光束波前畸变的本征模式法校正实验研究
发布时间：2021-10-16 21:23
在自由空间光通信（Free Space Optics Communication,FSOC）中,信号光在通信过程中不可避免会受到大气湍流的影响,使得信号光波前发生畸变。为了提高FSOC系统的通信质量,自适应光学技术得到了广泛研究,其中基于模式法的无波前传感器自适应光学（Wavefront Sensorless Adaptive Optics,WSAO）技术因其校正速度快而拥有巨大的应用潜力。本文主要研究基于变形镜本征模式法的WSAO技术对FSOC系统中畸变光斑的校正情况。本文主要工作如下:1、使用基于Hill谱的功率谱反演法模拟不同强度的大气湍流,并对不同强度大气湍流影响下的畸变光斑进行模拟分析;介绍了 WSAO系统的各个组成部分及工作原理,并对常见的光束质量评价指标表达式进行推导。2、根据69单元高速变形镜的促动器影响函数推导了其对应的69阶变形镜本征模式;结合菲涅尔衍射和多相位屏传输原理建立了系统仿真模型,分析了不同情况时模式系数偏置的最佳取值,以斯特列尔比为评价指标研究了该方法对畸变光斑的校正能力;以系统快速收敛比为指标对变形镜本征模式法的校正性能进行了分析;并对多种校正算法进行...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全文内容结构
前数值模拟的理论方法，对不同湍流强度下的畸变光斑进行了分析；接着阐述了WSAO系统的应用模型及无波前传感器自适应光学系统各组成部分的工作原理；最后对光束质量的几种常用评价指标表达式进行了推导。2.1畸变波前模拟2.1.1大气湍流相位屏在FSOC中激光束以大气作为传输通道来实现通信，在传输过程中不仅会因为大气分子与气溶胶的原因造成对信号光的吸收、散射，使得信号光能量在传输方向上发生瞬变，影响信号光通信链路的运行；并且由于大气层中各处的折射率呈不均匀分布，加上热力与风力的影响会形成大气湍流，其模型如图2-1所示[59]。大气湍流对FSOC系统的干扰是无法避免的，会导致信号光在传输过程中产生光强闪烁、到达角起伏、相位畸变、漂移等物理现象[2]。上述大气湍流效应的存在严重的影响着激光通信链路的性能，将导致通信质量大大降低。图2-1大气湍流示意图[59]Fig.2-1Theschematicdiagramofatmosphericturbulence[59]大气湍流的影响主要体现在引起信号光波前产生相位畸变，因而可以利用相位屏等效模拟光束传输过程中的随机大气湍流。目前湍流相位屏的模拟方法主要有三种：Zernike多项式法[60]、功率谱反演法[61]和分形法[62]。由Noll等人提出的Zernike多项式法也叫作协方差法，属于空间域直接模拟类，它是将在单位圆内拥有正交性的Zernike多项式进行线性组合，然后将其以幂级数的形式展开来描述光学系统中的波前像差，但由Zernike多项式法模拟生成的相位屏高频成分不足[60]。McGlamery提出的功率谱反演法则是在频率域生成相位屏，该方法计算速率快、简单方便且适合多种不同形式的湍流谱模型，且此方法使用离散傅里叶变换，使其更加有效[61]。虽然该方法产生的相位屏具有低频成份不足的缺点，但可以通过添加次谐波来进行低频补偿。分形?
