專利名稱：大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在實(shí)驗(yàn)室條件下，能夠精確模擬大氣湍流擾動(dòng)引起的光波前位相 隨機(jī)分布的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在外場(chǎng)長(zhǎng)距離光成像、光傳輸系統(tǒng)的研制和應(yīng)用中，大氣湍流擾動(dòng)引起的信號(hào)質(zhì) 量下降是限制系統(tǒng)性能發(fā)揮的主要技術(shù)瓶頸，如何在實(shí)驗(yàn)室條件下建立能精確再現(xiàn)大氣湍 流、與自適應(yīng)校正系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證緊密結(jié)合的模擬設(shè)備業(yè)已成為天文、航空甚至航天大口徑 光學(xué)系統(tǒng)及激光通信系統(tǒng)研制水平提升亟待解決的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的湍流模擬方法包括熱 空氣法、折射率/溫度梯度法，存在可操作性較差、不具有可重復(fù)性等缺點(diǎn)，并不適合在實(shí) 驗(yàn)室條件下使用。中國專利公報(bào)公開了一種“基于微光學(xué)技術(shù)的大氣湍流光學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室模擬系 統(tǒng)”(申請(qǐng)?zhí)?00610112431. 2 ；公告號(hào)=CN 1912563A)。該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)隨機(jī)位相片的方法 模擬湍流波前，通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)隨機(jī)位相片轉(zhuǎn)動(dòng)的方法模擬大氣湍流對(duì)光波位相的動(dòng)態(tài) 調(diào)制效應(yīng)。該方法能夠模擬的波面分布種類有限，且模擬的波前具有顯著的周期性，與實(shí)際 的湍流波前差距較大。中國專利公報(bào)還公開了一種“具有時(shí)空連續(xù)性的TFT液晶湍流模擬器”(申請(qǐng)?zhí)?200610017114. 2 ；公告號(hào)CN 101126675A)。該模擬器采用液晶器件模擬湍流波前，由于受 制于液晶器件的局限性，調(diào)制深度低，響應(yīng)速度較慢，無法模擬瞬息萬變的湍流波前。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠精確、高速地模擬開放 大氣湍流條件下的波前起伏隨機(jī)過程，具有高調(diào)制深度、高響應(yīng)頻率特點(diǎn)的大氣湍流光波 前模擬系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)包括湍流波前求解模 擬系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)；所述的湍流波前求解模擬系統(tǒng)包括湍流功率 譜、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及隨機(jī)位相屏生成裝置；所述的實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系 統(tǒng)包括平行光源、隨機(jī)位相調(diào)制器件、波面傾斜調(diào)制器件及空間濾波器件；所述隨機(jī)位相屏 生成裝置根據(jù)湍流功率譜、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器提供的數(shù)據(jù)計(jì)算出所要模擬 的湍流波前的位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將計(jì)算的結(jié)果輸出至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)接 收的模擬湍流波前位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)，控制隨機(jī)位相調(diào)制器件實(shí)時(shí)將平 行光源輸出的平面光波調(diào)制為起伏光波面，控制波面傾斜調(diào)制器件實(shí)時(shí)調(diào)整隨機(jī)位相調(diào)制 器件輸出的起伏光波面的傾角；波面傾斜調(diào)制器件輸出的光波經(jīng)空間濾波器件濾除光路 中的雜散光后輸出模擬湍流光波前。所述的湍流功率譜根據(jù)空間波數(shù)κ和湍流外尺度Ltl生成折射率譜密度模型Φη， 并將其作為隨機(jī)位相屏生成裝置的輸入。
所述的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)Fried參數(shù)^、實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)的光學(xué)孔徑D 和風(fēng)速矢量K= (ν,I)，這些參數(shù)作為隨機(jī)位相屏生成裝置的輸入。偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成隨機(jī)位相(K，隨機(jī)位相小！^乍為隨機(jī)位相屏生成裝置的輸 入。所述的隨機(jī)位相屏生成裝置根據(jù)湍流功率譜提供的折射率譜密度模型φη、 氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫提供的Fried參數(shù)IV實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)的光學(xué)孔徑D，風(fēng)速矢量 I/= (v，l)及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器提供的隨機(jī)位相(K計(jì)算出所要模擬的湍流波前的位相空間分 布狀態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于對(duì)實(shí)際大氣湍流場(chǎng)的隨機(jī)過程和光學(xué)效應(yīng)的深入研究，根據(jù)湍流功率 譜、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)及偽隨機(jī)數(shù)，采用數(shù)學(xué)算法計(jì)算出隨機(jī)位相屏序列，生成湍流擾動(dòng)虛擬波 前，實(shí)現(xiàn)大氣湍流波前位相的精確求解；由控制系統(tǒng)根據(jù)隨機(jī)位相屏生成模塊的計(jì)算結(jié)果 控制隨機(jī)位相調(diào)制器件和波面傾斜調(diào)制器件對(duì)平行光源輸出的平面光波進(jìn)行調(diào)制，輸出湍 流擾動(dòng)實(shí)體波前，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)模擬，突破了外場(chǎng)試驗(yàn)固定場(chǎng)地與氣象因素的限制，為光學(xué)工 程試驗(yàn)研究提供了虛擬大氣湍流介質(zhì)，從而解決了長(zhǎng)期困擾工程界的大氣光學(xué)湍流實(shí)驗(yàn)室 逼真模擬問題，并最大限度地節(jié)省了人力、物力和財(cái)力資源耗費(fèi)。