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中北大学学位论文 自适应光学与在无线激光通信中的应用 捅要 动态光学波前误差是困扰光学界几百年的老问题，自适应光学技术提供了解决这一 难题的途径。随着大型激光工程和光学系统的发展，对克服动态误差的需求日益迫切，自 适应光学技术已经得到长足发展，应用领域正在从军事应用、科学研究扩展到民用领 域。本文研究了自适应光学在无线激光通信中的应用。 但是在无线激光通信中，由于所涉及的是随机的大气信道，其中除了大气对激光信 号的吸收、散射外，大气湍流还使激光信号在传输过程中产生光斑闪烁、光束漂移和光 斑分裂等现象，这将严重影响无线光通信系统的稳定性和可靠性。为了减小大气湍流效 应的影响，提出了采用自适应光学技术的解决方案。 本文在详细介绍自适应光学技术的基础上，阐述了自适应光学技术在无线激光通信 中的应用。具体内容如下： ( 1 ) 概述了自适应光学技术及其国内外发展动态。由于自适应光学技术发展历史较 短，在已有的文献中，对自适应光学技术的定义描述较含糊，甚至把主动光学与自适应 光学混为一谈。论文对被动光学、主动光学、自适应光学的技术特征作出了明确的界定， 清楚地指出了三者的联系和区别，技术发展的沿革情况。 ( 2 ) 系统总结了自适应光学技术在空间探测、空间光通信、星基对地望远镜、核聚 变装置、高能激光武器和视网膜检测六个领域中的应用。 ( 3 ) 针对光学天线在接收信号时会受到杂光的影响而产生背景噪声，对卡塞格伦光 学天线进行了遮光罩的设计。对主遮光罩进行设计，选择了在主遮光罩内设置径向叶片 来避免遮光罩过长，此设计可有效的抑制杂光源直接照射在系统主镜上产生的一次散射 杂光；对主镜和次镜设计了锥状遮光筒，可防止杂光源辐射经主遮光罩散射后，直接穿 过主镜中心开孔到达探测器，从而可最大限度地遮挡杂光辐射。 ( 4 ) 介绍了哈特曼传感器的工作原理，分析了影响其探测精度的因素；在对可变形 镜重要技术指标分析的基础上，阐述了可变形镜反射镜的研究进展及发展趋势，并介绍 了用于自适应光学系统的几种新型可变形反射镜。 l 中北大学学位论文 ( 5 ) 分析了大气信道对激光通信的影响，研究了采用自适应光学技术来解决因大气 湍流引起的光斑闪烁、光束漂移和光斑分裂等问题。 明确界定了被动光学、主动光学、自适应光学的技术特征，清楚地指出了三者的联 系和区别，技术发展的沿革情况；系统总结了自适应光学技术在各个领域中的应用；设 计了卡塞格伦光学天线的遮光罩，并将自适应光学应用到无线激光通信中，具有一定的 创新性和实用价值。 关键词：自适应光学，无线激光通信，大气湍流，可变形反射镜 2 中北大学学位论文 a d a p t i v eo p t i c sa n di t sa p p l i c a t i o n i nw i r e l e s s 一一 -_ l a s e rco m m u n i c a u o n 榭k 喂gx i a o n i t u t o r ：z h ul i n q u a n ，n i uj i n c h u a n a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fd y n a m i co p t i cw a v e f r o n ta b e r r a t i o nh a sp u z z l e dh u m a nf o rh u n d r e d sy e a r s ， a n da d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g yp r o p o s e sa na p p r o a c ht os o l v et h i sp r o b l e m w i t ht h e d e v e l o p m e n t0 fl 赠一s c a l cl a s e re n g i n e e r i n ga n do p t i c a ls y s t e m , t h ed e m a n d o fo v e r c o m i n g d y n a m i ce r r o ri su r g e n t a d a p t i v eo p t i c si su s e df r o mm i l i t a r y , s c i e n t i f i cr e s e a r c ht o c i v i l d o m a i n i nt h i sp a p e r , a d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g yi sa p p l i e di nw i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , t h ec h a n n e lo fw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sa t m o s p h e r ec h a n n e l ，w h i c h c o u l da b s o r ba n ds c a t t e rt h eo p t i c a ls i g n a l w h a ti sw o r e ，t h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ec o u l d i n d u c es c i n t t i