CN218156776U

CN218156776U - 大气湍流模拟器

Info

Publication number: CN218156776U
Application number: CN202222095403.1U
Authority: CN
Inventors: 石岩; 陈建勇; 章镇宇; 徐睿; 赵天琦; 陈义
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2032-08-10

Abstract

本申请公开了一种大气湍流模拟器，包括光源、目标、第一透镜单元、分光单元、空间光调制器、第一光阑单元、第二透镜单元和探测器，光源产生的光束经过目标，通过第一透镜单元变成平行光束，平行光束再通过分光单元透射，再经过空间光调制器反射和分光单元反射后，光束进入第一光阑单元被限制光束直径，再通过第二透镜单元变成像方远心的光束，聚焦在探测器上成像，实现对目标在不同大气湍流环境下的探测。本申请提供的大气湍流模拟器具有稳健性，不仅可以实现大气条件的变化还可以实现传播距离的变化，从而使***装置更加灵活且实用。

Description

大气湍流模拟器

技术领域

本申请涉及大气光学领域，尤其涉及一种大气湍流模拟器。

背景技术

大气湍流是一种非均匀无序介质，随着科学技术的不断进步，大气光学与光通信技术领域也取得了长足进步。当光在大气湍流中传输时，湍流引起的折射率变化导致光束传输质量发生衰减，从而造成漂移，扩展，闪烁等一系列变化，制约了大气光通信的发展，因此对于激光在大气湍流中的传输有必要展开针对性的研究，进一步分析大气湍流对光电***的影响因素。

针对上述研究工作，目前已经考虑的一种途径是进行现场实验，但是由于大气光学特殊的情况，现场实验不仅费时费力，而且现场实验的成本非常高，最重要的是现场实验的实验条件难以重复确认，实验数据采集难度也非常大，因此现场实验的方法没有被广泛采用。另一种方法是利用气体或者液体来模拟大气湍流。其原理是利用气体或液体本身对流来模拟大气湍流，原理简单，但是具有散热困难，强度难以控制，重复性较差等缺点；还有一种方法是基于微加工技术的相位屏来模拟大气湍流，其原理是将湍流的相位畸变刻蚀在玻璃基板上，然后通过旋转相位屏来模拟大气湍流，其缺点是相位变化固定，旋转波面具有周期性，这与实际情况有较大的差距。

此外，近年来随着液晶技术的发展，也有人提出利用液晶的电光特性来进行大气湍流的模拟，一般通过改变电压来改变液晶的折射率。由于液晶空间光调制器具有成本低，动态可调制，可编程驱动等优点，液晶空间光调制器越来越成为大气湍流模拟器将来的技术发展趋势之一。国内外已有多家机构都展开了这方面的研究工作，并取得了一定的成果，成功利用液晶空间光调制器模拟了大气湍流。

液晶空间光调制器分为透射式和反射式。虽然反射式液晶空间光调制器较透射式有更好的精度和能量利用率，能够提高湍流模拟装置的有效性，但由于反射的特性会改变光路，并且对于入射角度有着严格的要求，所以这对于实现对湍流的真实模拟，并做到模拟物和真实物的各种物理指标和参数的一一对应，产生了更多的约束和限制。这使得反射式液晶空间光调制器的使用面临着困难和挑战。

发明内容

本申请的目的在于提供一种低成本、高精度、动态可调制、可编程的大气湍流模拟器。

本申请解决的技术问题是：基于反射式液晶空间光调制器的大气湍流模拟器，可以在不同的湍流条件和传播距离下模拟光束传播，不仅可以实现大气条件的变化还可以实现传播距离的变化，从而使***装置更加灵活且实用。

为了达成本申请的目的，本申请提出反射式液晶空间光调制器的大气湍流探测模拟器解决技术问题的技术方案：包括光源、目标、第一透镜单元、分光单元、空间光调制、第一光阑单元、第二透镜单元和探测器，其中：

