像差对激光大气传输闪烁特性影响的数值仿真研究

摘要

大气湍流和光学系统本身缺陷所引起的波前误差是影响激光大气传输的两大关键因素。本文采用多层相位屏的数值模拟方法，研究了在符合Kolmogorov谱分布的大气湍流中，系统典型单一像差和复合像差对聚焦高斯激光大气传输闪烁特性的影响规律。
　　(1)根据Zernike多项式的波前分解法，构建了具有单一类型像差和复合像差的非理想聚焦高斯光束，实现了非理想光束在湍流大气中传输的数值仿真。
　　(2)数值仿真了具有单一像差的高斯光束在湍流大气中传输的闪烁效应，获得了典型单一像差对激光大气传输闪烁的影响特征，研究表明:Z7像差对光斑轴闪烁具有最强的促进作用，像差权重a3＜0.15，a7＜0.3时均会造成闪烁饱和提前出现，Z4、Z8、Z11、Z13和Z24像差在ai＜0.3时会造成闪烁饱和延后出现。且所有单一像差引入均会使光斑轴闪烁达到闪烁峰值后的回落趋势减弱，甚至消失。光束能量扩散程度与C2n和ai呈正相关，除Z7像差外，对数光强起伏标准差也与C2n和ai成正相关且在轴闪烁达到饱和之前达到一稳定峰值。对数光强分布偏斜度和陡峭度呈负相关变化，且始终满足γ1≤0，γ2≥0，并随着湍流增强，光强越接近对数正态分布。
　　(3)数值仿真了具有复合像差的高斯光束在湍流大气中传输的闪烁效应，获得了6种复合像差对激光大气传输闪烁的影响特征，研究表明:在弱湍流区，不同复合像差条件下，光斑轴闪烁指数随湍流强度变化的差异较小，但在中、强湍流区，其闪烁指数变化差异明显。6组复合像差对应的轴闪烁值均低于无初始波像差条件下的值，表现出对光斑闪烁一定程度的抑制作用。复合像差的引入同样会使光斑轴闪烁达到闪烁峰值后的回落趋势减弱。γ1和γ2也表现出负相关变化，并满足γ1≤0，γ2≥0。复合像差效应对光强分布影响的差异并不明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 激光大气传输研究进展

1．3 本文主要研究内容

第2章 激光大气传输数值仿真基础

2．1 大气湍流及其光学统计性质

2．1．1 湍流概述

2．1．2 Kolmogorov谱模型

2．1．3 Tatarskii谱和von-Karman谱

2．2 激光大气传输的湍流效应

2．2．1 高斯激光

2．2．2 标准抛物型方程

2．2．3 Rytov微扰法求解波动方程

2．2．4 激光大气传输统计特征

2．3 数值仿真基本方法

2．3．1 多层相位屏数值模拟

2．3．2 常用湍流相位屏构造法

2．3．3 FFT法构造相位屏

2．3．4 FFT法次谐波补偿

2．3．5 聚焦高斯激光传输非自适应坐标变换

第3章 像差对激光大气传输闪烁影响数值仿真

3．1 像差与Zernike多项式

3．2 单一像差仿真

3．3 复合像差仿真

3．4 闪烁研究方法

3．4．1 光斑闪烁指数

3．4．2 光强统计概率分布

3．5 仿真平台初步计算

第4章 单一像差对闪烁特性影响分析

4．1 轴闪烁变化特征

4．1．1 轴闪烁在弱、中、强湍流中变化特征

4．1．2 轴闪烁在不同像差权重下变化特征

4．2 单一像差对光斑光强分布影响

4．2．1 对数光强分布特征

4．2．2 对数光强分布均值及标准差

4．2．3 对数光强分布偏斜度和陡峭度

第5章 复合像差对闪烁特性影响分析

5．1 闪烁及光束质量因子变化特征

5．2 复合像差对光斑光强分布影响

5．2．1 对数光强分布特征

5．2．2 对数光强分布偏斜度和陡峭度

第6章 总结及进一步展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果