阵列光束在湍流中的传输及合成光束自适应优化整形

论文摘要

激光在大气/海洋中传输时会受到湍流的影响,产生展宽、漂移、闪烁等一系列的湍流效应,限制了激光在自由空间光通信、激光雷达等方面的应用。阵列光束可以有效提高激光的输出功率,不同的合成方式（相干/非相干）在湍流介质中具有不同的传输特性,各自适用于不同的应用场景。本文采用理论推导、数值仿真的方法,详细研究了相干/非相干合成高斯阵列光束在海洋湍流中的光束扩展、光束漂移和光强闪烁特性。基于已有的光纤阵列相干合成系统,提出了基于随机并行梯度下降算法（SPGD算法）控制合成光束优化整形的方法,通过数值仿真分析验证了其有效性,该方法为无人机无线远程充电技术提供了理论支持。本文具体研究内容包括:1.基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov方法,推导了径向分布相干/非相干合成高斯阵列光束在海洋湍流中传输时的长曝光光斑半径、质心漂移标准差及弱起伏条件下的轴上光强闪烁系数理论表达式。针对激光束海洋湍流传输的质心漂移标准差理论表达式给出了普适的近似表达式,极大简化了工程应用中对于漂移特性的估算。在此基础上,通过数值计算对比分析了不同光源参数（径向半径,子光束束宽）、不同海洋湍流强度参数（动能耗散率、温度方差耗散率、温度梯度与盐度梯度比值）及不同传输距离对传输特性的影响。结果表明非相干合成相比相干合成在同样的湍流条件下更易发生光束扩展的现象,但受到湍流的光束漂移和光强闪烁效应影响较弱。随着传输距离的增加,海洋湍流的增强（温度耗散率较大、动能耗散率较小、湍流趋于盐度主导）,相干/非相干合成的光束扩展、光束漂移和光强闪烁现象均会加重。2.引入时域特性相位屏的生成方法,包括基于相位相关性插值的无限长相位屏法和引入频率时间分量的自回归法,分别应用于运动目标的相对运动模拟和湍流中的长曝光图像获取。结合相位屏法在大气湍流数值仿真计算中的应用,给出了简单有效的海洋湍流相位屏仿真参数选取依据,整理推导了高斯光束在弱起伏到强起伏海洋湍流中的光强一阶及二阶矩传输特性的理论表达式,最后进行了不同湍流条件下传输统计特性（平均半径、光束漂移、光强闪烁）的数值仿真与理论计算对比,验证了多相位屏法模拟海洋湍流的正确性和适用范围,结果表明基于相位屏法的仿真结果统计平均可以有效描述激光海洋湍流传输特性。基于光强一阶矩得到的传输特性参量（平均半径、光束漂移）数值仿真统计结果与理论结果偏差较小,而强起伏条件下,光强闪烁特性的仿真与理论偏差较大。最后,基于相位屏法数值仿真对比了不同分布的高斯阵列光束（单光束、矩形阵列、径向阵列）在海洋湍流中的传输特性。3.基于光纤阵列相干合成技术,提出了基于SPGD算法控制光纤阵列光束远场合成光斑整形优化方法。采用SPGD算法控制光束的整体相位（piston相位）及/或倾斜相位（tip/tilt相位）,同时实现光束净化、湍流补偿及远场光斑整形功能。针对完全合作目标,即可主动配合返回性能评价函数的目标,通过射频信号反馈形成闭环,引入自适应整形优化函数作为性能评价函数实现合成光束优化整形,通过数值仿真的方法对比分析了该方案下相干合成与非相干合成光纤阵列在同步/异步控制、运动/静止目标、不同目标形状、不同大气湍流强度下的光束优化整形效果。结果表明,基于SPGD算法控制相干合成光纤阵列可有效实现不同大气湍流强度、不同目标形状的光束整形优化,且在不同速度运动目标下均可保持稳定的优化效果,而基于SPGD算法控制非相干合成光纤阵列不具有远场光斑整形能力,但可以提高目标有效范围内的总功率,且易受到目标运动的影响。针对部分合作目标,即仅能被动返回性能评价函数的目标,采用目标上分布的反射器获得反射光,以反射光总功率作为性能评价函数实现远场合成光束整形,数值仿真初步验证了该方案中反射器对于光强分布的引导能力和系统的光斑整形能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 阵列光束在湍流介质中的传输概述
•     1.2.1 阵列光束描述
•     1.2.2 光波在湍流介质中的传输特性
•   1.3 阵列光束湍流传输特性研究现状
•     1.3.1 湍流大气传输研究现状
•     1.3.2 海洋湍流传输研究现状
•   1.4 自适应光学及其在光纤阵列合成中的应用
•     1.4.1 自适应光学技术
•     1.4.2 优化式自适应光学原理
•     1.4.3 基于优化算法的光纤阵列合成技术原理
