基于SLM的大气湍流模拟系统

概述

大气湍流是大气的一种重要运动形式，是影响空间光通信，天文望远镜成像的重要因素。大气湍流在时间和空间上产生随机起伏变化，进而使得光学波面的相位发生变化，引起光束发生漂移，闪烁，扩展等现象，严重了降低了成像质量和通信传输质量。

光斑漂移 光斑扩展 光强闪烁

大气湍流的成因极其复杂，目前仍未有一套理论能够对其精确描述，现有的理论均是建立在统计分析的基础上进行的。目前，激光大气湍流理论与实验数据处理方法大多都是建立在Kolmogorov湍流理论下进行的。

随着湍流理论的逐步发展，模拟大气湍流的装置系统也逐步开始发展。湍流模拟装置由传统的水/酒精介质的湍流池，空气介质的湍流箱等向旋转相位板，空间光调制器模拟等方向发展。

基于SLM的大气湍流模拟系统主要采用数值模拟方法生成相位屏，利用SLM的相位调制能力，使入射光束产生相位畸变，从而达到实验室模拟大气湍流的效果。

SLM模拟大气湍流原理

基于SLM的大气湍流模拟系统主要由相位屏算法和湍流模拟模块组成，其中相位屏算法主要是计算及加载相位屏的大气湍流模拟算法；湍流模拟模块主要是基于SLM的光学设计及采集系统。

系统采用数值模拟方法生成相位屏并将其加载到调制器上，利用SLM的相位调制能力，使入射光束产生相位畸变，从而达到实验室模拟大气湍流的效果。

系统原理图如下：

基于SLM的大气湍流模拟系统原理图

大气湍流系统产品

大气湍流是一种随机形状和大小的涡旋。在光学领域中指大气中局部温度、压强的随机变化而带来的折射率随机变化，由于温度、压强等不确定因素的变化和影响，导致湍流的变化情况很难被及时掌握。

基于SLM的大气湍流模拟系统主要由相位屏算法软件和湍流模拟模块组成，其中相位屏算法软件主要是计算生成大气湍流相位屏；湍流模拟模块主要是基于SLM的光学传输及采集系统。

系统采用数值模拟的方法生成相位屏并将其加载到调制器上，利用SLM的相位调制能力，使入射光束产生相位畸变，从而达到实验室模拟大气湍流的效果。

大气湍流模拟系统

系统配套软件

系统功能

基于空间光调制器实现大气湍流环境的模拟效果；

基于Kolmogorov湍流统计理论和功率谱密度法实现大气湍流相位图的计算，其中功率谱密度法的次谐波阶数可供调节；

软件可实时调整相位屏参数（如相位屏网格数、相位屏单位大小等）、大气湍流参数（如大气相干长度、内尺度、外尺度等）、光束传输参数，如波长、束腰半径、传播距离等）；

测试效果

中弱湍流条件下模拟传播距离1km时的测试效果：

大气湍流模拟效果图

给调制器加载相位图，并调制显示；显示相位图，图片/文件夹可导入、保存。

测试如下图中所示，本系统可模拟1km下的中强湍流和中弱的大气湍流效果，如下图所示，仿真效果和实测效果基本接近，说明本系统可很好的对大气湍流光波进行模拟。

仿真及测试结果

此外，本系统还可扩展进行双SLM，SLM结合相位板下的大气湍流仿真、模拟测试。

应用领域

可应用于天文高分辨率成像系统，激光通信系统，自适应光学系统，轨迹跟踪等。

审核编辑 黄宇