一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器

摘要

本发明公开了一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器，包括依次同轴共线排列的激光器、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器、CCD摄像头，激光器产生的写入光经第一空间光调制器调制产生复杂光束，该复杂光依次通过第二空间光调制器、第三空间光调制器模拟的大气湍流被CCD摄像头接收。本发明基于空间光调制器的大气湍流模拟器具有稳健性，不仅可以实现大气条件的变化还可以实现传播距离的变化，从而使系统装置灵活且实用。

说明书

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体而言涉及一种基于空间光调制器的湍流模拟器。

背景技术

大气湍流是一种非均匀无序介质，随着科学技术的不断进步，大气光学与光通信技术领域也取得了长足进步。当光在大气湍流中传输时，湍流引起的折射率变化导致光束传输质量发生衰减，从而造成漂移，扩展，闪烁等一系列变化，制约了大气光通信的发展，因此对于激光在大气湍流中的传输有必要展开针对性的研究，进一步分析大气湍流对光电系统的影响因素。

针对上述研究工作，目前已经考虑的一种途径是进行现场实验，但是由于大气光学特殊的情况，现场实验不仅费时费力，而且现场实验的成本非常高，最重要的是现场实验的实验条件难以重复确认，实验数据采集难度也非常大，因此现场实验的方法没有被广泛采用。另一种方法是利用气体或者液体来模拟大气湍流。其原理是利用气体或液体本身对流来模拟大气湍流，原理简单，但是具有散热困难，强度难以控制，重复性较差等缺点；还有一种方法是基于微加工技术的相位屏来模拟大气湍流，其原理是将湍流的相位畸变刻蚀在玻璃基板上，然后通过旋转相位屏来模拟大气湍流，其缺点是相位变化固定，旋转波面具有周期性，这与实际情况有较大的差距。

此外，近年来随着液晶技术的发展，也有人提出利用液晶的电光特性来进行大气湍流的模拟，一般通过改变电压来改变液晶的折射率。由于液晶空间光调制器具有成本低，动态可调制，可编程驱动等优点，它可能会成为湍流模拟器将来技术发展趋势这一。国内外已有多家机构都展开了这方面的研究工作，并取得了一定的成果，成功利用液晶空间光调制器模拟了大气湍流。但其中大部分是使用了单个空间光调制器来模拟湍流存在下光束的传播，其缺点是对于不同大气条件和传播距离光束传播的情况，装置难以灵活调整，实用性较差。

发明内容

本发明提出了一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器，包括依次同轴共线排列的激光器、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器、CCD摄像头，其中：

所述激光器用于产生写入光；

所述第一空间光调制器通过计算机中的驱动模块载入光束相位图以及第一焦距f₀；

所述第二空间光调制器通过计算机中的驱动模块载入第一相位屏以及第二焦距f₁；

所述第三空间光调制器通过计算机中的驱动模块载入第二相位屏以及第三焦距f₂；

所述CCD摄像头用于接收第三空间光调制器发出的复杂光；

激光器产生的写入光经第一空间光调制器调制产生复杂光束，该复杂光依次通过第二空间光调制器、第三空间光调制器模拟的大气湍流被CCD摄像头接收。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明运用两个空间光调制器进行模拟，空间光调制器和数码相机的位置可固定不变，以可编程的方式，不仅可以实现大气条件的变化，还可以实现光束传播通道长度的变化，从而使系统装置灵活且实用。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明基于空间光调制器的湍流模拟器要模拟大气信道的离散模型。

图2是本发明基于空间光调制器的湍流模拟器装置的结构示意图。

具体实施方式

一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器，包括依次同轴共线排列的激光器、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第三空间光调制器、CCD摄像头，其中：

