多束涡旋光波串扰分布失真的相位补偿研究

使用空间分集技术可以提高自由空间光通信的抗大气湍流能力,研究通过空间分集来提高探测涡旋光束拓扑荷数的可行性.涡旋光波穿过大气湍流会形成轨道角动量模式间的串扰,空间分集配置的多束涡旋光波也会引入倾斜相位而引起串扰分布的失真.为了去除因光束倾斜导致的串扰分布失真,对接收光波进行相位补偿,以此来重建涡旋光束的涡旋相位.采用光波传输计算机仿真,模拟了大气湍流对串扰分布的影响和倾斜相位导致的串扰失真.通过相位补偿去除倾斜相位影响,发现多光束配置可以明显改善串扰分布失真,提高检测涡旋光束拓扑荷数的准确性.     

自适应光学技术在天文观测中的研究进展

自适应光学技术克服大气湍流的干扰,使大口径光学望远镜的角分辨率不再受限于大气相干长度,成像接近光学系统的衍射极限.自适应光学技术在波前探测、校正和提高成像视场等方面的不断进步,极大地促进了天文学的发展.目前,天文观测中的自适应光学技术按应用主要分为三类:传统的大视场高分辨率天文观测、系外行星观测和太阳观测等.它们对自适应光学技术的要求各不相同,本文分别对自适应光学技术在这三方面的应用和其他关键单元技术的进展,进行了详细的总结与展望,这些对未来我国发展大口径自适应光学望远镜有参考价值.     

自适应光学方法及多光束发射对改善激光大气传输的比较

自适应光学方法和多光束发射都是激光大气传输中克服湍流效应的有效方法。首先介绍了校正式相位共轭自适应光学系统的工作原理,从光学原理的角度说明了该方法的局限性;接着进一步阐述了多光束发射技术,引入光强概率密度函数,推导出多光束发射下的激光大气传输特性,验证了其对湍流效应的抑制作用。     

为什么有的望远镜会向天空发射激光?

<正>A:我们使用的光学望远镜绝大多数建设在地面,因此在观测来自太空的星光时,会受到大气的干扰。大气的流动与密度的不均匀分布都会使望远镜观测到的图像发生扭曲。以前天文学家只能选择将天文台建设在寒冷的高山上或是发射到太空(如哈勃空间望远镜)来减弱这个影响。但即使在高山,大气的影响依然是很难完全消除的;而发射到太空的大型望远镜造价极其高昂,维修非常麻烦。因此,最近十几年来,天文学家采用了"自适应光学"技术,来解决这个问题。     

大气光学湍流、模式与测量技术

折射率结构常数是研究光波在大气中传播的一个重要物理量.本文介绍了大气光学湍流的描述方法,近地面层、边界层和自由大气层光学湍流模式,大气光学湍流廓线的测量方法,以及国内外在该领域研究的重要成果.     

大气光通信光纤型自适应光学子系统的设计

ATP(the acquisition,tracking and pointing;自动捕获,跟踪和瞄准)技术是无线光通信、光学雷达探测等领域中的关键技术.进一步的提高其精度已十分困难,而且会造成设备的重量和成本的大幅提高.利用传播方向相反的相位共轭波具有自追迹的特性,可以克服大气信道对光波的随机扰动.利用光纤制作的器件具有小体积、小重量而且三阶非线性效应强的优点,可以制作空间光通信系统中的光学器件.本文采用共轭波的自追迹现象设计了一种可以进行高精度实时跟踪的光纤器件APT子系统,并测试了该系统的通信性能.     

兴隆2.16m望远镜自适应光学系统

自适应光学系统是大口径天文望远镜克服大气湍流,提高望远镜成像质量的必备手段之一.本文针对兴隆2.16 m望远镜及其所在台址的大气视宁度,研制了一套自适应光学系统.系统的主要部件包括具有109个压电陶瓷驱动器的变形镜,具有100个子孔径的Shack-Hartmann波前传感器,以及基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的高速波前控制平台等.实验结果表明,该系统可以把大气扰动引起的波前像差的均方根值校正到0.1λ以下,获得接近衍射极限的成像质量.     

一种新型大气光通信自适应部件的设计

ATP（Acquisition,Tracking and Pointing 自动捕获,跟踪和瞄准）技术是无线光通信、光学雷达探测等领域中的关键技术。进一步提高基于微机电技术的ATP系统精度已十分困难,而且会造成设备的重量的增加和成本的大幅提高。利用传播方向相反的相位共轭波具有自追迹的特性,可以克服大气信道对光波相位的随机扰动,这是一种有很大潜力的新型ATP技术。利用光纤制作的器件具有体积小、重量轻且三阶非线性效应强的优点。可以制作空间光通信系统中的光学器件。本文采用共轭波的自追迹现象设计了一种基于光纤器件、可以进行高精度实时跟踪的APT光学子系统,并测试了该系统的通信性能。     

大气湍流退化图像的复原研究

大气湍流退化图像的复原在航天成像、天文观测等领域具有重要的地位,也是目前急需解决的问题.该问题的解决能够克服大气湍流扰动带来的图像降晰和提高目标图像的分辨能力,以便后续的目标特征提取和识别等处理.文章提出将大气湍流的光学传递函数应用在迭代盲目反卷积图像复原算法上,使图像达到更好的复原效果.研究表明,此复原方法可以更有效...     

