一種基于逆用自適應技術(shù)的大氣湍流模擬系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于逆用自適應技術(shù)的大氣湍流模擬系統(tǒng)，適用于研究實際大氣 對光波面和偏振保持嚴格要求的相干激光通信鏈路的影響。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于星地激光通信終端的主要技術(shù)指標和運行性能不可能在衛(wèi)星升空后才在衛(wèi) 星和地面之間進行檢測和驗證，因此必須事先在地面實驗室條件下進行大氣信道傳輸?shù)哪?擬檢驗，要實現(xiàn)這一地面檢測的關(guān)鍵技術(shù)在于在地面檢測驗證平臺的光路中產(chǎn)生可以模擬 星地傳輸?shù)耐牧鳝h(huán)境。大氣湍流的室內(nèi)試驗平臺模擬可以為星地激光通信系統(tǒng)提供可靠的 大氣信道環(huán)境。
[0003]因此，室內(nèi)大氣端流t旲擬系統(tǒng)，可以極大的提尚測試的時效性，提尚測試效率，和 測試結(jié)果的可靠性、可驗證性。
[0004] 目前可用于實驗平臺的湍流產(chǎn)生技術(shù)主要有兩大類。一是實景模擬技術(shù):利用熱 和風造成一段空氣折射率的隨機漲落，以使激光通過該段空氣時產(chǎn)生激光波前相位的隨機 起伏;二是主動控制相位調(diào)制器件:如變形鏡，液晶，物理相位屏等。通過直接改變激光的波 前相位，造成湍流效應。目前，國內(nèi)外在兩種模擬技術(shù)方面的研究均有系列報道。
[0005] 與上述方法相關(guān)的論文或?qū)＠夹g(shù)有：
[0006] (1)論文，中國科學院安徽光學精密機械研究所，大氣湍流模擬裝置性能測試，大 氣與環(huán)境光學學報，2011年，03-0231-04
[0007] 如圖1，本文以空氣為介質(zhì)，通過在大氣湍流池的池底平板設加熱面板，池頂平板 設水冷面板，池體兩端為通光孔。當加熱面板溫度均勻上升，水冷板均與冷卻，當平行板間 溫度差達到一定"閾值"時，池內(nèi)的空間產(chǎn)生對流，即形成湍流。
[0008] (2)安徽光機所，湍流池湍流特性研究，力學學報，2000年，32(3): 257-263
[0009] 介質(zhì)為離子水，用油對其底部進行二次加熱，上表面利用循環(huán)水進行冷卻。溫差由 自動控制系統(tǒng)控制，湍流發(fā)展穩(wěn)定后的溫差起伏范圍約為〇.5°C，通過調(diào)節(jié)溫差來是吸納對 湍流強度的調(diào)整。該裝置利用二次加熱和制冷技術(shù)，解決了湍流慣性區(qū)較窄的問題。
[0010]該裝置需要二次加熱和制冷，設備結(jié)構(gòu)復雜，且控制難度大。
[0011] (3)GAN Xin-ji,GU0 Jin.Research of laser scintillation effect based on physical simulation turbulent system[J].Proceeding of Spie，2011，8192(8): 81923W-1-81923W-9
[0012] 采用基于Kolmogorov光譜設計的兩個物理相位屏搭建端流模擬系統(tǒng)。模擬的端流 具有周期性，與實際湍流特性不否。
[0013] (4)JAMES D PhillipsjMATTHEff E Gouda1JASON Schmidt.Atmospheric turbulence simulation using liquid crystal spatial light modulators, Proceedings of SPIE,2005,5894(8):589406-1-589406-1I.