所述激光器用于产生写入光；

所述第一空间光调制器通过计算机中的驱动模块载入光束相位图以及第一焦距f₀；

所述第二空间光调制器通过计算机中的驱动模块载入第一相位屏以及第二焦距f₁；

所述第三空间光调制器通过计算机中的驱动模块载入第二相位屏以及第三焦距f₂；

所述CCD摄像头用于接收第三空间光调制器发出的复杂光；

激光器产生的写入光经第一空间光调制器调制产生复杂光束，该复杂光依次通过第二空间光调制器、第三空间光调制器模拟的大气湍流被CCD摄像头接收。

优选地，激光器为波长为532nm的半导体激光器。

进一步的实施例中，所述第一焦距f₀、第二焦距f₁、第三焦距f₂满足：

f₀＝z'₁α₀/(α₀-α₁)

f₁＝z'₁z'₂α₁/[z'₁(α₁-α₂)+z'₂(α₁-α₀)]

f₂＝z'₂z'₃α₂/[z'₂(α₂-α₃)+z'₃(α₂-α₁)]

式中，α₀表示激光器产生的光束半径与离散大气模型中输入光束半径比，α₁＝z'₁/(α₀z₁),α₂＝z₁z'₂α₀/(z'₁z₂),α₃＝z'₁z₂z'₃/(α₀z₁z'₂z₃)，z'₁表示第二空间光调制器到第一空间光调制器的距离，z'₂表示第三空间光调制器到第二空间光调制器的距离，z'₃表示CCD摄像头到第三空间光调制器的距离，z₁、z₂、z₃分别表示离散大气模型中第一个相位屏幕到激光器的距离、第二个相位屏幕到第一个相位屏幕的距离，CCD摄像头到第二个相位屏幕的距离。

进一步的实施例中，第三空间光调制器到第二空间光调制器的距离z'₂与>3满足：z'₃＜0.4845L'＜z'₂+z'₃，式中，>

进一步的实施例中，第二空间光调制器到第一空间光调制器的距离z'₁，第三空间光调制器到第二空间光调制器的距离z'₂与CCD摄像头到第三空间光调制器的距离z'₃满足：z'₃z'₁/z₁＝z'₂/z₂＝z'₃/z₃＝L'/L＝γ。

由计算机湍流软件计算出相位屏分布，并通过驱动模块加载至空间光调制器中，用激光器入射写入光穿过空间光调制器，空间光调制器通过电信号实现动态调节液晶分子排列而写入相位信息，从而达到模拟大气湍流的目的。

结合图1，图1是本发明基于空间光调制器的湍流模拟器所要模拟的实际环境建立的大气信道离散模型，该离散模型在与弗里德参数r₀相对应的恒定参数结构为特征的弱湍流介质中建立，所建立的离散模型光通信通道长度为L，光波长为λ，距离输入平面L₁和L₂处分别放置第一随机相位屏幕PS₁和第二随机相位屏幕PS₂。

r₀也称为大气相干长度，对于平面波，有其中k＝2π/λ。根据雷托夫方差的值将大气湍流分为强或弱，弱湍流状态对应于小于1。

第一随机相位屏幕PS₁和第二随机相位屏幕PS₂的弗里德参数分别为r₀₁、r₀₂且满足：

输入平面和随机相位屏幕PS₁之间的距离记为z₁，随机相位屏幕PS₁和随机相位屏幕PS₂之间的距离记为z₂，随机相位屏幕PS₂和接收面CCD之间的距离记为z₃，其中z₁+z₂+z₃＝L，从而，第一随机相位屏幕PS₁和第二随机相位屏幕>2的弗里德参数分别表示为：

由于参数r₀₁和r₀₂必须为正，所以相位屏幕位置被限制为：

z₃＜0.4845L＜z₂+z₃

在两个相位屏幕具有相同的弗里德参数的情况下，z₂、z₃需要满足：

结合图2所示，本发明基于空间光调制器的大气湍流模拟器对离散大气模型的自由空间间隔z_i、光束和屏幕参数进行适当的缩放。通过缩放，可以把在自由空间间隔z_i中的光束传播，等效为一个在自由空间间隔z'_i的模拟器中的光束传播。该模拟器需要嵌入两个球面透镜，而空间光调制器具有改变焦距功能，可起到上述透镜的作用，因此将透镜与相位屏一起寻址到空间光调制器中，由此构建本发明基于空间光调制器的大气湍流模拟器，而模拟器中各自由空间间隔的距离以及需要载入的焦距需满足：