用于南极天文选址的移动式大气参数测量系统

选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.我国在南极的天文项目近几年得到了快速发展,对南极区域的光学湍流时空分布进行测量和分析,是一项亟待开展的基础性天文工作.本文主要介绍研制的移动式大气参数测量系统,用于南极天文选址,得到了在泰山站近地面常规气象参数和大气湍流的初步测量结果.     

界面反射偏振像差分析

迄今为止的光学设计中,一般认为在同一光波面上,光束具有相同的振幅和偏振状志.事实上,光束经过许多光学元件后,偏振状态会发生变化,特别是由于入射角和光程不同,导致出射光波面上偏振分布不再均匀,形成偏振像差.本文主要就轴上物点发出的光束经过界面反射后的偏振像差进行了分析.     

大气湍流下自由光通信信道模型的数值仿真

由于大气湍流作用,使得自由空间光通信(free-space optical communication,FSO)系统同时受到平均光信号功率损失和随机功率衰落的影响,极大地影响了系统的通信质量。文中基于随机相位屏模型,数值仿真了光束在大气湍流中传输,分析和比较不同条件下大气湍流效应对激光传输质量的影响。在此基础上,给出了一种基于大气湍流效应的自由空间光通信信道模型,通过大量数值计算方法,得到FSO湍流信道传输函数的概率密度函数曲线,计算出在大气湍流影响下系统的误码率性能。     

自基准斑纹全息术图像重构技术的性能分析

自基准斑纹全息术图像重构技术的性能分析邓罗根鲍重光（北京理工大学应用物理系１０００８１）曹根瑞（北京理工大学光电工程系１０００８１）由湍流运动引起的大气折射率小尺度结构的随机涨落使工作在可见光波段的大型地基望远镜出现了严重的随机象差。这些象差限制了大...     

强激光大气传输时的湍流效应

强激光通过大气环境后，在目标处希望得到振幅与相位来畸变的激光束．大气环境，尤其是大气湍流状态是对其有根本性影响的历史性难题．激光系统的设计和使用中必须要考虑这些问题，本文对湍流中标量场的标度指数、统计分布及激光在大气中传播等问题中提出几个值得研究的问题．     

对流湍流发生池的设计与性能

本文介绍了用于模拟大气湍流的对流湍流发生池的结构设计与主要技术参数。通过不断的测试与改造,使湍流池的温度起伏谱与大气湍流相似,而且可方便地对湍流强度进行控制,具有较好的重复性、平稳性,可用于自适应光学的补偿实验,是激光传输和光学工程实验的理想装置。     

高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导高斯-贝塞耳光束在湍流大气中传输时光强分布变化规律的理论公式.研究高斯-贝塞耳光束在湍流大气中的传输特性,讨论湍流扰动强弱及拓扑荷数大小对其传输特性的影响.研究结果表明,湍流扰动强弱及拓扑荷数的大小都会影响光束的传输特性.当拓扑荷数相同时,湍流扰动越强,则光强分布变化越快;当湍流扰动相同时,光强分布变化速度随拓扑荷数的增大而减小.     

单层共轭校正宽视场自适应光学

目的 将多层湍流用单层等效,为单层共轭校正宽视场自适应光学系统提供理论依据。方法 设第ｍ层湍流距地面的高度为ｈｍ,对光波的扰动函数为ψｍ,将多层等效为１层,令等效层的高度为ｈ,对光波的扰动为ψ,导出联系ｈ,ψ与ｈｍ,ψｍ的方程组,并对其求解。结果与结论 在已知ｈｍ和ψｍ的条件下得到了ｈ和ψ有意义的解。多层湍流对光波的影响能用单层湍流近似等效,因而可望通过单层共轭校正得到宽视场自适应光学系统。     

部分相干涡旋光束在揣流大气中的相干性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理,得到了部分相干涡旋光束在湍流大气中传输时光谱相干性的理论表达式,然后详细研究了光束在湍流介质中传输时相干性的变化规律.研究表明,部分相干涡旋光束通过湍流介质后,光束的相干性主要受到湍流扰动强弱和光束所带的拓扑电荷数多少的影响,而与光源本身的相干性无关.光源所带的拓扑电荷数越多,光束的相干性越差;湍流扰动越强,光束的相干性越好.     

自适应光学随机并行梯度下降控制算法的研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种比较有潜力的自适应光学的系统的控制算法,它具有速度快、无需信标光且不需要依赖波前传感器就可以对畸变波前进行校正的优点,近年来受到人们的广泛关注。本文应用zernike多项式模拟大气湍流畸变波前,以32单元变形镜为校正器,利用SPGD算法对畸变波前进行了初步校正研究。结果表明,SPGD算法可以用于校正波前畸变,且不同的参数如扰动幅值、增益系数的选取都会影响校正的效果,此外本文提出的分段增益方法可以在一定程度上优化该算法。     

空间目标光子数密度对斑点成像的影响

空间扩展目标斑点成像的质量受到短曝光像中光子密度的限制.通过有限光子数短曝光像的模拟,对短曝光像频谱信噪比进行了计算,研究了有限光子数下大气光学系统传递函数的估计方法,光子数有限时目标振幅谱和相位谱中的有偏项影响,点源目标恢复图像的信噪比和动态范围.实验结果表明,根据斑点成像系统的参数,可以定量地确定光子密度、短曝光像数目和恢复图像的质量(分辨率)之间的关系.