n g , e x c u r s i o na n ds p l i t t i n go ff a c u l ad u r i n gt r a n s m i s s i o n t h e s ep h e n o m e n aw i l l b a d l ya f f e c tt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ew i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n an e wa d a p t i v e o p t i c st e c h n i q u ei sp r o p o s e dt or e d u c et h ee f f e c to fa t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e i nt h i st h e s i s ，a d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h i s ，t h e a p p l i c a t i o no fa d a p t i v eo p t i c so nw i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ni s a l s oe x p a t i a t e t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) e l a b o r a t e da d a p t i v eo p t i c sa n di t sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n td y n a m i c s t a t e b e c a u s eo ft h es h o r td e v e l o p m e n th i s t o r yo fa d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g y , i nf o r m e r l i t e r a t u r e ，t h ed e f i n i t i o no fa d a p t i v eo p t i c sw a so b s c u r ed e s c r i p t i o n , e v e nm o r ea c t i v eo p t i c s a n da d a p t i v eo p t i c sg a r b l e d i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r so fp a s s i v eo p t i c s ，a c t i v eo p t i c sa n d a d a p t i v eo p t i c sw e r es p e c i f i cd e f i n i t i o n ，a n dt h e i rc o n t a c t sa n dd i f f e r e n c e sa n dt h ec a s eo f i t s d e v d o p m e n tw e r ed e n o t e d 【2 ) s u m m a r i z e dt h ea p p l i c a t i o n so fa d a p t i v eo p t i c a lt e c h n o l o g yi ns i xf i e l d si n c l u d i n g 3 中北大学学位论文 s p a c ee x p l o r i n g , s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n ，s t a r - g r o u n dt e l e s c o p e , n u d e a re q u i p m e n t , l l i g h - p o w e rl a s e rw e a p o na n dr e t i n ad e t e c t i o n ( 3 ) b e c a u s eb a c k g r o u n dn o i s ew i l lb ea r o s ew h e no p t i c a la n t e n n a sa r ei n c e p t i n gs i g n a l s ， d e s i g n e dab a f f l eo fc a s s e g r a i no p t i c a la n t e n n a d e s i g n e dm a i nb a f f l e ，s e l e c t e dr a d i a ll e a v e s f o ru l t r a - s h o r tb a f f l ea st h ed e s i g nm e t h o dw h i c hc o u l dr e a l i z es t r a yr a d i a t i o ns u p p r e s s i o n b e s i d e s ，c o n e s h a l x x ls h a d et u b e sf o rm a i nm i r r o ra n ds e c o n dm i r r o rt