本發(fā)明能夠精確、高速地 模擬湍流波面的微小變化，具有高調(diào)制深度、高響應(yīng)頻率的特點(diǎn)，適用于各類大口徑光學(xué)成 像、激光通信等系統(tǒng)工程。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為隨機(jī)位相屏生成裝置104湍流波前求解軟件流程圖。圖3為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖4是啟用激光光源812時(shí)的平行光源光路示意圖。圖5是啟用白光點(diǎn)光源822時(shí)的平行光源光路示意圖。圖6是實(shí)施例1的實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)光路示意圖。圖7是實(shí)施例2的實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)光路示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)包括湍流波前求解模擬系統(tǒng)1，控 制系統(tǒng)2，實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)3 ；所述的湍流波前求解模擬系統(tǒng)1包括湍流功率譜101、 氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫102、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器103及隨機(jī)位相屏生成裝置104 ；所述的實(shí)體湍流波 前再現(xiàn)系統(tǒng)2包括平行光源301、隨機(jī)位相調(diào)制器件302、波面傾斜調(diào)制器件303及空間濾 波器件304 ；所述的隨機(jī)位相屏生成裝置104根據(jù)湍流功率譜101提供的折射率譜密度模 型Φη、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫102提供的Fried參數(shù)Γ(ι，實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)3的光學(xué)孔徑D， 風(fēng)速矢量K= (ν,I)及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器103提供的隨機(jī)位相(K計(jì)算出隨機(jī)位相屏序列，生 成湍流擾動(dòng)虛擬波前(即所要模擬的湍流波前的位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù))，并將計(jì)算的結(jié) 果輸出至控制系統(tǒng)2 ；控制系統(tǒng)2根據(jù)接收的模擬湍流波前位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)，控制隨機(jī)位相調(diào)制器件302將平行光源301輸出的平面光波調(diào)制為起伏光波面，控 制波面傾斜調(diào)制器件303調(diào)整隨機(jī)位相調(diào)制器件302輸出的起伏光波面的傾角，空間濾波 器件304濾除光路中的雜散光后輸出模擬湍流光波前。實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)3中采用了兩個(gè)電光調(diào)制器件(隨機(jī)位相調(diào)制器件302和 波面傾斜調(diào)制器件303)，二者需要控制系統(tǒng)2的控制信號(hào)才能實(shí)時(shí)有效地調(diào)制入射光波。所述湍流波前求解模擬系統(tǒng)1和控制系統(tǒng)2可以共用一臺(tái)普通的臺(tái)式計(jì)算機(jī)實(shí) 現(xiàn)，也可以分別各用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。所述湍流功率譜101和氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫102以數(shù)據(jù)的形式存在，可以存儲(chǔ)在計(jì)算 機(jī)的存儲(chǔ)器中；偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器103通過編程實(shí)現(xiàn)，在各種計(jì)算機(jī)語言(如C、C++、Matlab) 中，均有可以實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器功能的函數(shù)或程序。隨機(jī)位相屏生成裝置104也通過編 程實(shí)現(xiàn)。湍流功率譜、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)以及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器103生成的隨機(jī)位相(K作為隨 機(jī)位相屏生成裝置104的輸入，隨機(jī)位相屏生成裝置104根據(jù)湍流功率譜101、氣象參數(shù)數(shù) 據(jù)102和偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器103提供的初始條件，計(jì)算出所要模擬的湍流波前的位相空間分 布狀態(tài)數(shù)據(jù)。如圖2所示，所述的隨機(jī)位相屏序列生成過程包括如下具體步驟第一步引入一種典型的折射率譜密度模型Φη ；所述的模型包括l)Kolmogorov 模型Φηκ(κ ) = κ-1"32)指數(shù)模型
權(quán)利要求
一種大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，其特征在于包括湍流波前求解模擬系統(tǒng)(1)，控制系統(tǒng)(2)，實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)(3)；所述的湍流波前求解模擬系統(tǒng)(1)包括湍流功率譜(101)、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(102)、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(103)及隨機(jī)位相屏生成裝置(104)；所述的實(shí)體湍流波前再現(xiàn)系統(tǒng)(2)包括平行光源(301)、隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)、波面傾斜調(diào)制器件(303)及空間濾波器件(304)；所述隨機(jī)位相屏生成裝置(104)根據(jù)湍流功率譜(101)、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(102)及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(103)提供的數(shù)據(jù)計(jì)算出所要模擬的湍流波前的位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將計(jì)算的結(jié)果輸出至控制系統(tǒng)(2)；控制系統(tǒng)(2)根據(jù)接收的模擬湍流波前位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)，控制隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)實(shí)時(shí)將平行光源(301)輸出的平面光波調(diào)制為起伏光波面，控制波面傾斜調(diào)制器件(303)實(shí)時(shí)調(diào)整隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)輸出的起伏光波面的傾角；波面傾斜調(diào)制器件(303)輸出的光波經(jīng)空間濾波器件(304)濾除光路中的雜散光后輸出模擬湍流光波前。