专利名称：大气湍流光波前模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在实验室条件下，能够精确模拟大气湍流扰动引起的光波前位相 随机分布的大气湍流光波前模拟系统。
背景技术：
在外场长距离光成像、光传输系统的研制和应用中，大气湍流扰动引起的信号质 量下降是限制系统性能发挥的主要技术瓶颈，如何在实验室条件下建立能精确再现大气湍 流、与自适应校正系统测试验证紧密结合的模拟设备业已成为天文、航空甚至航天大口径 光学系统及激光通信系统研制水平提升亟待解决的关键所在。传统的湍流模拟方法包括热 空气法、折射率/温度梯度法，存在可操作性较差、不具有可重复性等缺点，并不适合在实 验室条件下使用。中国专利公报公开了一种“基于微光学技术的大气湍流光学效应实验室模拟系 统”(申请号200610112431. 2 ；公告号=CN 1912563A)。该系统采用旋转随机位相片的方法 模拟湍流波前，通过传动装置带动随机位相片转动的方法模拟大气湍流对光波位相的动态 调制效应。该方法能够模拟的波面分布种类有限，且模拟的波前具有显著的周期性，与实际 的湍流波前差距较大。中国专利公报还公开了一种“具有时空连续性的TFT液晶湍流模拟器”(申请号 200610017114. 2 ；公告号CN 101126675A)。该模拟器采用液晶器件模拟湍流波前，由于受 制于液晶器件的局限性，调制深度低，响应速度较慢，无法模拟瞬息万变的湍流波前。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在实验室条件下能够精确、高速地模拟开放 大气湍流条件下的波前起伏随机过程，具有高调制深度、高响应频率特点的大气湍流光波 前模拟系统。为了解决上述技术问题，本发明的大气湍流光波前模拟系统包括湍流波前求解模 拟系统，控制系统，实体湍流波前再现系统；所述的湍流波前求解模拟系统包括湍流功率 谱、气象参数数据库、伪随机数发生器及随机位相屏生成装置；所述的实体湍流波前再现系 统包括平行光源、随机位相调制器件、波面倾斜调制器件及空间滤波器件；所述随机位相屏 生成装置根据湍流功率谱、气象参数数据库及伪随机数发生器提供的数据计算出所要模拟 的湍流波前的位相空间分布状态数据，并将计算的结果输出至控制系统；控制系统根据接 收的模拟湍流波前位相空间分布状态数据输出控制信号，控制随机位相调制器件实时将平 行光源输出的平面光波调制为起伏光波面，控制波面倾斜调制器件实时调整随机位相调制 器件输出的起伏光波面的倾角；波面倾斜调制器件输出的光波经空间滤波器件滤除光路 中的杂散光后输出模拟湍流光波前。所述的湍流功率谱根据空间波数κ和湍流外尺度Ltl生成折射率谱密度模型Φη， 并将其作为随机位相屏生成装置的输入。
所述的气象参数数据库存储Fried参数^、实体湍流波前再现系统的光学孔径D 和风速矢量K= (ν,I)，这些参数作为随机位相屏生成装置的输入。伪随机数发生器生成随机位相(K，随机位相小！^乍为随机位相屏生成装置的输 入。所述的随机位相屏生成装置根据湍流功率谱提供的折射率谱密度模型φη、 气象参数数据库提供的Fried参数IV实体湍流波前再现系统的光学孔径D，风速矢量 I/= (v，l)及伪随机数发生器提供的随机位相(K计算出所要模拟的湍流波前的位相空间分 布状态数据。本发明基于对实际大气湍流场的随机过程和光学效应的深入研究，根据湍流功率 谱、气象参数数据及伪随机数，采用数学算法计算出随机位相屏序列，生成湍流扰动虚拟波 前，实现大气湍流波前位相的精确求解；由控制系统根据随机位相屏生成模块的计算结果 控制随机位相调制器件和波面倾斜调制器件对平行光源输出的平面光波进行调制，输出湍 流扰动实体波前，实现了动态模拟，突破了外场试验固定场地与气象因素的限制，为光学工 程试验研究提供了虚拟大气湍流介质，从而解决了长期困扰工程界的大气光学湍流实验室 逼真模拟问题，并最大限度地节省了人力、物力和财力资源耗费。