概述

大氣湍流是大氣的一種重要運動形式，是影響空間光通信，天文望遠鏡成像的重要因素。大氣湍流在時間和空間上產生隨機起伏變化，進而使得光學波面的相位發生變化，引起光束發生漂移，閃爍，擴展等現象，嚴重了降低了成像質量和通信傳輸質量。

光斑漂移 光斑擴展 光強閃爍

大氣湍流的成因極其復雜，目前仍未有一套理論能夠對其精確描述，現有的理論均是建立在統計分析的基礎上進行的。目前，激光大氣湍流理論與實驗數據處理方法大多都是建立在Kolmogorov湍流理論下進行的。

隨著湍流理論的逐步發展，模擬大氣湍流的裝置系統也逐步開始發展。湍流模擬裝置由傳統的水/酒精介質的湍流池，空氣介質的湍流箱等向旋轉相位板，空間光調制器模擬等方向發展。

基于SLM的大氣湍流模擬系統主要采用數值模擬方法生成相位屏，利用SLM的相位調制能力，使入射光束產生相位畸變，從而達到實驗室模擬大氣湍流的效果。

SLM模擬大氣湍流原理

基于SLM的大氣湍流模擬系統主要由相位屏算法和湍流模擬模塊組成，其中相位屏算法主要是計算及加載相位屏的大氣湍流模擬算法；湍流模擬模塊主要是基于SLM的光學設計及采集系統。

系統采用數值模擬方法生成相位屏并將其加載到調制器上，利用SLM的相位調制能力，使入射光束產生相位畸變，從而達到實驗室模擬大氣湍流的效果。

系統原理圖如下：

基于SLM的大氣湍流模擬系統原理圖

大氣湍流系統產品

大氣湍流是一種隨機形狀和大小的渦旋。在光學領域中指大氣中局部溫度、壓強的隨機變化而帶來的折射率隨機變化，由于溫度、壓強等不確定因素的變化和影響，導致湍流的變化情況很難被及時掌握。

基于SLM的大氣湍流模擬系統主要由相位屏算法軟件和湍流模擬模塊組成，其中相位屏算法軟件主要是計算生成大氣湍流相位屏；湍流模擬模塊主要是基于SLM的光學傳輸及采集系統。

系統采用數值模擬的方法生成相位屏并將其加載到調制器上，利用SLM的相位調制能力，使入射光束產生相位畸變，從而達到實驗室模擬大氣湍流的效果。

大氣湍流模擬系統

系統配套軟件

系統功能

基于空間光調制器實現大氣湍流環境的模擬效果；

基于Kolmogorov湍流統計理論和功率譜密度法實現大氣湍流相位圖的計算，其中功率譜密度法的次諧波階數可供調節；

軟件可實時調整相位屏參數（如相位屏網格數、相位屏單位大小等）、大氣湍流參數（如大氣相干長度、內尺度、外尺度等）、光束傳輸參數，如波長、束腰半徑、傳播距離等）；

測試效果

中弱湍流條件下模擬傳播距離1km時的測試效果：

大氣湍流模擬效果圖

給調制器加載相位圖，并調制顯示；顯示相位圖，圖片/文件夾可導入、保存。

測試如下圖中所示，本系統可模擬1km下的中強湍流和中弱的大氣湍流效果，如下圖所示，仿真效果和實測效果基本接近，說明本系統可很好的對大氣湍流光波進行模擬。

仿真及測試結果

此外，本系統還可擴展進行雙SLM，SLM結合相位板下的大氣湍流仿真、模擬測試。

應用領域

可應用于天文高分辨率成像系統，激光通信系統，自適應光學系統，軌跡跟蹤等。

審核編輯 黃宇