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中继镜系统光束传输与控制优化研究

作　者: 吴慧云
导　师: 赵伊君
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 中继镜技术高能激光技术光束传输光束控制优化能量耦合效率光束整形相干合成涡旋光束
分类号: TN24
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

中继镜技术是近年来备受各方瞩目的一项重要的新型激光系统作战概念，在军事上具有独特的应用背景。论文从中继镜技术的基本概念出发，围绕中继镜系统的光束传输理论、应用可行性、上行链路能量耦合效率及优化提升方法和双自适应光学装置的影响等内容，采用理论分析、数值模拟和缩比实验验证方法展开了较为系统的研究。首先，开展了中继镜系统光束传输理论和应用可行性研究。根据现有的研究资料分析了中继镜系统的结构组成，从光束传输性能角度分析了最优上行传输方式。在此基础上，分析了中继镜系统光束传输理论，详细推导了真空和湍流条件下激光中继镜传输过程的等效菲涅耳数以及靶面光斑峰值强度与传输过程等效菲涅耳数之间的关系。分析了激光中继镜传输可行的判断条件以及应用优势范围的计算方法，分别以天基激光、机载激光和地基激光中继镜系统为具体场景进行了模拟计算。在实验室条件下，以“光源波长1.064μm，望远镜口径1.2m，上行传输距离30km，下行传输距离10km”的中继镜系统为原型，以传输过程等菲涅耳数为准则，搭建了中继镜系统光束传输缩比实验装置，开展了实验研究。理论和实验结果表明：中继镜系统能提升激光对远距离目标的打击效果，拓展激光的作用范围。其次，开展了双自适应光学装置对中继镜系统性能影响的理论研究。根据中继镜系统两套自适应装置不同的工作条件和用途，结合自适应光学装置的主要类型和特点，分析了中继镜系统两套自适应装置宜选取的类型，得出：位于光源处的自适应装置宜选用共轭式自适应光学系统，位于飞行平台上的自适应装置宜选用优化式自适应光学系统。在此基础上，以“Hufnagel-Valley5/7模型湍流条件下，目标高度25km，飞行平台高度30km”的地基激光中继镜系统为模型，模拟计算了不同校正精度条件下中继镜系统的打击性能，结果显示：“闭环”理想校正时，目标靶面光斑的一倍衍射极限桶中功率比（与初始光源功率之比）为61.44％，是“开环”条件下的3.6倍。再次，开展了中继镜系统上行链路能量耦合效率分析及其优化提升方法研究。理论方面，模拟分析了中继镜系统上行链路能量损耗情况及造成能量损耗的主要原因；分析了利用光束全场整形、阵列光束相干合成和涡旋光源三种方法提升中继镜系统上行链路能量耦合效率的基本原理，模拟了上述三种方法对中继镜系统上行链路能量耦合效率的提升效果。主要结果为：“闭环”工作时，上行链路能量耦合效率为84.46％；通过光束全场整形，上行链路能量耦合效率由84.46％提升至99.73％；通过阵列光束相干合成，上行链路能量耦合效率由84.46％提升至95.02％；通过涡旋光源，上行链路能量耦合效率由84.46％提升至98.04％。实验方面，搭建了中继镜系统光束传输缩比实验装置，实验分析了中继镜系统上行链路能量损耗情况；利用液晶空间光调制器和缩比实验装置开展了光束全场整形和涡旋光源对中继镜系统上行链路能量耦合效率提升效果的实验研究。主要实验结果为：缩比中继镜系统上行链路能量耦合效率为71.89％；通过光束整形，上行链路能量耦合效率由71.89％提升至87.88％，目标靶面光斑5像素（半径32.25μm）桶中功率比由44.52％提升至52.78％；通过涡旋光源方法，上行链路能量耦合效率由71.89％提升至90.60％。最后，开展了光束控制优化方法对中继镜系统性能提升效果的理论研究。以光束整形为例，分析了光束控制优化方法对中继镜系统性能的提升效果，在H-V5/7模型湍流条件下，以“目标高度25km，飞行平台高度30km”的地基激光中继镜系统为模型，模拟计算了不同校正精度条件下，光束整形对中继镜系统上行链路能量耦合效率和系统打击性能的提升效果。论文的研究结果有望对中继镜系统的论证和设计提供一定的参考，论文提出的光束整形、阵列光束相干合成和涡旋光源三种方法可在激光空间自由通信系统等光学系统中拓展应用。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-30
  §1.1 课题背景  17-23
    1.1.1 中继镜技术的诞生背景  17-19
    1.1.2 中继镜技术的基本概念  19-20
    1.1.3 中继镜技术的应用前景  20-23
  §1.2 中继镜技术的国内外发展概况  23-27
  §1.3 课题主要研究思路和内容安排  27-30
