哈特曼装置上均方根湍流速度的测量及研究

对哈特曼装置上的粉尘粒子速度及均方根（ｒｏｏｔ－ｍｅａｎ－ｓｑｕａｒｅ,ＲＭＳ）湍流速度进行了测量及研究,获得了哈特曼装置上不同位置粉尘粒子速度、ＲＭＳ湍流速度随时间的变化曲线。粉尘粒子速度采用激光多谱勒测速仪进行测量。文中还对激光测速法及数据处理中ＲＭＳ计算窗口的选取进行了讨论。     

受大气湍流影响的光学波前模拟

大气湍流对光学波前的影响可以用Ｚｅｒｎｉｋｅ模式分析，由于Ｚｅｒｎｉｋｅ模式并非统计独立，需要转而寻找一种称为Ｋａｒｈｕｎｅｎ－Ｌｏｅｖｅ（简称Ｋ－Ｌ）函数的系数，它们统计独立，而且可以展开为Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的形式。本文介绍的就是用Ｋ－Ｌ函数构造随机波前的原理和仿真构造尝试。     

用Hartmann－Shack波前传感器测量大气湍流特征

建立了一个小型Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前传感器来测量大气扰动特征。通过单子孔径的象移和许多间距不同的子孔径之间的象移差测得的到达角起伏的统计值来计算出Ｆｒｉｅｄ参数ｒ０。本文推导了采用不同孔径参数的实验结果，以及波前斜率的功率谱密度。     

用Hartmann—Shack波前传感器测量大气湍流特征

建立了一个小型Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前传感器来测量大气扰动特征。通过单子孔径的象移和许多间距不同的子孔径之间的象移差测得的到达角起伏的统计值来计算出Ｆｒｉｅｄ参数ｒ０。本文推导了采用不同孔径参数的实验结果，以及波前斜率的功率谱密度。     

哈特曼传感器测量人眼波像差的特性研究

准确测量人眼波像差,对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床 价值。对哈特曼传感器测量人眼波像差的精确性和重复性进行了研究,测量人眼离焦的精度为0.2D,波像差的平均偏差为0.065mm。     

两种正交多项式模拟湍流波前的比较

针对Zemike多项式仅在连续单位圆上正交,用于在离散点上构造光学波前必然会引起误差的问题,本文提出用能够在离散点上正交的多项式来模拟经过大气湍流的光学波前.该方法根据湍流的统计理论,采用Gram-Schmidt正交化方法,构造了Malacara多项式表示的湍流波前,并进行了数值模拟.将模拟结果与直接用Zemike多项式模拟的结果进行了比较分析,结果表明:在相同的条件下,该方法的模拟结果更接近统计理论值.     

大气湍流畸变波前斜率的稀疏分解

利用压缩感知技术对大气湍流波前探测数据进行压缩,可使测量数据量大幅度减少,能有效降低数据的传输与存储压力,有利于湍流波前的实时测量;但压缩条件要求波前信号是稀疏的或在某个变换域内能够稀疏表示。本文对大气湍流波前斜率信号的稀疏性进行了初步研究,基于大气湍流的统计特性,在频域内对湍流功率谱作黄金分割采样(GS),建立符合大气湍流斜率物理特征的稀疏基,明确了湍流波前斜率的稀疏性。利用该GS稀疏基对波前斜率进行稀疏分解,并通过仿真实验对比了不同稀疏基对波前斜率的稀疏分解效果。在此基础上,以GS基作为训练基的初始化字典,进行K奇异值分解字典训练(KSVD),得到训练基(KSVD-GS),分析了该训练基对波前斜率信号的稀疏表示性能。本文验证了波前斜率能够稀疏分解,建立了一个较好的稀疏基,为压缩感知的应用提供了前提基础。

     

基于哈特曼传感器的激光波前分布测量技术

激光波前分布作为ISO新列入的衡量激光光束质量的重要参数,对其有效、准确地测量显得十分重要.根据哈特曼波前测量原理,详细介绍了基于哈特曼传感器的激光波前分布测量装置、哈特曼传感器波前斜率测量方法和常用波前重构算法,引入一种定标哈特曼传感器针孔阵列与CCD间距的方法,分析定标实验数据及使用已定标的哈特曼波前分析仪测量波前的实验结果.实验证明定标方法可靠有效.     

大气湍流畸变相位屏的数值模拟方法研究

利用功率谱反演法和Zernike多项式展开法对符合Kolmogonov统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究。通过对比模拟相位屏的相位结构函数与理论结果的差异分析模拟相位屏的准确性。结果表明,功率谱反演法产生的相位屏在高空间频率部分与理论相符,在低空间频率部分明显偏离理论值,通过次谐波补偿有效改善低频不足,次谐波级数达到4级足够;Zernike多项式展开法产生的相位屏的低空间频率成分与理论相符,而高空间频率成分不足随着所用Zernike阶数的增加而有所改善,但同时也带来计算量增大的问题。     

M-ary pulse position modulation performance with adaptive optics corrections in atmospheric turbulence

ABSTRACT

The performance of M-ary pulse position modulated (PPM) optical wireless communication (OWC) systems in atmospheric weak turbulence medium is evaluated by using adaptive optics corrections. Piston, tilt, defocus and coma components of adaptive optics corrections are applied to the avalanche photodetector (APD) type of receiver and the results are obtained depending on various turbulence and receiver parameters. The lognormal channel distribution is used to model the weak atmospheric turbulence conditions. Adaptive optics correction increases the bit-error-rate (BER) performance of an OWC system operating in atmospheric turbulence conditions. Piston component yields the highest BER performance, followed by the tilt, defocus and coma adaptive optics correction components respectively.     

