西安地区大气相干长度的测量研究

摘要

大气相干长度是评价微光传输中自适应相位校正效果的一个重要参数。因此针对大气相干长度进行测量分析具有很高的研究价值。由于差分像运动法测量具有精度高、稳定性好等特点，在工程中得到广泛地应用。论文基于差分像运动法的原理，搭建外场激光传输链路对大气相干长度进行测量，并采用了一种自适应选取阈值算法。可快速提取出差分运动网像中的有用信息。主要工作如下： 1、对大气湍流的产生机理进行介绍，阐述了几种常见的人气湍流模拟方法，同时介绍了统计光学湍流特征参数的计算方法。定量分析了波长、束腰半径及大气折射半结构常数对激光传输中光斑漂移和光束扩展产生的影响． 2、根据激光大气传输理论以及非涅耳衍射原理，对大气湍流中随机相位起伏进行仿真。结合功率谱模型，模拟了高斯光束穿过不同强大气湍流信道模型的传输，并对接收像面不同空间上的光斑分布情况进行分析对比。 3、介绍了不同测量大气相干长度的方法和基本公式，论文中使用差分像运动法对大气相干长度进行测量，确定子瞳口径、两子瞳间距及CCD曝光时间，使用简易的四孔差分像运动法测量仪在外场实验，采集数据与理论模型进行分析对比。 4、利用差分运动图像具有对称性、信噪比高等特点，提出了一种多目标光斑快速检测算法，通过实验验证算法可以在不同背景噪声干扰的情况下选取变化阈值,且能有效、稳定地对光斑区域进行分割，实现多目标光斑的快速检测。 实验结果表明，使用水文设计的大气相干长度删量系统在外场进行实验，通过公式计算得出全天范围大气相干长度变化趋势。与现有理论型模型一致。虽然不同方向上测量得到的大气相干长度值有所不同，但总体变化趋势都相同，夜晚变化较白天更为稳定。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 激光通信技术的国内外发展现状

1.2.2 测量大气相干长度的国内外发展现状

1.3 论文结构与安排

2 激光在大气湍流传输中的特性分析

2.1 大气光学湍流的基本特性

2.1.1 大气基本状态及结构组成

2.1.2 大气湍流的形成及特点

2.2 大气湍流效应的表现形式

2.2.1 光强起伏

2.2.2 光束漂移

2.2.3 源像抖动

2.2.4 光束扩展

2.3 大气湍流光学参数

2.3.1 大气折射率结构常数

2.3.2 等晕角

2.3.3 大气相干长度

2.4 几种大气相干长度的测量原理及对比分析

2.4.1 温度脉动测量

2.4.2 雷达测量法

2.4.3 哈特曼波前测量法

2.4.4 光学测试方法

2.5 本章小结

3 高斯光束在大气湍流中传输的数值仿真

3.1 大气湍流理论模拟类型

3.1.1 水介质湍流模拟法

3.1.2 热风湍流模拟法

3.1.3 液晶大气湍流模拟法

3.1.4 相位屏模拟法

3.2 激光在大气湍流中传输的仿真实现

3.2.1 高斯光束的传输特性

3.2.2 大气湍流相位屏模拟

3.2.3 不同参数对大气湍流效应影响的仿真

3.2.4 不同湍流强度下的激光传输仿真

3.3 本章小结

4 实验平台搭建与系统参数确定

4.1 大气相干长度测量系统的组成及原理

4.1.1 实验方法与装置

4.1.2 发射系统

4.1.3 接收系统

4.2 外场大气相干长度测量实验

4.2.1 测量地点及设备

4.2.2 系统参数设置

4.3 本章小结

5 实验结果及数据分析

5.1 多光斑图像处理算法

5.1.1 检测算法及原理

5.1.2 图像预处理

5.1.3 阈值选取

5.1.4 光斑检测算法的优化

5.2 西安测试点的测量结果与分析

5.2.1 阈值选取误差分析

5.2.2 优化后算法误差分析

5.2.3 大气相干长度特性分析

5.3 本章小结

6 结论

6.1 本文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果