第二章真空条件下中继镜系统的可行性分析  30-51
  §2.1 中继镜系统结构组成分析  30-34
    2.1.1 单镜结构中继镜系统  30-31
    2.1.2 双焦结构中继镜系统  31-34
  §2.2 中继镜系统光束传输理论分析  34-41
    2.2.1 激光真空传输理论  34
    2.2.2 中继镜系统光束真空传输理论  34-38
    2.2.3 上行链路最优传输方式  38-39
    2.2.4 上行链路传输对二次光源性能的影响  39-41
  §2.3 真空条件下中继镜系统可行性理论分析  41-45
    2.3.1 激光中继镜真空传输等效菲涅耳数  41-42
    2.3.2 激光中继镜真空传输可行条件分析  42-43
    2.3.3 具体事例  43-45
  §2.4 中继镜系统光束真空传输缩比实验  45-50
    2.4.1 实验装置  45-48
    2.4.2 参数设置  48
    2.4.3 实验结果  48-50
  §2.5 本章小结  50-51
第三章湍流条件下中继镜系统的可行性分析  51-68
  §3.1 激光湍流传输理论分析  51-53
    3.1.1 激光湍流传输数值模型  51
    3.1.2 相位屏产生方法  51-53
  §3.2 湍流强度与分布形态对激光传输性能影响分析  53-60
    3.2.1 单层湍流  53-59
    3.2.2 连续湍流  59-60
  §3.3 湍流条件下中继镜系统光束传输理论分析  60-67
    3.3.1 激光中继镜湍流传输过程的等效菲涅耳数  60-62
    3.3.2 湍流条件下中继镜系统可行条件分析  62-63
    3.3.3 具体事例  63-67
  §3.4 本章小结  67-68
第四章双自适应装置对中继镜系统光束传输性能影响分析  68-81
  §4.1 中继镜系统自适应光学装置类型选取  68-71
    4.1.1 自适应光学装置类型  68-70
    4.1.2 中继镜系统自适应光学装置选取类型  70-71
  §4.2 双自适应光学装置对中继镜系统性能影响数值模拟  71-79
    4.2.1 双自适应光学系统数学模型  71-72
    4.2.2 中继镜系统打击性能模拟  72-79
  §4.3 本章小结  79-81
第五章中继镜系统光束传输能量效率分析及提升方法研究  81-115
  §5.1 中继镜系统光束传输能量损耗分析  81-85
    5.1.1 理论分析  81-82
    5.1.2 数值模拟  82-84
    5.1.3 缩比实验  84-85
  §5.2 基于光束全场整形提升中继镜系统上行链路能量耦合效率研究  85-93
    5.2.1 基本原理  85-87
    5.2.2 光束整形效果理论模拟  87-89
    5.2.3 光束整形缩比实验  89-93
  §5.3 基于光束相干合成提升中继镜系统上行链路能量耦合效率研究  93-102
    5.3.1 相干光束阵列湍流传输性能  93-98
    5.3.2 相干合成中继镜系统原理  98-100
    5.3.3 相干合成中继镜系统数值模拟  100-102
  §5.4 基于涡旋光源提升中继镜系统上行链路能量耦合效率研究  102-114
    5.4.1 涡旋光束传输性能  103-107
    5.4.2 涡旋光源中继镜系统原理  107-108
    5.4.3 涡旋光源应用效果理论模拟  108-111
    5.4.4 缩比实验  111-114
  §5.5 本章小结  114-115
第六章光束控制优化方法对中继镜系统性能提升效果分析  115-125
  §6.1 光束整形对中继镜系统上行链路能量耦合效率提升效果分析  115-120
    6.1.1 理论分析  115-116
    6.1.2 数值模拟  116-120
  §6.2 光束整形对中继镜系统打击性能提升效果分析  120-123
    6.2.1 理论分析  120-121
    6.2.2 数值模拟  121-123
  §6.3 本章小结  123-125
第七章结束语  125-129
  §7.1 全文总结  125-128
    7.1.1 论文研究的内容  125-127
    7.1.2 论文的主要创新工作  127-128
  §7.2 展望与设想  128-129
参考文献  129-142
致谢  142-145
攻读博士学位期间取得的主要学术成果  145-147

中继镜系统光束传输与控制优化研究

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