•   1.5 基于优化算法的光纤阵列远场合成技术研究现状
•   1.6 论文结构安排及框架
•   1.7 论文创新点
• 第二章 湍流介质中光传播理论和方法
•   2.1 引言
•   2.2 湍流光学统计特性基本概念
•     2.2.1 湍流统计基本描述
•     2.2.2 湍流光学统计特性参量
•   2.3 大气湍流描述及其光学统计特性
•     2.3.1 大气折射率结构常数及模型
•     2.3.2 大气湍流功率谱密度函数及模型
•     2.3.3 大气湍流强度表征参数
•     2.3.4 大气湍流时域特性
•   2.4 海洋湍流模型及其统计特性
•     2.4.1 海洋湍流参数描述
•     2.4.2 海洋湍流功率谱模型
•     2.4.3 海洋湍流统计特性参量
•   2.5 湍流中的光场描述及研究方法
•     2.5.1 高斯光束阵列模型
•     2.5.2 光场统计矩求解方法
•     2.5.3 Rytov方法
•     2.5.4 广义Huygens-Fresnel原理
•   2.6 小结
• 第三章 湍流介质中光传输的相位屏法仿真
•   3.1 引言
•   3.2 多相位屏法
•     3.2.1 相位屏法原理
•     3.2.2 相位屏参数选取原则
•   3.3 时域变化的相位屏产生方法
•     3.3.1 无限长相位屏生成
•     3.3.2 自回归算法生成相位屏
•   3.4 相位屏法仿真海洋湍流准确性
•     3.4.1 高斯光束海洋湍流传输特性理论推导
•     3.4.2 数值仿真统计特性计算方法
•     3.4.3 理论计算与数值仿真对比
•   3.5 相位屏仿真海洋湍流中阵列光束传输特性
•     3.5.1 光束扩展特性
•     3.5.2 光束漂移特性
•     3.5.3 光强闪烁特性
•   3.6 本章小结
• 第四章 海洋湍流中高斯阵列光束传输特性
•   4.1 引言
•   4.2 海洋湍流功率谱模型求和形式
•   4.3 海洋湍流中高斯阵列光束的光束扩展
•     4.3.1 光束扩展理论推导
•     4.3.2 光束扩展数值计算与分析
•   4.4 海洋湍流中高斯阵列光束的光束漂移
•     4.4.1 光束漂移理论推导
•     4.4.2 光束漂移近似表达
•     4.4.3 光束漂移数值计算与分析
•   4.5 海洋湍流中高斯阵列光束的光强闪烁
•     4.5.1 相干合成高斯阵列光束光强闪烁
•     4.5.2 非相干合成高斯阵列光束光强闪烁
•     4.5.3 光强闪烁数值计算与分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 光纤阵列合成自适应光斑整形
•   5.1 引言
•   5.2 基于SPGD算法的光纤阵列合成系统
•     5.2.1 光纤阵列合成系统介绍
•     5.2.2 光束控制方法
•     5.2.3 数学模型
•     5.2.4 SPGD算法原理
•   5.3 光纤阵列合成光束自适应优化整形
•     5.3.1 系统原理
•     5.3.2 目标评价函数
•     5.3.3 同步/异步控制
•     5.3.4 移动目标数值仿真方法
•   5.4 完全合作目标方案数值仿真结果
•     5.4.1 相干/非相干系统数值仿真结果
•     5.4.2 不同目标形状数值仿真结果
•     5.4.3 运动目标数值仿真结果
•   5.5 部分合作目标方案数值仿真结果
•     5.5.1 相干/非相干系统数值仿真结果
•     5.5.2 运动目标数值仿真结果
•   5.6 本章小结
• 第六章 结论和展望
•   6.1 研究结论
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 牛超君

导师: 韩香娥

关键词: 阵列光束,海洋湍流,大气湍流,算法,光纤阵列

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: TN241

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003119

总页数: 138

文件大小: 9594K

下载量: 52