室内大气湍流模拟系统的研究

摘要

在地球表面使用望远镜观测天体时，由于大气湍流的存在致使光波传输介质发生随机扰动，导致天文望远镜观测到的天体图片模糊不清。自适应光学技术的出现，极大的改善了地基望远镜成像不清的缺点。而对大气湍流进行模拟是发展自适应光学技术不可缺少的一部分，因此对大气湍流进行模拟具有重要的理论和实践意义。
　　数值模拟大气湍流对室内测试自适应光学系统具有可控性、重复性、成本低等诸多优点。本文对现阶段人们使用较多的Zernike多项式法和功率谱反演法进行了详细分析。在此基础上，提出采用非均匀采样方法下功率谱反演法来模拟大气湍流相位屏。本文中采用Kolmogorov功率谱进行数值模拟，得到了在低、高频与理论值都很吻合的结果，充分证明了非均匀采样下功率谱反演大气湍流算法的有效性。
　　使用非均匀采样下功率谱反演大气湍流算法得到的相位屏虽具有很高的质量，但因非均匀采样方法下不能使用快速傅里叶变换导致相位屏生成速度极慢。针对这一问题，本文提出使用GPU技术和NUFFT算法来加速湍流相位屏的模拟。模拟结果证明GPU技术和NUFFT算法对湍流相位屏模拟具有很高的加速效果，为湍流相位屏的数值模拟节省了大量时间。
　　在湍流相位屏数据生成之后，还需要解决如何搭建光波传输链路实现对光束的调制，为解决这一问题本文采用纯相位液晶空间光调制器（LC_SLM）作为湍流模拟器件。将湍流相位屏作为控制信号加载到液晶空间光调制器中，实现了大气传输链路的建立，为自适应光学系统进行室内测试提供条件。
　　本文在此基础上将湍流相位屏的生成模块与信号加载模块集成在一起，并添加显示模块，实现了大气湍流数值模拟控制平台的开发。并对模拟算法和控制界面做了大量优化和美工，使控制平台具有高效稳定的工作性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2大气湍流模拟器研究现状

1.3本文研究内容

第二章 大气湍流物理特性

2.1大气湍流的形成

2.2大气湍流对传输光束的影响

2.3大气湍流的统计理论

2.4本章小结

第三章 大气湍流随机过程模拟

3.1协方差法

3.2功率谱反演法模拟大气湍流相位屏

3.3本章小结

第四章 大气湍流相位分布模拟算法的加速研究

4.1GPU加速算法原理与实现

4.2NUFFT加速算法

4.3本章小结

第五章 大气湍流模拟控制平台研究

5.1大气湍流模拟控制平台设计思路

5.2控制平台相位屏生成模块设计与实现

5.3控制平台相位屏显示模块设计与实现

5.4本章小结

第六章 控制信号的硬件加载与实验

6.1液晶空间光调制器简介

6.2控制信号加载模块设计与实现

6.3控制信号加载方式与实验结果分析

6.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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