CN113959983A

CN113959983A - 一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置

Info

Publication number: CN113959983A
Application number: CN202111253801.5A
Authority: CN
Inventors: 孙全; 宁禹; 习锋杰; 许晓军
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明公开了一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置包括激光器、探测器以及若干反射镜，还包括平移机构和相位屏，每个相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，各相位屏独立地由平移机构控制，在垂直于激光光束的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。本发明提供的技术方案利用微加工技术刻蚀的玻璃板制作相位屏并通过平移机构控制以实现激光大气传输的动态模拟，解决了现有技术中面临的仪器昂贵、装置复杂、分辨率低以及光衰减严重不宜传输强光的诸多问题。

Description

一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置

技术领域

本发明涉及大气湍流光学模拟实验领域，尤其涉及一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置。

背景技术

大气湍流是大气的一种不规则随机运动，由各种尺度的旋涡连续分布叠加而成。湍流上每一点的压强、速度、温度等物理特性随机涨落，使光束在大气传输过程中的波阵面发生畸变，引起光束展宽、抖动和弯折，光束变得不稳定，对光通讯、天文观测等领域具有重要影响。目前对于激光在大气湍流中传输特性的研究成果主要集中在理论分析、数值模拟和实验测量。对于实验测量，通常需要在野外进行，通过光束在大气中的长距离传输获取相应的数据。由于野外实验极易受大气环境的影响，实验结果缺乏可重复性，难以评价实验设备和实验数据。因此，实验室内用于模拟长距离激光大气湍流传输特性的装置具有重要的价值。

现有技术中，中国专利CN 201710735764.9公开了一种基于空间光调制器的大气湍流模拟器，该模拟器通过可编程的两个空间光调制器实现大气条件变化条件下的激光大气湍流传输特性的模拟，且可实现光束传播通道长度的变化。然而，该方案采用的透射型空间光调制器对光束具有较强的吸收，使得模拟的光束传播通道长度十分有限，且由于空间光调制器的调制分辨率的限制，无法模拟大像差的湍流。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，利用微加工刻蚀的非均匀相位屏以及电控平移机构，解决现有技术中以空间光调制器模拟激光大气相位畸变的光衰减和像差分辨率低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置用于缩比实验模拟激光在大气湍流中的传输，包括激光器、探测器以及若干反射镜，激光从激光器发射，经若干反射镜到达探测器，形成闭合自由空间光路。该装置还包括平移结构和多个相位屏，所述多个相位屏沿所述光路依次设置使所述激光依次正入射各所述相位屏，每一个所述相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，每一个所述相位屏独立地由所述平移机构控制在垂直于入射激光的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。

优选地，所述平移机构包括多个电控平移台、一个电控柜以及一个处理器，一个所述电控平移台上固定设置一个所述相位屏，所述处理器经过电控柜控制各所述电控平移台带动各所述相位屏进行平动。

具体地，每个电控平移台包括至少两个轴线相互垂直的一维平移台，所述一维平移台包括电机、滚珠丝杆模组以及连接部件。

进一步地，所述相位屏由玻璃平板制成，所述相位屏表面由微加工工艺刻蚀形成。

优选地，所述相位屏为规则二维平面形状，相位屏尺寸为该平面形状的最大宽度，所述相位屏尺寸范围设置在30cm-60cm。

优选地，所述激光器包括扩束准直元件，使激光出射口径为所述相位屏尺寸的1％-10％。

优选地，当模拟场景为水平传输时，各所述相位屏沿所述光路等间隔设置；当模拟场景为斜程传输时，各所述相位屏沿所述光路非等间隔设置。

本发明提供的技术方案带来如下有益效果：

(1)通过电控平移台独立控制各相位屏平动，以机械的方式实现激光大气湍流传输特性的动态模拟，降低系统成本，提高系统运行稳定性，解决了空间光调制器带来的严重光衰减问题，能够模拟强光条件下的大气湍流传输特性。

