matlab模拟高斯光束波前相位分布,光束波前校正与信标研究

光束波前校正与信标研究

【摘要】：

大气湍流引起光波波前的随机扰动，是限制光波大气传输和天文成像分辨率的主

要因素。20世纪70年代发展起来的自适应光学技术能主动校正光波相位畸变，提高

光束远场能量集中度，提高天文成像分辨率。但是由于相位畸变量不同于光斑强度、

尺寸等直观物理量，对相位畸变的探测和校正是个复杂的过程。

本文建立了Hartmann-Shack(H-S)波前传感器质心探测误差的理论模型，分析了

光束初始相位对夫朗和费衍射光斑Strell比(SR)的影响，得到SR和相位起伏方差

σ~2_φ的关系，即SR≌1－σ~2_φ，说明了相位控制在光束传输和成像系统中的重要作用。

H-S波前传感器有多种测量误差源，如波前传感器的有限空间采样频率，有限的

时间带宽和子孔径光斑质心探测误差等。结合实际应用技术的需要，本文对其中的

子孔径内光斑质心探测精度的影响因素进行了深入的分析，综合考虑了系统信噪比、

CCD器件的背景噪声、波前畸变量、微透镜成像质量等因素，建立了质心探测误差

的模型。

理论分析表明，CCD器件自身的电子噪声对质心探测精度的影响主要是噪声分

布的均匀性；波面局部变化越大，光斑质心探测误差也越大；在系统信噪比较大时，

减小子孔径光斑尺寸是提高探测精度的有效方法，当系统信噪比较小时，提高信噪

比仍然是提高探测精度的主要手段。

根据信标激光的单色性和偏振性，提出采用光谱滤波和偏振滤波的削减噪声方

法，同时，由于CCD器件是积分型器件，时间选通也是削减噪声的有效方法，在波

前校正系统中增加快速倾斜镜预校正相位整体倾斜，可以减小子孔径质心探测误差。

优化算法，实现了波前恢复和校正：

不同的波前传感器的输出信号不同，与之相对应的波前恢复算法也不同，本文介

绍了H-S波前传感器的波前恢复过程，分析了波前恢复过程中Jacobi、Gauss-Seidel、

SOR(超张弛迭代法)三种迭代算法的收敛速度，同时分析了Hudgin、Fried和

Southwell三种子孔径划分方式下恢复过程的误差传递系数。通过比较分析，在子孔

径数为10×10时，Southwell波前划分方式的误差传递系数最小，SOR迭代法迭代速

度最快。

结合CILAS 52单元变形镜的技术性能，自行研制开发52单元自适应光学系统的

数据处理与控制软件，并利用该系统进行了自适应光学系统闭环校正实验，成功的

实现了对桌面光学系统静态象差的校正，校正前后波面PV值分别为λ/3和λ/18

中国工程物理研究院硕士学位论文

(1－0石328卜m人对校正前后的波面进行的 Zemike分解结果表明，CILAS 52单元变

形镜对低阶象差具有很好的校正效果。

利用仲50nun望远镜和 HS波前传感器进行了自然星光波前测量实验和人造瑞利

信标实验，在国内首次产生了人造瑞利信标，并获得了人造瑞利信标光波前；开发

了波前分析处理软件，该软件能以二维、三维图象显示波面形状，能对波面进行

Zedrike任意阶分解等。大量星光波前数据处理结果显示，整体倾斜约占波前畸变总

量的80％，对瑞利信标波前的Zemike分解结果显示了瑞利信标波前中整体倾斜含量

极少。

数值模拟多束光照明时远场光斑特性：

通过湍流大气的折射率结构常数C／来描述湍流，利用卡尔曼谱模型调制的高斯

随机相位屏模拟水平大气，采用矩阵运算功能较强的Matlab平台开发了激光在湍流

大气中传输的数值模拟软件，并利用高斯光束的模拟传输结果检验了模型的正确性。

通过对非相关多束光聚焦照明时远场光斑漂移角和光斑大小的统计，并考虑到同

孔径多束光照明时发射光束数目和发射孔径的关系，分析远场光斑扩展度和发射光

束的数目、传输距离、湍流强度的关系。模拟结果表明，在 C／叫”‘’m－213时，即湍

流相对较弱的情况下，多束非相关光束聚焦到SKIn以内的目标上，光斑扩展度能够

满足自适应光学系统信标探测的需求。但是，在更强的湍流情况下，满足信标扩展

度的距离更短。数值模拟的结果显示，以多束光聚焦照明目标，直接从目标漫反射

光中提取信标信息的信标工作方式不适合激光发射自适应光学系统。

从目标轮廓中提取信标信息的方法可以增加信标的有效距离，但是由于运动目标

的背景时刻在变化，目标和背景的对比度等将受背景的变化而剧烈变化，要获得目

标清晰的轮廓必须采用主动照明等手段。

只有被均匀照明时，才能获得目标真实的轮廓，单束光和多束光聚焦照明都不能

满足光斑均匀度的要求。模拟了用多束非相关光柬以离焦方式照明到目标上，即当

目标处于不同位置时，在保持各束照明光在目标上有相同的位置和尺寸条件下，目

标上光斑的统计归一化强度分布特性。模拟结果表明，采用这种多束非相干光离焦

照明方式，可以在20Km或更远距离上，明显改善目标上光斑的均匀性。通过变换

C／值，得到远场光斑均匀性和湍流强度并不敏感的定性结论。模拟结果还显示，照

明光束数目越多，目标上光斑越均匀；光束数目大于四后，增加照明光束数目，光

斑均匀性并没有显著的提高，但可以明显增加光斑亮度。

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