[0014]美國的Phillips開展了采用兩個LC-SLM，模擬正常強度的湍流、弱湍流和強湍流， 在不同的湍流強度下，概率分布函數(shù)的誤差依次為2.2%、36.4%、30%，誤差在強、弱湍流 時較大，試驗成果具有研究價值。
[00? 5]但是，該裝置要求LC-SLM有足夠的動態(tài)范圍來處理衍射相位的錯位，且液晶空間 光調(diào)制器，存在相位翻轉(zhuǎn)的問題，對入射波束的偏振特性有要求。
[0016] ( 5 ) CHRISTOPHER C Wilcox.A Method of Generating Atmospherics Turbulence with a Liquid Crystal Spatial Light Modulator[J].Proceedings of SPIC,2005,7816(8):78160e-1-78160e-9
[0017] 2011年，美國海軍研究實驗室、遠程傳感器部門以及自由空間光通信等部門采用 LC 一 SLM，完成了對短紅外波長大氣模擬。并且驗證了大氣湍流相位屏的生成、測量和驗證 點擴散函數(shù)和干涉條紋，得出了LC. SLM在低空間頻率生成的大氣湍流相位屏與理論值相 符，而在高空間頻率的生成效果有很大的誤差。
[0018] (6)宗飛，趙軍衛(wèi)，李巖，強希文.受迫對流式大氣湍流模擬器：中國，201503343， 2010-06-09。圖 2所示。
[0019] 尺寸：1500X800X300mm3
[0020] 工作溫度：25~50 Γ
[0021] 風速：0· 1~2.0m/s
[0022] 額定功率：16kW
[0023] 額定電源：380V/50Hz
[0024] 大氣湍流強度的范圍，湍流內(nèi)尺度的范圍在2.0-4.5mm，大氣相干長度的范圍為 2·0-12·0cm。
[0025] 但上述已有系統(tǒng)存在的缺點主要體現(xiàn)在：（1)實景模擬技術(shù)是利用加熱裝置和吹 風裝置人為地在一部分光路上產(chǎn)生溫度梯度場以模擬大氣湍流，其原理基于自然界湍流產(chǎn) 生的真實條件，該技術(shù)原理簡單，裝置簡易，成本較低，但湍流產(chǎn)生隨機性太大，無法人為控 制產(chǎn)生出合理的湍流環(huán)境參數(shù)，所產(chǎn)生的湍流譜不易于與理論湍流譜擬合在一起，很難獲 得低空間頻率成分，實驗重復性差，且模擬裝置中產(chǎn)生的散熱容易對光路中其他的鍍膜光 學元件有不利影響。（2)傳統(tǒng)變形鏡其制作復雜、體積較大、價格昂貴、可控單元數(shù)量較少、 分辨率不高限制了其在高分辨率情況下的使用。（3)液晶像素密度較高時會產(chǎn)生響應滯后 的現(xiàn)象，無法滿足星地激光通信系統(tǒng)地面檢測光路的要求。且液晶對偏振態(tài)有要求，限制了 使用范圍。盡管模擬湍流波面有很好的空間相關(guān)性，但相鄰波面之間缺少時間相關(guān)性；（4) 相位屏是物理刻蝕技術(shù)，對不同的波長需要不同的刻蝕，不能用于同時多波長湍流模擬系 統(tǒng)。且相位屏刻蝕深度有限，模擬湍流范圍有限。
[0026] 地面實驗室湍流模擬已有常規(guī)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，但是實際星地激光通信中通信光 束波長不一;且若為相干通信，即要求湍流模擬方法本身不能對光偏振特性有改變。因此， 湍流模擬系統(tǒng)需要滿足適應多種波長、偏振保持，體積小的要求，上述方法都不能夠采用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于逆用自適應 技術(shù)的大氣湍流模擬系統(tǒng)及方法，該湍流模擬系統(tǒng)對星地激光通信終端沒有要求，具有適 應多種波長、偏振保持，體積小的特點。解決以下三方面的技術(shù)難題：
[0028] 1)能夠同時模擬不同波長下，大氣湍流對波束的影響；
[0029] 2)不改變相干激光通信入射光束的偏振特性；
[0030] 3)可控、可再現(xiàn)大氣湍流產(chǎn)生。
[0031] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0032] -種基于逆用自適應技術(shù)的大氣湍流模擬系統(tǒng)，包括波前擾動模塊、波前探測模