畸变波前模拟及无波前传感器自适应光学系统原理11激光束波长=632.8nm，传输距离6000m，计算网格128128，相位屏宽度0.4m。对应结果如图2-2、图2-3及图2-4所示。图2-2r0=0.02m时的大气湍流模拟Fig.2-2Thesimulationofatmosphericturbulenceatr0=0.02图2-3r0=0.04m时的大气湍流模拟Fig.2-3Thesimulationofatmosphericturbulenceatr0=0.04图2-4r0=0.2m时的大气湍流模拟Fig.2-4Thesimulationofatmosphericturbulenceatr0=0.2图2-2、图2-3和图2-4分别为强湍流、中强湍流和弱湍流情况下的大气湍流相位屏三维图和二维图。从图2-2可以看出，强湍流情况下相位起伏在-10rad~10rad区间内；从图2-3
【参考文献】：
期刊论文
[1]模型式无波前探测自适应光学系统收敛速度优化[J]. 吴阳,杨慧珍,徐奇,杨海波. 激光杂志. 2020(03)
[2]空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 高铎瑞,李天伦,孙悦,汪伟,胡辉,孟佳成,郑运强,谢小平. 中国光学. 2018(06)
[3]相干光通信系统中光束的偏振控制及控制算法研究[J]. 马兵斌,柯熙政,张颖. 中国激光. 2019(01)
[4]自适应光学发展综述[J]. 姜文汉. 光电工程. 2018(03)
[5]相干光通信中载波频率稳定控制[J]. 杨尚君,柯熙政. 激光与光电子学进展. 2018(04)
[6]模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析[J]. 杨慧珍,王斌,刘瑞明,马良. 红外与激光工程. 2017(08)
[7]光束腰半径对空间相干光通信外差效率的影响[J]. 韩冬,刘云清,赵馨,初伟. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(03)
[8]从EDRS看国外空间激光通信发展[J]. 贾平,李辉. 中国航天. 2016(03)
[9]点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统[J]. 王瑞,董冰. 中国激光. 2016(02)
[10]Hybrid approach used for extended image-based wavefront sensor-less adaptive optics[J]. 董冰,喻际. Chinese Optics Letters. 2015(04)
博士论文
[1]水平激光通信自适应校正性能分析及波前探测方法研究[D]. 王蕊.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]空间激光通信自适应光学系统的控制研究[D]. 王玉坤.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]大气激光通信数字相干探测关键技术研究[D]. 李学良.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D]. 武云云.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]基于模型的无波前探测自适应光学系统波前校正[D]. 马良.中国矿业大学 2019
[2]无波前探测的相干光通信系统实验研究[D]. 吴加丽.西安理工大学 2018
[3]群智能优化算法在基于自适应光学的FSO系统中的应用研究[D]. 刘浩.吉林大学 2017
[4]机载激光通信终端的多模型跟踪算法研究[D]. 郭靖.重庆理工大学 2015
[5]大气湍流中的激光传输数值模拟及其影响分析[D]. 徐光勇.电子科技大学 2008
本文编号：3440516
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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前数值模拟的理论方法，对不同湍流强度下的畸变光斑进行了分析；接着阐述了WSAO系统的应用模型及无波前传感器自适应光学系统各组成部分的工作原理；最后对光束质量的几种常用评价指标表达式进行了推导。2.1畸变波前模拟2.1.1大气湍流相位屏在FSOC中激光束以大气作为传输通道来实现通信，在传输过程中不仅会因为大气分子与气溶胶的原因造成对信号光的吸收、散射，使得信号光能量在传输方向上发生瞬变，影响信号光通信链路的运行；并且由于大气层中各处的折射率呈不均匀分布，加上热力与风力的影响会形成大气湍流，其模型如图2-1所示[59]。大气湍流对FSOC系统的干扰是无法避免的，会导致信号光在传输过程中产生光强闪烁、到达角起伏、相位畸变、漂移等物理现象[2]。上述大气湍流效应的存在严重的影响着激光通信链路的性能，将导致通信质量大大降低。图2-1大气湍流示意图[59]Fig.2-1Theschematicdiagramofatmosphericturbulence[59]大气湍流的影响主要体现在引起信号光波前产生相位畸变，因而可以利用相位屏等效模拟光束传输过程中的随机大气湍流。目前湍流相位屏的模拟方法主要有三种：Zernike多项式法[60]、功率谱反演法[61]和分形法[62]。由Noll等人提出的Zernike多项式法也叫作协方差法，属于空间域直接模拟类，它是将在单位圆内拥有正交性的Zernike多项式进行线性组合，然后将其以幂级数的形式展开来描述光学系统中的波前像差，但由Zernike多项式法模拟生成的相位屏高频成分不足[60]。McGlamery提出的功率谱反演法则是在频率域生成相位屏，该方法计算速率快、简单方便且适合多种不同形式的湍流谱模型，且此方法使用离散傅里叶变换，使其更加有效[61]。虽然该方法产生的相位屏具有低频成份不足的缺点，但可以通过添加次谐波来进行低频补偿。分形?
