰对光束漂移的影响，并与实验结果进行了比较。结果表明，相对于基于指数模型的光束漂移方差表达式，基于修正Rytov理论给出的表达式的计算结果能更好地与实验结果吻合。当光束束腰大于有效散射区域尺度时，不发生饱和效应，导出的表达式与传统理论给出的表达式一致；当光束束腰小于有效散射区域尺度时，光束漂移的幅度不随Rytov方差的增大而明显变化。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。     

非均匀湍流路径上光传播数值模拟的相位屏分布

针对非均匀湍流路径上光传播的数值模拟,研究了相位屏分布的三种不同设置方案,即均匀分布相位屏（UDPS）、等Rytov指数间隔的相位屏（ERPS）和等Fried参数间隔的相位屏（EFPS）.结果表明,ERPS方案根据折射率起伏的强弱设置密疏相间的相位屏,实现了对不同折射率起伏区的充分采样,是非均匀路径上相位屏分布的首选方案.在满足相位屏间距基本要求的前提下,决定相位屏间隔的Rytov指数间隔的选取具有较大的任意性,统计结果显示,尽管相位屏间Rytov指数变化超过一个数量级,但光束有效半径、能量Strehl比的变化均小于2.1%,模拟结果与理论结果符合很好,表明了ERPS方案的可靠性和稳定性. 关键词： 光传播 非均匀湍流路径 数值模拟 相位屏分布     

Scintillation index of optical wave propagating in turbulent atmosphere

A concise expression of the scintillation index is proposed for a plane optical wave and a spherical optical wave both propagating in a turbulent atmosphere with a zero inner scale and a finite inner scale under an arbitrary fluctuation condition. The expression is based on both the results in the Rytov approximation under a weak fluctuation condition and the numerical results in a strong fluctuation regime. The maximum value of the scintillation index and its corresponding Rytov index are evaluated. These quantities are affected by the ratio of the turbulence inner scale to the Fresnel size.     

基于GCV-FFT方法的超声速压缩拐角流场气动光学效应计算

研究超声速压缩拐角流动，基于Rytov近似，采用广义卷积-快速Fourier变换（GCV-FFT），直接求解非均匀介质中的Helmholtz方程，获得激光光束的散射场和衍射场的复振幅分布.给出包括光强、光程差、斯特列尔比、相对光强、光束质心位置和有效光束宽度等气动光学参量.可以看出，激光光束在湍流场区域内传输，光强度分布逐渐出现起伏和偏离.穿过流场区域后，由于衍射作用，光束产生较大幅度的扭曲、偏离和破碎.压缩拐角区的流场对光束质量的影响明显大于充分发展湍流区.从相对光强的分布形态来看，光束的破碎似乎与流场的小尺度相干结构相关.采用传统的OPD均方差或加权均方差值估算获得的斯特列尔比的误差较大，更为准确的方法应该通过计算PSF来进行评估.     

双变形镜自适应光学全场补偿模拟

在双变形镜自适应光学系统中 ,实现全场补偿的关键步骤之一是使得变形镜 2上主激光的振幅分布具有信标光振幅分布。根据 Y-G波场恢复理论 ,编制了波前恢复程序 ,研究了实现振幅和相位校正湍流问题。研究表明 ,相对于纯相位补偿 ,全场补偿使得 Strehl比提高了 1 .2 7～ 2 .50倍。在变形镜 1和变形镜 2之间的距离为 1 0 m时 ,也使得 Strehl比提高 1 .1 3～ 1 .50倍。     

Performance of a phase-conjugate engine implementing a finite-bit phase correction

The achievable Strehl ratio when a finite-bit correction to an aberrated wave front is implemented is examined. The phase-conjugate engine used to measure the aberrated wave front consists of a quadrature interferometric wave-front sensor, a liquid-crystal spatial light modulator, and computer hardware-software to calculate and apply the correction. A finite-bit approximation to the conjugate phase is calculated and applied to the spatial light modulator to remove the aberrations from the optical beam. The experimentally determined Strehl ratio of the corrected beam is compared with analytical expressions for the expected Strehl ratio and shown to be in good agreement with those predictions.     

热晕效应相位补偿定标参量的数值分析

利用数值模拟的方法，对三种不同发射口径情况下准直强激光水平传输稳态热晕效应的自适应光学相位补偿进行了计算。结果表明，定标参量ND／NFB可充分描述其相位补偿的效果，且对理想柔形镜及实际自适应光学系统相位补偿而言，其不稳定性定标参量的阈值分别为6.0、0.35。当ND／NFB于阈值时，相位补偿效果理想且随ND／NFB的改变Strehl比变化平缓；而当ND/NFB大于阈值时，由于相位补偿不稳定性的增强，补偿效果迅速变差。     

改进型分形波带片的焦深特性研究

提出了一种具有增大焦深特性的改进型分形波带片(FZP).分析并推导了改进型分形波带片基于优化参数w的周期公式;计算了改进型分形波带片在菲涅耳近似下的衍射光场分布以及对应的横向光场分布特性因子,包括分辨率因子(G),施特雷尔比(S)以及旁瓣强度因子(M);同时分析了在不同的径向坐标r和r2下的改进型分形波带片的焦深特性,...     

Rytov variance equivalence through extended atmospheric turbulence and an arbitrary thickness phase screen in non-Kolmogorov turbulence

An arbitrary thickness phase screen model can describe scintillation index for Gaussian beam propagating through a phase screen more accurate than thin phase screen model. To describing actual scintillation index for Gaussian beam propagating through an extended medium using a phase screen in weak non-Kolmogorov turbulence, the scintillation index and Rytov variance for arbitrary thickness phase screen model are derived. Specially, the ratio of the Rytov variances for a phase screen and extended random media is found under the assumption of equivalence in scintillation index of the two cases. The theoretical results show that the normalized Rytov variance varies with the power law of the turbulence spectrum, the relative thickness of the phase screen, the position of the phase screen, the transmitter beam parameters and the radial position at output plane. The influences of these variables are also simulated. These results will be applied to simulation of adaptive optics and laser communication.