湍流大气中双层共轭系统激光成像研究

论文摘要

大气成像是诸如宇航卫星,航空测绘和成像雷达等工作于湍流大气环境中的光学系统必然遇到的问题,光学系统的角分辨率一般是由其入瞳衍射极限所限制（λ/D）,然而,大气成像系统的角分辨率主要由通常小于光学系统入瞳的大气相干长度r0决定（λ/r0）。一般情况下,大孔径望远镜系统的长曝光像的角分辨率仅相当于一个0.1m孔径的望远镜的角分辨率。为了弥补这种的缺陷,人们采用自适应光学技术（AO）,它能实时感知由大气扰动、环境温度起伏等因素造成的波面畸变,并通过调整光学系统而实现实时畸变的补偿,使现代大型望远镜系统轴上分辨率达到近衍射极限。然而,光束在湍流大气传播中存在的“波前位错”现象阻碍了自适应光学系统对畸变波波前位相的精确重建,加上大气非等晕的影响,使一般自适应光学系统只能在一个很小的视场内进行高清晰度成像,在典型情况下只有微弧度量级。特别是当观察目标稍微偏离光轴时,分辨率便明显下降,这就大大限制了AO系统推广应用。为了能在大范围获得更清晰的像,本文采用一种新的校正方法一双层共轭自适应光学（DCAO）,它是多层共轭自适应光学（MCAO）的简单系统,属于自适应光学范畴。MCAO的基本思想是将大气湍流分成若干层,在每层的共轭位置上设置1块变形镜（DM）以校正该层大气引起的波形畸变。对大气成像系统的各光学传递函数（理想、湍流、传统AO和DCAO）进行分析并成像仿真,得出DCAO系统的成像比传统AO清晰很多,分辨力几乎接近衍射极限水平,是传统AO的好几倍。通过对校正性能指标（等晕角、相干长度、闪烁指数和斯特列尔比）的数值分析,同样得到,DCAO系统在大气湍流校正方面优势非常明显。DCAO技术是目前自适应光学技术发展的趋势,也是国际光学校正研究热点之一,而将来必定向MCAO方向（三层、四层…）发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景和意义
• 1.3 国内外研究的发展与现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 大气对激光的传输影响
• 2.1 大气消光
• 2.1.1 大气吸收
• 2.1.2 大气散射
• 2.1.3 散射和吸收的共同影响
• 2.2 大气湍流
• 2.2.1 大气湍流基本理论
• 2.2.2 湍流的统计特性
• 2.2.3 大气湍流折射率功率谱模型
• 2.3 大气湍流效应
• 2.3.1 闪烁
• 2.3.2 光束漂移和像点抖动
• 2.4 本章小结
• 第三章 双层共轭自适应光学
• 3.1 自适应光学（AO）
• 3.1.1 波前探测
• 3.1.2 波前重构
• 3.1.3 波前校正
• 3.1.4 大气湍流的表征参数
• 3.2 多层共轭自适应光学（MCAO）
• 3.3 双层共轭自适应光学（DCAO）
• 3.3.1 湍流分层
• 3.3.2 波前校正方法
• 3.3.3 导星
• 3.3.4 校正理论推导
• 3.3.5 双层共轭AO校正性能指标
• 3.4 本章小结
• 第四章 大气成像
• 4.1 理想的光学传递函数
• 4.2 大气成像系统的光学传递函数
• 4.3 自适应光学系统光学传递函数
• 4.4 多层共轭系统光学传递函数
• 4.5 本章小结
• 第五章 模型与仿真
• 5.1 模型的建立
• 5.2 仿真结果及分析
• 5.2.1 大气成像的仿真与分析
• 5.2.2 校正性能参数分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果