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動形式，是影響空間光通信，天文望遠(yuǎn)鏡成像的重要因素。大氣湍流在時間和空間上產(chǎn)生隨機起伏變化，進而使得光學(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 光斑擴展 光強閃爍

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)計分析的基礎(chǔ)上進行的。目前，激光大氣湍流理論與實驗數(shù)據(jù)處理方法大多都是建立在Kolmogorov湍流理論下進行的。

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，從而達到實驗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，從而達到實驗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、壓強的隨機變化而帶來的折射率隨機變化，由于溫度、壓強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，從而達到實驗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)制器實現(xiàn)大氣湍流環(huán)境的模擬效果；

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

軟件可實時調(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)（如大氣相干長度、內(nèi)尺度、外尺度等）、光束傳輸參數(shù)，如波長、束腰半徑、傳播距離等）；

測試效果

中弱湍流條件下模擬傳播距離1km時的測試效果：

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。

測試如下圖中所示，本系統(tǒng)可模擬1km下的中強湍流和中弱的大氣湍流效果，如下圖所示，仿真效果和實測效果基本接近，說明本系統(tǒng)可很好的對大氣湍流光波進行模擬。

仿真及測試結(jié)果

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

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