本发明能够精确、高速地 模拟湍流波面的微小变化，具有高调制深度、高响应频率的特点，适用于各类大口径光学成 像、激光通信等系统工程。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1为本发明的大气湍流光波前模拟系统的结构框图。图2为随机位相屏生成装置104湍流波前求解软件流程图。图3为控制系统结构框图。图4是启用激光光源812时的平行光源光路示意图。图5是启用白光点光源822时的平行光源光路示意图。图6是实施例1的实体湍流波前再现系统光路示意图。图7是实施例2的实体湍流波前再现系统光路示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的大气湍流光波前模拟系统包括湍流波前求解模拟系统1，控 制系统2，实体湍流波前再现系统3 ；所述的湍流波前求解模拟系统1包括湍流功率谱101、 气象参数数据库102、伪随机数发生器103及随机位相屏生成装置104 ；所述的实体湍流波 前再现系统2包括平行光源301、随机位相调制器件302、波面倾斜调制器件303及空间滤 波器件304 ；所述的随机位相屏生成装置104根据湍流功率谱101提供的折射率谱密度模 型Φη、气象参数数据库102提供的Fried参数Γ(ι，实体湍流波前再现系统3的光学孔径D， 风速矢量K= (ν,I)及伪随机数发生器103提供的随机位相(K计算出随机位相屏序列，生 成湍流扰动虚拟波前(即所要模拟的湍流波前的位相空间分布状态数据)，并将计算的结 果输出至控制系统2 ；控制系统2根据接收的模拟湍流波前位相空间分布状态数据输出控制信号，控制随机位相调制器件302将平行光源301输出的平面光波调制为起伏光波面，控 制波面倾斜调制器件303调整随机位相调制器件302输出的起伏光波面的倾角，空间滤波 器件304滤除光路中的杂散光后输出模拟湍流光波前。实体湍流波前再现系统3中采用了两个电光调制器件(随机位相调制器件302和 波面倾斜调制器件303)，二者需要控制系统2的控制信号才能实时有效地调制入射光波。所述湍流波前求解模拟系统1和控制系统2可以共用一台普通的台式计算机实 现，也可以分别各用一台计算机实现。所述湍流功率谱101和气象参数数据库102以数据的形式存在，可以存储在计算 机的存储器中；伪随机数发生器103通过编程实现，在各种计算机语言(如C、C++、Matlab) 中，均有可以实现伪随机数发生器功能的函数或程序。随机位相屏生成装置104也通过编 程实现。湍流功率谱、气象参数数据以及伪随机数发生器103生成的随机位相(K作为随 机位相屏生成装置104的输入，随机位相屏生成装置104根据湍流功率谱101、气象参数数 据102和伪随机数发生器103提供的初始条件，计算出所要模拟的湍流波前的位相空间分 布状态数据。如图2所示，所述的随机位相屏序列生成过程包括如下具体步骤第一步引入一种典型的折射率谱密度模型Φη ；所述的模型包括l)Kolmogorov 模型Φηκ(κ ) = κ-1"32)指数模型
权利要求
一种大气湍流光波前模拟系统，其特征在于包括湍流波前求解模拟系统(1)，控制系统(2)，实体湍流波前再现系统(3)；所述的湍流波前求解模拟系统(1)包括湍流功率谱(101)、气象参数数据库(102)、伪随机数发生器(103)及随机位相屏生成装置(104)；所述的实体湍流波前再现系统(2)包括平行光源(301)、随机位相调制器件(302)、波面倾斜调制器件(303)及空间滤波器件(304)；所述随机位相屏生成装置(104)根据湍流功率谱(101)、气象参数数据库(102)及伪随机数发生器(103)提供的数据计算出所要模拟的湍流波前的位相空间分布状态数据，并将计算的结果输出至控制系统(2)；控制系统(2)根据接收的模拟湍流波前位相空间分布状态数据输出控制信号，控制随机位相调制器件(302)实时将平行光源(301)输出的平面光波调制为起伏光波面，控制波面倾斜调制器件(303)实时调整随机位相调制器件(302)输出的起伏光波面的倾角；波面倾斜调制器件(303)输出的光波经空间滤波器件(304)滤除光路中的杂散光后输出模拟湍流光波前。