畸变波前模拟及无波前传感器自适应光学系统原理11激光束波长=632.8nm，传输距离6000m，计算网格128128，相位屏宽度0.4m。对应结果如图2-2、图2-3及图2-4所示。图2-2r0=0.02m时的大气湍流模拟Fig.2-2Thesimulationofatmosphericturbulenceatr0=0.02图2-3r0=0.04m时的大气湍流模拟Fig.2-3Thesimulationofatmosphericturbulenceatr0=0.04图2-4r0=0.2m时的大气湍流模拟Fig.2-4Thesimulationofatmosphericturbulenceatr0=0.2图2-2、图2-3和图2-4分别为强湍流、中强湍流和弱湍流情况下的大气湍流相位屏三维图和二维图。从图2-2可以看出，强湍流情况下相位起伏在-10rad~10rad区间内；从图2-3
【参考文献】：
期刊论文
[1]模型式无波前探测自适应光学系统收敛速度优化[J]. 吴阳,杨慧珍,徐奇,杨海波. 激光杂志. 2020(03)
[2]空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 高铎瑞,李天伦,孙悦,汪伟,胡辉,孟佳成,郑运强,谢小平. 中国光学. 2018(06)
[3]相干光通信系统中光束的偏振控制及控制算法研究[J]. 马兵斌,柯熙政,张颖. 中国激光. 2019(01)
[4]自适应光学发展综述[J]. 姜文汉. 光电工程. 2018(03)
[5]相干光通信中载波频率稳定控制[J]. 杨尚君,柯熙政. 激光与光电子学进展. 2018(04)
[6]模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析[J]. 杨慧珍,王斌,刘瑞明,马良. 红外与激光工程. 2017(08)
[7]光束腰半径对空间相干光通信外差效率的影响[J]. 韩冬,刘云清,赵馨,初伟. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(03)
[8]从EDRS看国外空间激光通信发展[J]. 贾平,李辉. 中国航天. 2016(03)
[9]点目标下基于变形镜本征模式的无波前传感器自适应光学系统[J]. 王瑞,董冰. 中国激光. 2016(02)
[10]Hybrid approach used for extended image-based wavefront sensor-less adaptive optics[J]. 董冰,喻际. Chinese Optics Letters. 2015(04)
博士论文
[1]水平激光通信自适应校正性能分析及波前探测方法研究[D]. 王蕊.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]空间激光通信自适应光学系统的控制研究[D]. 王玉坤.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]大气激光通信数字相干探测关键技术研究[D]. 李学良.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]自适应光学技术在大气光通信中的应用研究[D]. 武云云.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
硕士论文
[1]基于模型的无波前探测自适应光学系统波前校正[D]. 马良.中国矿业大学 2019
[2]无波前探测的相干光通信系统实验研究[D]. 吴加丽.西安理工大学 2018
[3]群智能优化算法在基于自适应光学的FSO系统中的应用研究[D]. 刘浩.吉林大学 2017
[4]机载激光通信终端的多模型跟踪算法研究[D]. 郭靖.重庆理工大学 2015
[5]大气湍流中的激光传输数值模拟及其影响分析[D]. 徐光勇.电子科技大学 2008
本文编号：3440516
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