光源，用于产生扫描所述目标的第一探测光束；

第一透镜单元，所述第一透镜单元接收扫描所述目标后的第一探测光束，并产生所述目标各个视场中的平行光束；

分光单元，设置在所述平行光束的光路中；

空间光调制器，用于接收经过所述分光单元的平行光束，并在空间光调制器的工作面上发生反射形成回波光信号；

第一光阑单元，设置在所述回波光信号的光路中；

第二透镜单元，用于接收并聚焦经过所述第一光阑的回波光信号；

探测器，接收经过所述第二透镜单元聚焦的所述回波光信号。

光源产生的光束经过目标，通过第一透镜单元变成平行光束，平行光束再通过分光单元透射，再经过空间光调制器反射和分光单元反射后，光束进入第一光阑单元被限制光束直径，再通过第二透镜单元变成像方远心的光束，聚焦在探测器上成像，实现对目标在不同大气湍流环境下的探测。

进一步的，所述分光单元设置在所述第一透镜单元与所述空间光调制器之间的光路中，并且，所述分光单元还设置在所述空间光调制器与所述第一光阑单元之间的光路中，所述平行光束经过所述分光单元发生透射，所述回波光信号经过所述分光单元发生反射。

进一步的，所述分光单元为分光反射镜或分光棱镜。

进一步的，所述空间光调制器至所述第一光阑单元的光路距离为l，通过如下公式表示：

l＝L/(Zf)²

其中，l表示所述空间光调制器至所述第一光阑单元的光路距离，L表示所述目标至所述望远镜的实际湍流路径长度，Zf表示所述大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示所述第二透镜单元的焦距。

进一步的，所述第一光阑单元的通光孔径为d，所述第一光阑单元的通光孔径d通过如下公式表示：

d＝D/Zf

其中，d表示所述第一光阑单元的通光孔径，D表示所述望远镜的口径，Zf表示所述大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示所述第二透镜单元的焦距。

进一步的，所述第二透镜单元的焦距为f，所述第二透镜单元的焦距f通过如下公式表示：

f＝d*F

其中，f表示所述第二透镜单元的焦距，d表示所述第一光阑单元的通光孔径，F表示所述望远镜的F数。

进一步的，所述第二透镜单元的视场角为FOV₀，所述第二透镜单元的视场角FOV₀表示如下：

FOV₀＝FOV*Zf

其中，FOV₀表示所述第二透镜单元的视场角，FOV表示所述望远镜的视场角，Zf表示所述大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示所述第二透镜单元的焦距。

进一步的，所述空间光调制器的口径为s，所述空间光调制器的边长s表示如下：

s>2*tan(FOV/2)*L/Zf+D/Zf

其中，s表示所述空间光调制器的边长，FOV表示所述望远镜的视场角，L表示所述目标至所述望远镜的实际湍流路径长度，Zf表示所述大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示所述第二透镜单元的焦距，D表示所述望远镜的口径。

进一步的，所述空间光调制器为反射式液晶空间光调制器。

进一步的，所述探测器为CCD或CMOS或观测屏。

本申请与现有技术相比，具有如下优点:(1)通过反射式液晶空间光调制器可以实现动态像差的模拟；(2)能实现不同大小目标的模拟成像；(3)可以在可见光到红外波段的范围成像；(4)通过改变反射式液晶空间光调制器到光阑的距离可以实现光束传播通道长度的变化。

附图说明

图1是现有技术的一种大气湍流模型示意图；

图2是本申请提供的湍流模拟器装置的结构示意图；

图3是本申请提供的光束经第一透镜单元透射后，通过分光元件透射再经空间光调制器反射和分光元件反射的光路示意图；

图4是本申请提供的第二透镜单元的视场角示意图；

图5是本申请提供的一种搭建大气湍流模拟器的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述，但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

结合图1所示，根据本申请提供的一种大气湍流模拟器所要模拟的实际环境中的大气湍流模型。大气湍流模型中所建立的大气湍流路径长度为L，在湍流路径后放置望远镜，望远镜的口径为D。

结合图2所示，本申请提供的一种大气湍流模拟器，包括光源11、目标12、第一透镜单元13、分光单元14、空间光调制器15、第一光阑单元16、第二透镜单元17和探测器18。