式中，f_i表示对应空间光调制器所要加载的的焦距，α_i表示横坐标缩放因子，且α₀＝W'/W，W'表示模拟器的输入光束半径，W表示离散大气模型的输入光速半径，由上述矩阵可以导出以下约束条件：

z'_i＝z_iα_i-1α_i＝f_i-1+f_i

其中i＝1，2，3，例如i＝1时由上式可以推出：

f₀＝z'₁α₀/(α₀-α₁),α₁＝z'₁/(α₀z₁),

在与模拟器相关联的三个自由空间间隔z₁,z₂,z₃中挨个重复上述推导过程，在模拟器中，每个阶段的输出缩放等于下一个阶段的输入缩放，由此我们可以继续推出：

f₁＝z'₁z'₂α₁/[z'₁(α₁-α₂)+z'₂(α₁-α₀)],

f₂＝z'₂z'₃α₂/[z'₂(α₂-α₃)+z'₃(α₂-α₁)]

α₂＝z₁z'₂α₀/(z'₁z₂),

α₃＝z'₁z₂z'₃/(α₀z₁z'₂z₃),

在本发明中，z'₁实际上表示第二空间光调制器到第一空间光调制器的距离，>2表示第三空间光调制器到第二空间光调制器的距离，z'₃表示CCD摄像头到第三空间光调制器的距离，z₁、z₂、z₃分别表示离散大气模型中第一个相位屏幕到激光器的距离、第二个相位屏幕到第一个相位屏幕的距离，CCD摄像头到第二个相位屏幕的距离。

在本发明中可选取z'₁/z₁＝z'₂/z₂＝z'₃/z₃＝L'/L＝γ，则约束方程化简为：>1＜1.06z'₂，此时由γ＝α_iα_i+1可得，α₀＝α₂，α₁＝α₃＝γ/α₀，从而可以得到化简的焦距值：

因为L值固定，L'值可自由选择，所以，我们可以选取满足条件的z_i值，从而确定模拟器中空间光调制器间的间距以及各空间光调制器所要加载的焦距。注意，第二空间光调制器需要加载的焦距的符号总是与第一空间光调制器和第三空间光调制器需要加载的焦距的符号相反，由此我们就可以模拟出不同距离的大气湍流条件。

本发明提出的湍流模拟器系统对于湍流条件和光束传播距离的快速和可编程的变化都是适用的，但是实际上，其性能会受到空间光调制器的空间分辨率和时间响应的限制。在实际操作中，对于适当的相位屏幕安装和光束强度测量，缩放参数α_i不能彼此相差太多。例如，对于以下参数W₀＝0.05m，W'₀＝10^-3m和>2/λf，最大空间频率>

从而，本发明公开的一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器可以在不同的湍流条件和传播距离下模拟光束传播，具有稳健性，空间光调制器和数码相机可固定不变，以可编程的方式，不仅可以实现大气条件的变化还可以实现传播距离的变化，从而使系统装置灵活且实用。

下面结合实施例进行更详细的描述。

实施例1

本实施例中创建的大气湍流模拟器包括两个同步空间光调制器，即第二空间光调制器SLM₁和第三空间光调制器SLM₂，其都为像素大小19μm的Holoeye>0，它也可以可编程生成输入信号，例如高斯和涡流光束。第一空间光调制器SLM₀位于系统的输入平面中的激光器处，将输入光束的相位信息与相应的焦距一起寻址到第一空间光调制器SLM₀中。平行的相干激光束(波长λ＝532nm，以30mW的输出功率工作)入射到第一空间光调制器>0，出射复杂光束。在大气湍流模拟器中，加载的相位屏在第二空间光调制器SLM₁和第三空间光调制器SLM₂显示屏中心的矩形区域(大小为1920×1080 像素)中显示，我们在实验中选用的湍流模拟器各部分之间的距离为>1＝0.50m,z'₂＝0.57m,z'₃＝0.5m，如图2所示。位于接收机平面的CCD摄像机(12>1和第三空间光调制器SLM₂同步，便于采集图像。

本发明提出的一个基于两个空间光调制器SLM的实验可编程设置，可以用于模拟光束在不同距离和大气参数下在弱湍流中传播。我们用高斯光束和涡旋光束在按上述内容搭建的系统中做了光强分布和光强闪烁的实验，并与理论值做了对比，证明了其正确性。