基于SLM的大氣湍流模擬系統(tǒng)

概述

大氣湍流是大氣的一種重要運(yùn)動(dòng)形式，是影響空間光通信，天文望遠(yuǎn)鏡成像的重要因素。大氣湍流在時(shí)間和空間上產(chǎn)生隨機(jī)起伏變化，進(jìn)而使得光學(xué)波面的相位發(fā)生變化，引起光束發(fā)生漂移，閃爍，擴(kuò)展等現(xiàn)象，嚴(yán)重了降低了成像質(zhì)量和通信傳輸質(zhì)量。

光斑漂移 光斑擴(kuò)展 光強(qiáng)閃爍

大氣湍流的成因極其復(fù)雜，目前仍未有一套理論能夠?qū)ζ渚_描述，現(xiàn)有的理論均是建立在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。目前，激光大氣湍流理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法大多都是建立在Kolmogorov湍流理論下進(jìn)行的。

隨著湍流理論的逐步發(fā)展，模擬大氣湍流的裝置系統(tǒng)也逐步開(kāi)始發(fā)展。湍流模擬裝置由傳統(tǒng)的水/酒精介質(zhì)的湍流池，空氣介質(zhì)的湍流箱等向旋轉(zhuǎn)相位板，空間光調(diào)制器模擬等方向發(fā)展。

基于SLM的大氣湍流模擬系統(tǒng)主要采用數(shù)值模擬方法生成相位屏，利用SLM的相位調(diào)制能力，使入射光束產(chǎn)生相位畸變，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)室模擬大氣湍流的效果。

SLM模擬大氣湍流原理

基于SLM的大氣湍流模擬系統(tǒng)主要由相位屏算法和湍流模擬模塊組成，其中相位屏算法主要是計(jì)算及加載相位屏的大氣湍流模擬算法；湍流模擬模塊主要是基于SLM的光學(xué)設(shè)計(jì)及采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用數(shù)值模擬方法生成相位屏并將其加載到調(diào)制器上，利用SLM的相位調(diào)制能力，使入射光束產(chǎn)生相位畸變，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)室模擬大氣湍流的效果。

系統(tǒng)原理圖如下：

基于SLM的大氣湍流模擬系統(tǒng)原理圖

大氣湍流系統(tǒng)產(chǎn)品

大氣湍流是一種隨機(jī)形狀和大小的渦旋。在光學(xué)領(lǐng)域中指大氣中局部溫度、壓強(qiáng)的隨機(jī)變化而帶來(lái)的折射率隨機(jī)變化，由于溫度、壓強(qiáng)等不確定因素的變化和影響，導(dǎo)致湍流的變化情況很難被及時(shí)掌握。

基于SLM的大氣湍流模擬系統(tǒng)主要由相位屏算法軟件和湍流模擬模塊組成，其中相位屏算法軟件主要是計(jì)算生成大氣湍流相位屏；湍流模擬模塊主要是基于SLM的光學(xué)傳輸及采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用數(shù)值模擬的方法生成相位屏并將其加載到調(diào)制器上，利用SLM的相位調(diào)制能力，使入射光束產(chǎn)生相位畸變，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)室模擬大氣湍流的效果。

大氣湍流模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)配套軟件

系統(tǒng)功能

基于空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)大氣湍流環(huán)境的模擬效果；

基于Kolmogorov湍流統(tǒng)計(jì)理論和功率譜密度法實(shí)現(xiàn)大氣湍流相位圖的計(jì)算，其中功率譜密度法的次諧波階數(shù)可供調(diào)節(jié)；

軟件可實(shí)時(shí)調(diào)整相位屏參數(shù)（如相位屏網(wǎng)格數(shù)、相位屏單位大小等）、大氣湍流參數(shù)（如大氣相干長(zhǎng)度、內(nèi)尺度、外尺度等）、光束傳輸參數(shù)，如波長(zhǎng)、束腰半徑、傳播距離等）；

測(cè)試效果

中弱湍流條件下模擬傳播距離1km時(shí)的測(cè)試效果：

大氣湍流模擬效果圖

給調(diào)制器加載相位圖，并調(diào)制顯示；顯示相位圖，圖片/文件夾可導(dǎo)入、保存。

測(cè)試如下圖中所示，本系統(tǒng)可模擬1km下的中強(qiáng)湍流和中弱的大氣湍流效果，如下圖所示，仿真效果和實(shí)測(cè)效果基本接近，說(shuō)明本系統(tǒng)可很好的對(duì)大氣湍流光波進(jìn)行模擬。

仿真及測(cè)試結(jié)果

此外，本系統(tǒng)還可擴(kuò)展進(jìn)行雙SLM，SLM結(jié)合相位板下的大氣湍流仿真、模擬測(cè)試。

應(yīng)用領(lǐng)域

可應(yīng)用于天文高分辨率成像系統(tǒng)，激光通信系統(tǒng)，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，軌跡跟蹤等。

審核編輯 黃宇