大气湍流对SAL成像影响及补偿方法研究

摘要

合成孔径激光雷达(SAL)能够实现高分辨率的成像,在民用和军事上都具有广泛的应用前景。由于SAL激光波长极短,在大气中长距离传输时受大气湍流的影响较大。为了减弱大气湍流对激光SAL成像的影响,探索适用于大气湍流下SAL系统的自适应补偿方法,对于提高SAL成像质量具有重要的研究价值和实际意义,对于SAL走向实际工程应用也至关重要。
　　本论文重点研究了大气湍流下的光传输、大气湍流强度的激光导星测量以及湍流下的SAL成像和自适应补偿方法。利用相位屏法模拟了Kolmogorov谱和von Karman谱下不同强度的大气湍流相位起伏,随着湍流强度的增加,湍流造成的相位起伏会随之增加,在强湍流下大气湍流造成的相位起伏就可能达到几十弧度;仿真了水平路径von Karman谱不同湍流强度下高斯光束传输的光强分布,结果表明,传输路径上的大气湍流使高斯光束发生畸变,随着湍流强度的增强,湍流造成的相位畸变会变大,当湍流强度达到一定的程度时甚至会出现光斑分裂等现象,光斑可能会分裂为几块。波前探测是自适应光学的前提和基础,瑞利激光导星大气湍流强度廓线测量方法,可适用于近地大气湍流的实时测量,论文对其测量系统参数进行了定量分析,为大气湍流下的SAL成像的相位补偿提供了很好的理论基础。基于闪烁理论,利用激光大气通信实验系统测量数据,测量西安夏季实际大气传播路径上的平均湍流强度,为SAL的系统设计实用化提供理论依据。结合相位屏法,分别对Kolmogorov谱和von Karman谱不同湍流强度下水平路径和斜程的SAL成像效果进行了模拟仿真,结果表明:在弱湍流情况下,成像效果受湍流影响较小,而在中等及强湍流下的图像方位分辨率性能下降,特别是强湍流下图像散焦严重,单独采用相位梯度自聚焦算法(PGA)已不能完成对相位的有效补偿,无法满足提高图像质量的要求;结合瑞利激光导星自适应光学补偿方法和PGA对仿真图像进行相位联合补偿,可以明显改善SAL图像质量,而对于强湍流情况,改善效果仍有待于进一步提高。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作安排

第二章 大气湍流下的光传输模拟仿真

2.1 大气湍流概述

2.7 10 exp\( /1500\)

2.7 10 exp\( /1500\)

2.2 相位屏法模拟大气湍流中的激光传输

2.3 小结

第三章 基于激光导星的湍流测量方法

3.1激光导星原理

3.2 激光导星测量大气湍流强度廓线原理

3.3 系统参数要求设置

3.4 小结

第四章 平均的湍流强度测量

4.1 水平路径平均的湍流强度测量理论分析

4.2 湍流强度测量实验

4.3 实验结果及分析

4.4 小结

第五章 大气湍流下的合成孔径激光雷达成像及补偿

5.1 合成孔径激光雷达成像原理

5.2 湍流下的合成孔径激光雷达成像仿真

5.3 成像补偿

5.4 小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果