大气湍流随机相位屏的数值模拟和验证

本文使用傅立叶变换法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟,采用三层随机相位屏叠加模拟大气湍流.通过比较模拟相位屏的相位结构函数和理论值的符合度对相位屏的统计特性进行了验证,利用长曝光传递函数和相位结构函数计算大气相干长度r0.结果表明,用傅立叶变换法模拟的随机相位屏是正确的,但相位结构函数存在明显的低频空间频率成分不足,采用三层随机相位屏叠加对相位结构函数和理论值的符合度有所改善,实际r0值比设计值偏大.     

大气湍流随机相位屏的数值模拟和验证大气湍流随机相位屏的数值模拟和验证

本文使用傅立叶变换法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟，采用三层随机相位屏叠加模拟大气湍流。通过比较模拟相位屏的相位结构函数和理论值的符合度对相位屏的统计特性进行了验证，利用长曝光传递函数和相位结构函数计算大气相干长度r0。结果表明，用傅立叶变换法模拟的随机相位屏是正确的，但相位结构函数存在明显的低频空间频率成分不足，采用三层随机相位屏叠加对相位结构函数和理论值的符合度有所改善，实际r0值比设计值偏大。     

Measurements of the statistical characteristics of the turbulence of an optical system with hybrid fiber-optic sensor

An optical system for diagnostics of turbulence with hybrid fiber-optic sensor is considered. The system functions in a digital mode of photographic recording of a two-dimensional accumulated optical signal directly associated with the two-dimensional probability density of turbulent fluctuations of the flow in the measurement region. From the values of the probability density, estimators of the statistical characteristics of turbulence are given in the form of digital matrices. __________ Translated from Izmeritel’naya Tekhnika, No. 9, pp. 25–29, September, 2006.     

大气湍流对厄米-高斯光束光束质量的影响

采用二阶矩束宽、桶中功率和光束质量参数作为特征参数,研究了大气湍流对厄米-高斯(H-G)光束远场光束质量造成的影响,并对其作了详细的数值计算和分析。研究结果表明,在大气湍流中,TEM10模光束的相对展宽小于TEM00模光束的相对展宽。在湍流不太强的情况下,例如Rytov变量小于9时,TEM10模的PIB小于TEM00模光束的桶中功率,TEM10模的光束质量参数大于TEM00模光束的光束质量参数。但是,随着湍流的进一步增强,TEM10模的PIB和光束质量参数值逐渐趋近于TEM00模的PIB和光束质量参数值。     

用Hartmann－Shack传感器测量激光束的波前相位

Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ传感器已经用于自适应光学系统。它可以同时探测出一束光的振幅和相位信息。通过一个位置传感器，比如ＣＣＤ，它就可以成为一种对光学系统和光束的静态和动态质量诊断的有力工具。从Ｈ－Ｓ波前传感器的输出（波前斜率和近场强度分布），就可以推算出远场特点，如ＰＳＦ和ＯＴＦ。本文将介绍波前重构的理论分析和远场特征评估。同时也给出了光束质量的静态和动态的测量结果。     

Propagation properties of a partially coherent radially polarized beam in atmospheric turbulence

Based on the extended Huygens–Fresnel integral, second-order moments of the Wigner distribution function of a partially coherent radially polarized beam propagating through atmospheric turbulence are derived. Besides, propagation properties such as the mean-squared beam width, angular width, effective radius of curvature, beam propagation factor and Rayleigh range can also be obtained and calculated numerically. It is shown that the propagation properties are dependent on the spatial correlation length, refraction index structure constant and propagation distance.     

Channel correlation of free space optical communication systems with receiver diversity in non-Kolmogorov atmospheric turbulence

Spatial diversity as an effective technique to mitigate the turbulence fading has been widely utilized in free space optical (FSO) communication systems. The received signals, however, will suffer from channel correlation due to insufficient spacing between component antennas. In this paper, the new expressions of the channel correlation coefficient and specifically its components (the large- and small-scale channel correlation coefficients) for a plane wave with aperture effects are derived for horizontal link in moderate-to-strong turbulence, using a non-Kolmogorov spectrum that has a generalized power law in the range of 3–4 instead of the fixed classical Kolmogorov power law of 11/3. And then the influence of power law variations on the channel correlation coefficient and its components are analysed. The numerical results indicated that various value of the power law lead to varying effects on the channel correlation coefficient and its components. This work will help with the further investigation on the fading correlation in spatial diversity systems.