2.根据权利要求1所述的大气湍流光波前模拟系统，其特征在于所述的控制系统(2) 包括数据预处理装置(201)，波面倾斜状态采集装置(202，波面倾斜调制装置(203)，随机 位相调制装置(204)，输出计时装置(205)；所述数据预处理装置(201)对随机位相屏生成装置(104)输出的湍流波前的位相空间 分布状态数据进行预处理，将其转化为适合随机位相调制器件运行格式的起伏波前数据和 适合波面倾斜调制器件运行格式的波面倾斜数据，并将起伏波前数据和波面倾斜数据分别 传输给随机位相调制装置(204)和波面倾斜调制装置(203)；所述的波面倾斜状态采集装置(202)采集波面倾斜调制器件(303)的波面倾角反馈信 号，并将其输出给波面倾斜调制装置(203)；所述的波面倾斜调制装置(203)根据数据预处理装置(201)传输的波面倾斜数据和波 面倾斜状态采集装置(202)传输的波面倾角反馈信号输出控制信号，控制波面倾斜调制器 件(303)实时调整随机位相调制器件(302)输出的起伏光波面的倾角；所述的随机位相调制装置(204)根据数据预处理装置(201)传输的起伏波前数据输出控制 信号，控制随机位相调制器件(302)实时将平行光源(301)输出的平面光波调制为起伏光波面；所述的输出计时装置(205)内含有一个计时器，用于计算波面倾斜调制器件(303)和 随机位相调制器件(302)对光波前进行调制的持续时间。
3.根据权利要求1或2所述的大气湍流光波前模拟系统，其特征在于平行光源(301) 包括激光光源(812)，扩束镜(811)，分束镜(831)，白光点光源(822)，准直镜(821)；激光 光源(812)发射的激光光束经扩束镜(811)扩束后入射到分束镜(831)，再经分束镜(831) 反射后入射到随机位相调制器件(302)；白光点光源(822)发出的光线经准直镜(821)准 直后入射到分束镜831)，再经分束镜(831)透射后入射到随机位相调制器件(302)。
4.根据权利要求1或2所述的大气湍流光波前模拟系统，其特征在于随机位相调制器 件(302)采用反射式空间光调制器、薄膜变形反射镜或者透射式空间光调制器与两块晶体 偏振片组成的空间光调制组件。
5.根据权利要求1或2所述的大气湍流光波前模拟系统，其特征在于波面倾斜调制器 件(303)采用压电陶瓷致动的偏转反射镜或电机驱动的偏转反射镜。
6.根据权利要求1或2所述的大气湍流光波前模拟系统，其特征在于空间滤波器件 (304)采用可调整式孔径光阑。
全文摘要
本发明涉及一种大气湍流光波前模拟系统，该系统的随机位相屏生成装置根据湍流功率谱、气象参数数据库及伪随机数发生器提供的数据计算出所要模拟的湍流波前的位相空间分布状态数据，并将计算的结果输出至控制系统；控制系统根据接收的模拟湍流波前位相空间分布状态数据输出控制信号，控制随机位相调制器件实时将平行光源输出的平面光波调制为起伏光波面，控制波面倾斜调制器件实时调整随机位相调制器件输出的起伏光波面的倾角；波面倾斜调制器件输出的光波经空间滤波器件滤除光路中的杂散光后输出模拟湍流光波前。本发明能够精确、高速地模拟湍流波面的微小变化，具有高调制深度、高响应频率的特点，适用于各类大口径光学成像、激光通信等系统。
文档编号G01M9/08GK101949765SQ20101027375
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者孙敬建, 王刚, 许博谦 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所