其中，光源11用于产生扫描目标12的第一探测光束。第一透镜单元13接收扫描目标12后的第一探测光束，并产生目标12各个视场中的平行光束。分光单元14设置在平行光束的光路中。空间光调制器15用于接收经过分光单元14的平行光束，并在空间光调制器15的工作面上发生反射形成回波光信号。第一光阑单元16设置在回波光信号的光路中。第二透镜单元17用于接收并聚焦经过第一光阑的回波光信号。探测器18接收经过第二透镜单元17聚焦的回波光信号。

结合图2所示，光源11产生的光束经过目标12，通过第一透镜单元13变成平行光束，平行光束再通过分光单元14透射，再经过空间光调制器15反射和分光单元14反射后，光束进入第一光阑单元16被限制光束直径，再通过第二透镜单元17变成像方远心的光束，聚焦在探测器18上成像，实现对目标12在不同大气湍流环境下的探测。

结合图2所示，本申请提供的大气湍流模拟器是对大气湍流模型中大气湍流路径长度为L、望远镜的口径D、光束和其他参数按照缩放倍数缩放。

作为一种可选的实现方式，光源11发出的光束可以为白光或者可见光到红外波段的光。

优选的，产生的光源11波长可以为532nm。

作为一种可选的实现方式，分光单元14设置在第一透镜单元13与空间光调制器15之间的光路中，并且，分光单元14还设置在空间光调制器15与第一光阑单元16之间的光路中。

结合图3所示，光源11产生的光束经过目标12，通过第一透镜单元13变成平行光束，平行光束通过分光单元14透射，由于观察视场的不同，各个平行光束光路从外表上形成了会聚的现象。

作为一种可选的实现方式，分光单元14可以为分光反射镜或分光棱镜。分光单元14利用透射原理和反射原理将通过第一透镜单元的光束与经过空间光调制器15反射的光束分开，可以使最后光束进入探测器后可以达到更好的成像效果。

作为一种可选的实现方式，空间光调制器15用于接收经过分光单元14透射后的平行光束，并在空间光调制器15的工作面上发生反射形成回波光信号，回波光信号经过分光单元14发生反射。

优选的，空间光调制器15的入射角i的范围可以为0≤i≤5°。

作为一种可选的实现方式，空间光调制器15可以为反射式液晶空间光调制器。反射式液晶空间光调制器拥有更好的精度和能量利用率，可以利用反射式液晶空间光调制器中液晶的电光特性，通过控制液晶空间光调制器两端电压能对液晶的有效折射率进行改变从而进行大气湍流的真实模拟。

作为一种可选的实现方式，空间光调制器15至第一光阑单元16的光路距离l，通过如下公式表示：

l＝L/(Zf)²

式中，l表示空间光调制器15至第一光阑单元16的光路距离，空间光调制器15至第一光阑单元16的光路可以是光束经空间光调制器15反射后再经分光单元14反射到第一光阑单元16，L表示大气湍流模型中的大气湍流路径长度，Zf表示大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示第二透镜单元17的焦距。

作为一种可选的实现方式，大气湍流模拟器对大气湍流模型中的大气湍流路径长度L按照缩放倍数缩放后，可以把大气湍流路径长度L等效为大气湍流模拟器中空间光调制器15至第一光阑单元16的光路距离l。

作为一种可选的实现方式，第一光阑单元16的通光孔径为d，第一光阑单元16的通光孔径d通过如下公式表示：

d＝D/Zf

式中，d表示第一光阑单元16的通光孔径，D表示望远镜的口径，Zf表示大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示第二透镜单元17的焦距。在实际实验的环境中，望远镜参数是确定的，望远镜的口径D可以在实验中根据实际需求进行设置。例如，望远镜的口径D可以选为0.8m。这些数据仅关于实验中对望远镜的选择，大气湍流模型的数据参数按照缩放倍数缩放后，与大气湍流模拟器的相关数据参数对应。

作为一种可选的实现方式，大气湍流模拟器对大气湍流模型中的望远镜的口径D按照缩放倍数缩放后，可以把望远镜的口径D等效为大气湍流模拟器中第一光阑单元16的通光孔径d。