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)(2) 包括數(shù)據(jù)預(yù)處理裝置(201)，波面傾斜狀態(tài)采集裝置(202，波面傾斜調(diào)制裝置(203)，隨機(jī) 位相調(diào)制裝置(204)，輸出計(jì)時(shí)裝置(205)；所述數(shù)據(jù)預(yù)處理裝置(201)對(duì)隨機(jī)位相屏生成裝置(104)輸出的湍流波前的位相空間 分布狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)化為適合隨機(jī)位相調(diào)制器件運(yùn)行格式的起伏波前數(shù)據(jù)和 適合波面傾斜調(diào)制器件運(yùn)行格式的波面傾斜數(shù)據(jù)，并將起伏波前數(shù)據(jù)和波面傾斜數(shù)據(jù)分別 傳輸給隨機(jī)位相調(diào)制裝置(204)和波面傾斜調(diào)制裝置(203)；所述的波面傾斜狀態(tài)采集裝置(202)采集波面傾斜調(diào)制器件(303)的波面傾角反饋信 號(hào)，并將其輸出給波面傾斜調(diào)制裝置(203)；所述的波面傾斜調(diào)制裝置(203)根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理裝置(201)傳輸?shù)牟鎯A斜數(shù)據(jù)和波 面傾斜狀態(tài)采集裝置(202)傳輸?shù)牟鎯A角反饋信號(hào)輸出控制信號(hào)，控制波面傾斜調(diào)制器 件(303)實(shí)時(shí)調(diào)整隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)輸出的起伏光波面的傾角；所述的隨機(jī)位相調(diào)制裝置(204)根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理裝置(201)傳輸?shù)钠鸱ㄇ皵?shù)據(jù)輸出控制 信號(hào)，控制隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)實(shí)時(shí)將平行光源(301)輸出的平面光波調(diào)制為起伏光波面；所述的輸出計(jì)時(shí)裝置(205)內(nèi)含有一個(gè)計(jì)時(shí)器，用于計(jì)算波面傾斜調(diào)制器件(303)和 隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)對(duì)光波前進(jìn)行調(diào)制的持續(xù)時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，其特征在于平行光源(301) 包括激光光源(812)，擴(kuò)束鏡(811)，分束鏡(831)，白光點(diǎn)光源(822)，準(zhǔn)直鏡(821)；激光 光源(812)發(fā)射的激光光束經(jīng)擴(kuò)束鏡(811)擴(kuò)束后入射到分束鏡(831)，再經(jīng)分束鏡(831) 反射后入射到隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)；白光點(diǎn)光源(822)發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡(821)準(zhǔn) 直后入射到分束鏡831)，再經(jīng)分束鏡(831)透射后入射到隨機(jī)位相調(diào)制器件(302)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，其特征在于隨機(jī)位相調(diào)制器 件(302)采用反射式空間光調(diào)制器、薄膜變形反射鏡或者透射式空間光調(diào)制器與兩塊晶體 偏振片組成的空間光調(diào)制組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，其特征在于波面傾斜調(diào)制器 件(303)采用壓電陶瓷致動(dòng)的偏轉(zhuǎn)反射鏡或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，其特征在于空間濾波器件 (304)采用可調(diào)整式孔徑光闌。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大氣湍流光波前模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的隨機(jī)位相屏生成裝置根據(jù)湍流功率譜、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫及偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器提供的數(shù)據(jù)計(jì)算出所要模擬的湍流波前的位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將計(jì)算的結(jié)果輸出至控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)接收的模擬湍流波前位相空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)，控制隨機(jī)位相調(diào)制器件實(shí)時(shí)將平行光源輸出的平面光波調(diào)制為起伏光波面，控制波面傾斜調(diào)制器件實(shí)時(shí)調(diào)整隨機(jī)位相調(diào)制器件輸出的起伏光波面的傾角；波面傾斜調(diào)制器件輸出的光波經(jīng)空間濾波器件濾除光路中的雜散光后輸出模擬湍流光波前。本發(fā)明能夠精確、高速地模擬湍流波面的微小變化，具有高調(diào)制深度、高響應(yīng)頻率的特點(diǎn)，適用于各類大口徑光學(xué)成像、激光通信等系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01M9/08GK101949765SQ20101027375
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者孫敬建, 王剛, 許博謙 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所