(2)采用微加工技术刻蚀的玻璃平板作为相位屏，提高了大气湍流的像差分辨率。

(3)采用多相位屏组合系统，消除了现有技术空间光调制器的有限像差影响，提高模拟的传输距离。

(4)利用具有不同湍流强度的相位屏组合，模拟不同传输方向上的激光大气湍流传输特性，获取更多传输场景下的模拟数据。

附图说明

图1是本发明实施例一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置平面结构示意图；

图2是本发明实施例一种平移机构立体结构示意图；

图3是本发明一个实施例的电控平移台结构示意图；

图4是本发明实施例二的一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置平面结构示意图；

图5是本发明一个实施例的折射率结构函数高度分布图；

图6是本发明一个实施例斜程模拟区域划分示意图；

图中各标号表示：

1、激光器；2、激光光束；3、探测器；4、反射镜；51、电控平移台；52、处理器；53、电控柜；6、相位屏；7、一维平移台；8、外场激光器；9、水平方向。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

实施例一

本发明提供一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置用于缩比实验模拟激光在大气湍流中的传输，包括激光器1、探测器3以及若干反射镜4，请参阅图1和图2，由图可知，激光从激光器1发射，经若干反射镜4到达探测器3，形成了一个闭合自由空间光路。特别地，该装置还包括平移结构和多个相位屏6，在本发明一个实施例中，使用10个相位屏6，沿光路依次设置使激光依次正入射各相位屏6。为了使透射相位屏6的激光光束2产生符合大气湍流特征的波前畸变，每一个相位屏6的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，在本发明的一个实施例中，相位屏6由玻璃平板制成，高低起伏的表面分布选择使用微加工工艺刻蚀，分辨率可做到百纳米量级。另外，在本发明的实施例中，每一个相位屏6独立地由平移机构控制，在垂直于入射激光的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。

特别地，在本发明的一个实施例中，平移机构包括一个电控柜53、一个处理器52和多个电控平移台51，每个电控平移台51上固定设置一个相位屏6，处理器52经过电控柜53控制各电控平移台51带动各相位屏6进行平动。

请参阅图3，图3是本发明一个实施例的电控平移台51结构示意图，由图可知，在本发明实施例中，每个电控平移台51包括两个轴线相互垂直的一维平移台7，在其他实施例中，每个电控平移台51可包括三个或者更多的一维平移台7。该一维平移台7包括电机、滚珠丝杆模组以及其他连接部件。

优选地，相位屏6为规则二维平面形状，相位屏尺寸为该平面形状的最大宽度，所述相位屏尺寸范围设置在30cm-60cm。为了使相位屏6的平移有足够的变化空间，激光出射口径应尽量小。在相位屏6的纳米级别的刻蚀精度条件下，为了保证足够的模拟分辨率，激光出射口径应尽量大。两相权衡，激光器1包括扩束准直元件，使激光出射口径为所述相位屏尺寸的1％-10％。

在本发明一个实施例中，相位屏6选用边长尺寸为30cm的正方形平板，激光出射口径为3cm，对应模拟真实大气场景中的激光发射口径为3m，能模拟的大气外尺寸在几米到几十米之间。在保证到靶光斑与发射口径之比一致的情况下，根据等比缩放效应公式：

其中，λ是激光的真空波长，L是激光的真空等效传输距离，D是激光光束发射口径，脚标0和i分别表示实验室模拟场景和外场实际场景。由此，本发明实施例装置中的激光传输距离与模拟的大气中传输距离比为1:10000，在其他实施例中，该比值可以为1:10⁶或者更大。

优选地，探测器3选用响应波长范围与激光器1波长一致的CCD相机，可以直接测量到靶光斑的强度分布。

电机选用雷赛57HSS，滚珠丝杆模组选用TICO的ATH8-150-BC-P40，激光器1选用1064nm，探测器3选用Cobra2000近红外InGeAs相机。

为了便于实验调试和测量，本发明实施例将两块反射镜4使激光光束2入射角度45度的位置摆放，并调试光路，使激光光束2穿过相位屏6中心正入射至每一个相位屏6。

在本发明一个实施例中，该模拟装置尺寸置于3个光学平台上，每个光学平台水平尺寸为3×2m²,各相位屏6沿光路以0.6m距离进行等间隔设置，可使光路传输距离达10m。

实施例二

请参阅图4，在本发明的一个实施例基础上，将实施例一的探测器3位置设置两块反射镜4，使激光光束2平行反射回去，将探测器3移到激光器1近端进行探测，则光路传输距离扩展至20m。