作为一种可选的实现方式，第一光阑单元16可以限制光束或限制成像范围大小。

作为一种可选的实现方式，第二透镜单元17用于接收经过第一光阑单元16透射后的光束。

作为一种可选的实现方式，第二透镜单元17的焦距参数可以用来模拟大气湍流模型中望远镜的焦距参数，第二透镜单元17的焦距为f，第二透镜单元17的焦距f通过如下公式表示：

f＝d*F

式中，f表示第二透镜单元17的焦距，d表示第一光阑单元16的通光孔径，F表示望远镜的F数。F数即光圈数，***的像方焦距与入瞳直径之比，即相对孔径的倒数。在实际实验的环境中，望远镜参数是确定的，F数可以在实验中根据实际需求进行设置。例如，望远镜的F数可以选为10。这些数据仅关于实验中对望远镜的选择，大气湍流模型的数据参数按照缩放倍数缩放后，与大气湍流模拟器的相关数据参数对应。

作为一种可选的实现方式，第二透镜单元17的视场角为FOV₀，第二透镜单元17的视场角FOV₀通过如下公式表示：

FOV₀＝FOV*Zf

式中，FOV₀表示第二透镜单元17的视场角，FOV表示望远镜的视场角，Zf表示大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示第二透镜单元17的焦距。视场角FOV是指在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。结合图4所示，第二透镜单元17的视场角为FOV₀。在实际实验的环境中，望远镜参数是确定的，望远镜的视场角FOV可以在实验中根据实际需求进行设置，例如，望远镜视场角FOV可以选为4.148角分。这些数据仅关于实验中对望远镜的选择，大气湍流模型的数据参数进行缩放倍数缩放后，与大气湍流模拟器的相关数据参数对应。

作为一种可选的实现方式，空间光调制器15边长为s，空间光调制器15的边长s公式表示如下：

s>2*tan(FOV/2)*L/Zf+D/Zf

式中，s表示空间光调制器15的边长，FOV表示望远镜的视场角，L表示目标至望远镜中的实际湍流路径长度，Zf表示大气湍流模拟器的缩放倍数，f表示第二透镜单元17的焦距，D表示望远镜的口径。在实际实验的环境中，望远镜参数是确定的，F数和望远镜的视场角FOV可以在实验中根据实际需求进行设置，例如，望远镜的F数和视场角FOV可以选为10和4.148角分。这些数据仅关于实验中对望远镜的选择，大气湍流模型的数据参数进行缩放倍数缩放后，与大气湍流模拟器的相关数据参数对应。

作为一种可选的实现方式，探测器18用于接收经过第二透镜单元17聚焦的光束。

作为一种可选的实现方式，探测器18可以为CCD或CMOS或观测屏。

作为一种可选的实现方式，探测器18可以用来观测最后的成像效果。

作为一种可选的实现方式，确定空间光调制器15的边长s和缩放倍数Zf，就可以模拟出不同距离的大气湍流条件，其满足公式如下：

L<(s-D/Zf)*Zf/2*tan(FOV/2)

式中：L表示目标至望远镜中的实际湍流路径长度，D表示望远镜的口径，FOV表示望远镜的视场角，s表示为空间调制器的边长，Zf表示为缩放倍数。在实际实验的环境中，望远镜参数是确定的，望远镜的口径D和望远镜的视场角FOV可以在实验中根据实际需求进行设置。例如，望远镜的口径D和视场角FOV可以选为0.8m和4.148角分。这些数据仅关于实验中对望远镜的选择，大气湍流模型的数据参数进行缩放倍数缩放后，与大气湍流模拟器的相关数据参数对应。

作为一种可选的实现方式，本申请公开的一种大气湍流模拟器，大气湍流模拟器中的空间光调制器可选用为反射式液晶空间光调制器，反射式液晶空间光调制器主动控制下可以通过液晶分子调制光场的某个参数，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，可以实现非相干与相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。反射式液晶空间光调制器利用液晶的电光特性，通过控制反射式液晶空间光调制器两端电压能对液晶的有效折射率进行改变从而进行大气湍流的真实模拟。基于反射式液晶空间光调制器的反射特性可以改变光路，做到模拟物与真实物的各种物理指标和数据参数一一对应，建立完整的模拟环境，可以实现光束在不同大气湍流条件下传播距离的变化，从而使***装置更加灵活且实用。

