激光大气传输理论及其在傅里叶望远镜中的应用研究

发布时间：2017-08-21 19:29

  本文关键词：激光大气传输理论及其在傅里叶望远镜中的应用研究

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【摘要】：傅里叶望远技术是一种新型主动相干成像技术,它利用大面积接收器接收从目标返回的能量信息,并通过相位闭合技术消除大气湍流引起的相位起伏,能对远距离暗弱目标高分辨率成像。激光大气传输理论是傅里叶望远镜的重要基础理论之一,尤其大气湍流效应严重影响傅里叶望远镜成像性能。激光的各种光束形态中,平顶高斯光具有应用于傅里叶望远镜的潜在优势。它在大气传播中不仅展现近场能量均匀、远场能量集中等优点,其受大气湍流的影响较高斯光束小,且平顶阶次越高,受湍流影响越小。针对目前平顶高斯光湍流理论还未完善的情形,本文对平顶高斯光湍流理论进行深入研究。同时,研究大气湍流效应对傅里叶望远镜影响与抑制算法,并基于对平顶高斯光的理论及仿真研究,提出将平顶高斯光应用于傅里叶望远镜系统中的设想。具体工作如下:1.研究激光大气湍流传输理论。推导出高斯光束通过任意厚度和位置的non-Kolmogorov湍流相位屏的闪烁公式,并与扩展大气湍流下的闪烁进行等价,得到无量纲比值。利用该比值,提出了一种精确模拟真实大气湍流闪烁的相位屏方法。2.简化平顶高斯光大气传输理论模型。借鉴激光大气传输理论分析方法,通过合适的变量变换,建立了简化的平顶高斯光湍流二阶统计矩模型,揭示了平顶高斯光湍流理论与高斯光湍流理论的加权平均关系,为平顶高斯光湍流理论的深入研究奠定了基础。3.完善平顶高斯光在non-Kolmogorov湍流下的闪烁理论。推导出广义von Kármán功率谱下的轴上闪烁公式,分析了其随湍流内尺度的变化趋势;建立了平顶高斯光长距离传输产生的离轴闪烁模型,研究了其随离轴距离、功率谱指数、平顶阶次以及入射传播参数的变化趋势,得出平顶高斯光在大的入射参数0?下存在较小闪烁的结论。4.分析大气湍流效应对傅里叶望远镜成像的影响。从理论、仿真和实验三个层面研究了不同光强和相位变化下的傅里叶望远镜成像,得出时域的光强和相位变化对傅里叶望远镜影响较大的结论。同时,在实验室内使用数值模拟方法成功模拟了大气闪烁与相位抖动效应,验证了其对傅里叶望远镜的影响;分析了不同光束光强不等对成像的影响,并提出了一种抑制其影响的方法。5.分析平顶高斯光在傅里叶望远镜的应用可行性。对平顶高斯光在真实大气传输中的能量衰减效应进行了仿真,并与高斯光束能量衰减进行了对比,得出平顶高斯光具有较大能量集中优势;分析了平顶高斯光在傅里叶望远镜中应用前景。本文系统研究了激光大气传输理论、激光大气传输效应对傅里叶望远镜的影响和相应的抑制方法。所建立的平顶高斯光传输模型,极大地降低了平顶高斯光的理论研究难度,丰富和发展了平顶高斯光传输理论。同时,文中对傅里叶望远镜大气湍流影响效应的分析与抑制方法研究,为傅里叶望远镜系统的发展提供理论依据,并有助于进一步提高傅里叶望远镜成像质量。
【关键词】：激光大气传输 傅里叶望远镜 平顶高斯光 大气湍流 闪烁
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH743
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 激光大气传输理论发展简介13-14
• 1.2 平顶光大气传输理论发展概述14-16
• 1.3 傅里叶望远镜系统研究概况16-21
• 1.4 论文研究的意义与内容21-23
• 第2章 激光大气传输理论分析23-49
• 2.1 引言23
• 2.2 大气湍流理论简介23-30
• 2.2.1 Kolmogorov湍流理论25-27
• 2.2.2 湍流功率谱模型27-30
• 2.3 高斯光波自由空间传输理论30-32
• 2.4 高斯光波湍流传输经典理论32-41
• 2.4.1 Born近似方法33-34
• 2.4.2 Rytov近似方法34-39
• 2.4.3 Rytov方差39-41
• 2.5 相位屏精确模拟方法的提出41-47
• 2.5.1 大气湍流相位屏仿真41-43
• 2.5.2 任意厚度相位屏的Rytov方差模型建立43-44
• 2.5.3 任意厚度相位屏的闪烁模型建立44-45
• 2.5.4 Rytov方差修正与分析45-47
• 2.6 小结47-49
• 第3章 平顶高斯光大气湍流传输理论研究49-79
• 3.1 引言49
• 3.2 平顶光的产生方法49-51
• 3.3 平顶光模型简介51-54
• 3.4 平顶光自由空间传播特性分析54-56
• 3.5 平顶光湍流传播理论模型简化与完善56-76
• 3.5.1 二阶统计矩模型简化56-61
• 3.5.2 平顶光闪烁模型完善61-72
• 3.5.3 平顶光光斑尺寸与漂移模型建立72-76
• 3.6 小结76-79
• 第4章 激光大气传输效应对傅里叶望远镜的影响研究79-121
• 4.1 引言79-80
• 4.2 傅里叶望远镜系统基本原理概述80-82
• 4.3 傅里叶望远镜系统湍流理论分析82-88
• 4.4 成像质量的评价88-89
• 4.5 三光束傅里叶望远镜系统简介89-90
• 4.6 大气湍流对傅里叶望远镜影响仿真分析90-102
• 4.6.1 光束光强变化影响分析与抑制方法的提出90-98
• 4.6.2 光束相位变化影响研究98-102
• 4.7 傅里叶望远镜大气湍流模拟实验研究102-110
• 4.7.1 闪烁模拟实验设计与结果分析103-107
• 4.7.2 相位抖动模拟实验与结果分析107-110
• 4.8 傅里叶望远镜外场实验与湍流抑制算法验证110-115
• 4.8.1 外场大气湍流测量实验111-113
• 4.8.2 外场湍流影响分析与校正113-115
• 4.9 平顶光应用于傅里叶望远镜系统的可行性分析115-120
• 4.9.1 平顶光在真实大气传播的能量仿真分析115-119
• 4.9.2 平顶光在傅里叶望远镜中应用前景119-120
• 4.10 小结120-121
• 第5章 总结与展望121-125
• 5.1 研究工作总结121-122
• 5.2 工作展望122-125
• 参考文献125-135
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果135

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