os h e l t e rf r o ms t r a y r a d i a t i o ni nm a x i m u mw e r ed e s i g n e d ( 4 ) i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fh a r t m a n n - s h a c kw a v e - f r o n ts e n s o r , a n da n a l y z e dt h em a i n f a c t o r so fi n f l u e n c i n gs e n s o rm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ；b yd i s c u s s i n gt h er e s e a r c hp r o g r e s s e s a n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fd e f o r m a b l em i r r o r s ，e x p a t i a t e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t r e n d so fd e f o r m a b l en l i r r o r s ，a n di n t r o d u c e ds e v e r a ln o v e ld e f o r m a b l em i r r o r sw h i c ha p p l i e d i na d a p t i v eo p t i c ss y s t e m ( 5 ) a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r ec h a n n e lt ow i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o n ，a n d a d o p t e da d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g yt oc o m p e n s a t es o m ep h e n o m e n o ns u c ha ss c i n t t i n g , e x c u r s i o na n ds p l i t t i n go ff a c u l ai n d u c e db ya t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ed u r i n gt r a n s m i s s i o n s p e c i f i cd e f i n i t i o no ft h ec h a r a c t e r so fp a s s i v eo p t i c s ，a c t i v eo p t i c sa n da d a p t i v eo p t i c sa n d t h e i rc o n t a c t sa n dd i f f e r e n c e sa n dt h ec 冒1 s eo fi t sd e v e l o p m e n tw e r ed e n o t e d ；s u m m a r i z e dt h e a p p l i c a t i o n so fa d a p t i v eo p t i c a lt e c h n o l o g yi ns i xf i e l d s ；d e s i g n e dab a f f l eo fc a s s e g r a i n o p t i c a la n t e n n aa n da d o p t e da d a p t i v eo p t i c st e c h n o l o g yi nw i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o na l l t h a tb e a ro r i g i n a l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r k s ：a d a p t i v eo p t i c s ，w i r e l e s s l a s e rc o m m u n i c a t i o n ,a t m o s p h e r et u r b u l e n c e , d e f o r m a b l em i r r o r 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 乏过：垄基日期：兰型：圭：望 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 日期逊：! ! 日期：迎显二! 中北大学学位论文 1 1 本课题研究的目的和意义 1 绪论 在光束的产生和传输过程中，有许多不可预知的扰动因素造成波前畸变。光学仪器、 观测目标、光波传输通道和工作环境之中任何一个环节都会存在扰动因素从而产生波前 像差，特别是对于在恶劣条件下工作的大型光学系统。这些扰动因素极大地降低了传输 光束的质量或图像的清晰度。