本申请提出的大气湍流模拟器对于湍流条件和光束传播距离的快速和可控制的变化都是适用的，当增加缩放倍数Zf，大气湍流模拟器的视场角FOV₀也相应增加。视场越小，对于大气湍流模拟器的构建越简单，视场角可以选为不超过180°。

下面结合实例进行更详细的描述。

实施例1

结合图5所示，搭建大气湍流模拟器需选取实验中望远镜，确定其口径D，再选取合适的第一光阑单元直径d，确定缩放倍数Zf。确定望远镜的F数，根据第一光阑单元直径d，确定第二透镜单元焦距f。确定望远镜的视场角FOV，根据缩放倍数Zf,确定第二透镜单元的视场角FOV₀。观察大气湍流长度L，根据缩放倍数，调整空间光调制器至第一光阑单元的光路距离l，根据望远镜的口径D、视场角FOV、缩放倍数Zf选取合适的空间光调制器的边长s，最后选定好实验参数后开始搭建大气湍流模拟器，用于观测大气湍流模型。结合图2所示，本实施例中创建的大气湍流模拟器中包括第一透镜单元13、分光单元14、空间光调制器15、第一光阑单元16、第二透镜单元17和探测器18。其中，第一透镜单元13用于产生目标各个视场的平行光，第二透镜单元17的参数相对应于大气湍流模型。实验所创建的大气湍流模拟器加载的相位屏在空间光调制器显示屏中心的矩形区域(大小为1920×1080像素)中显示。我们在实验中可选定的大气湍流模拟器的参数为：第一光阑单元16的通光孔径d＝1.5mm，空间光调制器15的边长s＝18mm，空间光调制器15至第一光阑单元16的光路距离l＝70mm，第二透镜单元17的视场角FOV₀＝9.22°，F数F＝10。

本申请提出的一种大气湍流模拟器，根据光束在大气湍流环境中的传输特性，可以用于模拟光束在不同距离和大气参数下的湍流中传播。

以上所揭露的仅为本申请的较佳实施例而已，然其并非用以限定本申请之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本申请及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种大气湍流模拟器，用于模拟望远镜观察目标时的大气湍流模型，其特征在于，所述大气湍流模拟器包括：

光源，用于产生扫描所述目标的第一探测光束；

分光单元，设置在所述平行光束的光路中；

空间光调制器，用于接收经过所述分光单元的平行光束，并在所述空间光调制器的工作面上发生反射形成回波光信号；

第一光阑单元，设置在所述回波光信号的光路中；

2.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述分光单元设置在所述第一透镜单元与所述空间光调制器之间的光路中，并且，所述分光单元还设置在所述空间光调制器与所述第一光阑单元之间的光路中，所述平行光束经过所述分光单元发生透射，所述回波光信号经过所述分光单元发生反射。

3.根据权利要求2所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述分光单元为分光反射镜或分光棱镜。

4.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述空间光调制器至所述第一光阑单元的光路距离为l，通过如下公式表示：

l＝L/(Zf)²

5.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述第一光阑单元的通光孔径为d，所述第一光阑单元的通光孔径d通过如下公式表示：

d＝D/Zf

6.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述第二透镜单元的焦距为f，所述第二透镜单元的焦距f通过如下公式表示：

f＝d*F

7.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述第二透镜单元的视场角为FOV₀，所述第二透镜单元的视场角FOV₀表示如下：

FOV₀＝FOV*Zf

8.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述空间光调制器的口径为s，所述空间光调制器的边长s表示如下：

s>2*tan(FOV/2)*L/Zf+D/Zf

9.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述空间光调制器为反射式液晶空间光调制器。

10.根据权利要求1所述的大气湍流模拟器，其特征在于，所述探测器为CCD或CMOS或观测屏。