以模拟激光大气传输距离10000m的外场试验为例，本发明提供的技术方案可设置相位屏6以分别模拟水平传输和斜程传输两种情况的激光大气湍流。利用光学系统仿真软件Seelight构建大气湍流相位屏6。特别地，在实验室模拟激光的大气传输时，将大气传输路径划分成若干个区域，激光光束在各区域传输中引起的波前畸变，用一块相位屏6来模拟，该相位屏6对应的波前起伏可由该段大气湍流的折射率变化分布积分计算。

其中，φ_i为第i段区域大气湍流对激光波前的影响，L_i为第i区域的激光传输距离，Δn_i为第i段大气湍流的折射率变化函数，该函数与大气湍流空间折射率结构函数

成正比。

实施例三

假设水平传输的激光光路上各处湍流强度相同的中等湍流，其大气湍流空间折射率结构函数均值为

假设激光波长选用1064nm，每块相位屏6对应的传输距离为1000m，用激光在湍流中的相干长度替代描述湍流的强弱，相位屏6对应相干长度r₀＝19.9cm@1064nm，该装置模拟的全程相干长度R₀＝5.0cm@1064nm。

当要模拟5km距离的激光传输，在中等湍流的假设条件下，只需使用5块相位屏6。若湍流强度和传输距离均发生变化，可通过设计不同强度的相位屏6，并设置相应的相位屏6的个数及间隔来实现。

实施例四

斜程传输时，大气湍流强度随高度发生变化，若保持相位屏6的等间隔设置，每个相位屏6对应模拟的激光相干长度也发生变化。为了模拟斜程传输的激光大气湍流，根据传输距离和对应传输距离的湍流强度，可以推算出相位屏6数量和位置。本发明实施例四计算了10块相位屏6对应的激光相干长度r₀@1064nm，其值分别为120cm、95cm、76cm、61cm、48cm、36cm、27.3cm、19.9cm、13.6cm和10cm。

针对外场试验的具体方案可以灵活选择实验室装置的相位屏6的个数、强度分布及相位屏6之间的间隔。具体的，以大气折射率结构函数的HV57模型为例，请参阅附图5，如图所示，不同区域的折射率结构函数

分布不同，将斜程30度发射的传输距离为10000m的激光路径划分为156m、188m、656m、1617m、2856m、2177m和2650m共七段子路径，每段子路径上按照

分布计算得到的r₀值分别为13.6cm、19.9cm、27.3cm、36cm、48cm、95cm和120cm。

请参阅附图6，图6为本发明实施例斜程模拟区域划分示意图，外场激光器8发射的激光光束与水平方向9呈30度夹角向大气传输，选用对应的七块相位屏6按顺序排列在实验室激光光路上，假设实验室与外场激光的真空波长比值为1:5，光束口径比为1:100，实验平台上的传输距离为20m，则各块相位屏6对应的摆放位置间隔分别为0.312m、0.376m、1.312m、3.234m、5.712m、4.354m和5.3m。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置用于实验模拟激光在大气湍流中的传输，包括激光器、探测器以及若干反射镜，激光光束从激光器发射，经若干反射镜到达探测器，形成闭合自由空间光路，其特征在于，该装置还包括平移机构和若干相位屏，所述若干相位屏沿所述光路依次设置使所述激光光束依次正入射各所述相位屏，每一个所述相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，每一个所述相位屏独立地由所述平移机构控制，在垂直于入射激光光束的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述平移机构包括若干电控平移台、一个电控柜以及一个处理器，每个所述电控平移台上设置一个所述相位屏，所述处理器经电控柜控制各所述电控平移台带动各所述相位屏平动。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，每个所述电控平移台包括至少两个一维平移台，所述一维平移台的轴线相互垂直，所述一维平移台包括电机、滚珠丝杆模组以及连接部件。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述相位屏由玻璃制成，所述相位屏表面由微加工工艺刻蚀。

5.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述相位屏为规则二维平面形状，相位屏尺寸为该平面形状的最大宽度，所述相位屏尺寸范围设置在30cm-60cm。

6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，所述激光器包括扩束准直元件，使激光出射口径为所述相位屏尺寸的1％-10％。

7.根据权利要求1-6其中任意一项权利要求所述的模拟装置，其特征在于，当模拟场景为水平传输时，各所述相位屏沿所述光路等间隔设置；当模拟场景为斜程传输时，各所述相位屏沿所述光路非等间隔设置。