传统的光学技术只能通过光学设计、加工或装校的巨大努 力来降低光学系统自身像差，选择宁静的工作环境来减小光束通道引入的像差，保持光 学系统处于恒温状态下工作来改善温度变化的影响，减轻光学系统自身重量来改善重力 变化的影响，但不具有能动地适应环境变化的能力。对随时间变化的动态扰动因素，如 大气湍流、温度和重力变化等，无法从根本上加以消除，因此动态干扰成为几百年来困 扰光学工作者的老问题。在广泛的应用场合里，例如高能激光器、高功率激光传输、大 型天文望远镜及其它许多光学系统的应用中，都需要实时检测和补偿光束的波前畸变， 因此，自适应光学技术应运而生，并成为当前光学领域极其活跃的前沿研究方向之一。 自适应光学是一种利用电子学和光学技术相结合的，能够实时探测并实时校正波前 误差的新技术，它使光学系统具有了自动适应外界条件变化保持自身最佳工作状态的能 力i l 】，这是提高改善成像系统分辨力和激光系统光束质量的有力工具，成为当今高新技 术中不可缺少的一门新技术。 1 9 5 3 年美国天文学家b a b c o c k 提出了用实时测量和实时校正来克服动态干扰的设 想，随着大型激光工程和光学系统的发展，对克服动态误差的需求日益迫切，也由于支撑 技术日益成熟，2 0 世纪7 0 年代国外便发展成为自适应光学【2 】。此后，由于基础技术的 进一步发展，以及在高分辨力成像观测和高集中度激光能量传输等方面对克服动态干扰 的需求更趋于迫切，自适应光学技术得以长足发展，长期以来光学系统对动态干扰无能 为力的局面才有了根本性的改变【3 1 。目前，自适应光学技术日趋成熟，世界上许多大型 天文望远镜都装备了自适应光学系统，而且应用领域正在从大型望远镜和激光工程扩展 到民用领域。 随着高技术的发展及人们对各种信息需求的不断增加，对信息的获取领域从地面扩 1 中北大学学位论文 展至空间。由于无线激光通信既具有微波通信灵活机动的特点，又具有光纤通信码率高、 抗干扰的优点，因此，采用无线激光通信来获取信息必将给人们带来更大的收益。 目前，卫星间只能以微波进行通信。微波的物理特性决定了它不可能达到与光纤通 信一样的带宽。这样就造成地面与卫星联通时出现了瓶颈。拓宽星间链路的一种解决方 法是多发射卫星，然而地球的外空间资源有限，发射卫星要受到一定的限制。卫星间必 须是无线通信，因此卫星之间、地面与卫星间的大容量通信的矛盾只能是通过发展卫星 无线光通信来解决。 无线激光通信技术是一种既具有高速通信能力、又具有机动灵活性的新通信技术， 是一种很有发展前途的无线传输手段。与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、 设备体积小重量轻、不占用频谱资源等优点。与光纤通信相比，它具有机动灵活、对市 政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。因此，它是现有通信手段的一个良好 补充。 但在无线激光通信过程中，由于大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子 的几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，容易引起光的吸收、散射从而造成激光光 能量衰减、光强闪烁、光束随机偏转、波前畸变等问题，因此需要采用自适应光学技术 来解决这一问题。 1 2 自适应光学技术概述 天文望远镜从小型的伽俐略望远镜发展到目前由计算机控制的庞大复杂仪器，围绕 着提高聚光能力和角分辨率( 图像的清晰度) 两个重要参数，而这两个参数都与望远镜 的口径有关，由此经历了被动光学、主动光学到目前的自适应光学三个发展阶段嗍。 1 2 1 被动光学 大口径物镜的天文望远镜，使聚光能力和角分辨率得到极大的提高，但由于大口径， 带来了严重的重力、温度、风力等影响，使成像质量降低或不稳定。为此人们采用许多 方法来提高成像质量，如：提高系统像质设计指标；改进光学玻璃的磨光技术，提高加 工质量；采用低膨胀系数的玻璃来减小温度对镜面面形的影响；设计坚实的结构来消除 由于重力造成镜面面形的变形；尽量在夜间使用，因为发动机和电子器件的热耗散在夜 2 中北大学学位论文 晚被减到最小；圆形屋顶使望远镜免受风吹造成震动，并在白天得到冷却等等。 以上方法称为被动光学，其特征是用来修正望远镜本身的缺陷，而没有内置的改正 仪在观测过程中主动改善像质。因此对于这样合理设计并对谨慎使用的中小型望远镜来 说，成像质量不能得到实时监测和校正，并且仍然受到大气湍流和其它气象条件的影响， 角分辨率比衍射极限低一个数量级。 1 2 2 主动光学 2 0 世纪8 0 年代以来，为了加强望远镜的集光能力，主镜的口径都在4 米以上，使 用被动光学维护像质由于受到价格和结构重量的限制已经不再适用，所以在观测过程中 由内置的修正部件对主镜面形进行自动调整，称为主动光学系统。主动光学系统可以让 望远镜主镜时刻保持最佳状态，克服由主镜面形影响像质的因素。 主动光学系统设有波前传感器。从图1 1 可以看出，波前传感器测得的波前变形由 物镜面形变化以及信道干扰两部分组成。同时在薄型主镜后方设有上百个计算机控制的 触动器( 见图1 2 ) ，由波前变形状况来控制触动器的动作，达到实时监测并抵消重力变 形、风力干扰和温度波动对镜面面形的影响。因此主动光学的技术特征是通过内置的改 正仪在观测过程中主动改变主镜面形来达到改善像质的目的。 图1 1 主动光学系统原理图图1 2 主镜背面的触动器分布 触动器工作频率较低，约为o o l l 赫兹。主动光学可以将镜面精度保持在l o n m 或 3 中北大学学位论文 更高的量级上，用于几乎所有新建的大中型望远镜上，成像质量比被动光学系统提高了 许多，但仍然远低于衍射极限分辨率。这是由于触动器工作频率低，对信道干扰的动态 性能不好，因此主动光学只能解决主镜面形变化而不能解决信道干扰的问题。 1 2 3 自适应光学( a d a p t i v eo p t i c s ) 主动光学要针对大口径主镜面形进行校正，触动器分布不可能很密集，对微小局部 的波前变形校正不力，直接影响到分辨率的进一步提高，而且不能解决信道干扰。随着 应用领域的拓展，对成像质量、工作频率和系统小型化的要求越来越高，而微光学器件 设计和加工水平以及高速运算计算机技术的提高，使一种具有更高成像质量、更高工作 频率和系统微型化的自适应光学技术应运而生。 自适应光学【5 】是一种电子学和光学技术相结合的，能够实时探测并实时校正波前误 差的新技术，使光学系统具有自动适应自身和外界条件变化而保持最佳工作状态的能 力，改善成像系统的分辨力和激光系统的光束质量。其技术特征是：自适应光学系统不 仅具有波前探测器、波前控制器，还有波前校正器用来校正波前变形，而且这些器件都 是微型化的，在很高的频率下工作。 使用自适应光学技术的空间探测望远镜的分辨率可以提高1 0 倍左右，见图1 3 ，其中 左图分辨率约为0 6 角秒，右图约为0 0 9 角秒。 图1 3 使用自适应光学技术使分辨率提高l o 倍左右 4 中北大学学位论文 1 3 自适应光学技术的国内外发展动态 1 3 1 美国、欧洲自适应光学技术的发展 美国是研究自适应光学最早以及投入最大的国家，从一开始就是用于军事目的，美 国多年来一直将其处于严格的保密状态下，因而对其具体技术细节知之甚少，只有处于 保密部门外的天文学家们独立发展的技术才能公开报导。直到1 9 9 1 年初，美国国防部 才将一部分军用自适应光学技术局部解密。 在1 9 7 2 年，美国研制出了第一套实时大气补偿成像实验系统。这个系统在3 0 0 米 水平光路上成功地对大气湍流效应进行了补偿，经补偿后的图像分辨率接近衍射极刚6 1 。 1 9 8 2 年在夏威夷附近的美国空军毛伊( m a u i ) 岛光学站上，安装了世界上第一台实用的1 6 米自适应光学望远镜，用于对空间目标的监测。该系统在可见光波段( o 4 - - - - 0 7 微米) 工 作，有1 6 8 个子孔径，波前传感器为横向交变剪切干涉仪，波前校正元件为1 6 8 单元整 体式压电变形镜，采样频率为1 0 0 0 0 赫兹，带宽为2 0 0 - - 1 0 0 0 赫兹，探测灵敏度达7 等 星。在8 0 5 公里的距离上系统的分辨率可达0 3 米，即0 0 7 角秒，表明该系统在1 6 米 口径和0 6 微米工作波长的情况下达到衍射极限的成像质量【_ 丌。 星体的亮度等级叫星等，人们将肉眼能看见的星体分为6 等，l 等最亮，6 等最暗， 每相差1 等，亮度相差2 5 1 2 倍。比6 等星更暗的星体为7 等、8 等，它们就得借 用天文望远镜来观测，望远镜的物镜口径越大，就能观测到越暗的星，现在世界上最大 的天文望远镜能观测到2 4 2 5 等的暗天体。 另外据报道美国在海湾战争中使用的摄像成像侦查卫星k h 1 2 ，口径2 4 m ，由于 采用了自适应光学技术在1 6 0 k m 的轨道高度上用可见光成像，地面分辨率可达8 - 1 0 c m t 引。 美国在九十年代的天文研究计划中确定自适应光学是中等规模项目中的第一优先项目， 在机载激光武器( a b l ) 计划中自适应光学被列为三大关键技术之一。 近年来，美国高分辨力空间目标监测技术又有很大提高，1 9 9 3 - 1 9 9 4 年在新墨西哥 州的空军非利普实验室又建成一台口径3 5 米的望远镜，已于1 9 9 5 年装备了带有激光导 引星的自适应光学系统。并研究了自适应光学实时校正和事后计算机图像处理相结合的 技术，进一步消除自适应光学校正后留下的残余误差。 欧洲是仅次于美国开展自适应光学研究的地区。8 0 年代末期，欧洲南方天文台在法 5 中北大学学位论文 国空间研究院和莱塞多特( l a s e r d o t ) 公司的协助下，进行了称为c o m e o n 的自适应光 学计划。系统采用1 9 单元连续镜面变形反射镜，用哈特曼一夏克传感器探测光波波前 动态畸变。系统在可见光波段进行波前探测，在红外波段进行成像校正。1 9 8 9 年该系统 被装到位于法国上普洛旺斯天文台的1 5 2 米天文望远镜上进行实验，成功地在红外波段 实现了校正。在波长大于2 2 微米的波段内，星像接近衍射极限，在波长较短时望远镜 的像质也有很大改善。由于所用的像增强器噪声大，系统所能观测的极限星等只有3 等【9 】。 1 9 9 0 年系统运到智利，安装到拉一西拉( l a - s i l a ) 的欧洲南方天文台3 6 米望远镜上进行 实验时，改用了低噪声的c c d 探测器，使系统的探测能力大大提高，达1 1 5 星等【l o l 。 实验获得了圆满成功。这两次实验是自适应光学技术在天文上第一次取得的成功应用， 对世界天文界造成很大震动，被认为是天文观测技术发展的里程碑。它大大推动了自适 应光学技术在天文观测上的应用，现在各国正在进行的大型天文望远镜计划，几乎都要 采用自适应光学技术，在这一过程中自适应光学技术自身也得到了长足的发展。 1 3 2 我国自适应光学技术的发展 我国对自适应光学的研究起步于1 9 7 9 年，现已独立自主地建立了自适应光学的技 术基础，并取得了令人瞩目的成就，处于世界前列【l i 】。二十多年来我国全面建立了自适 应光学技术基础，建立了多套自适应光学系统。 中国科学院光电技术研究所在自适应光学方面做出了突出的贡献，于1 9 9 0 年首次 实现对自然星体的自适应光学校正试验，使我国成为世界上第三个具有这一能力的国 家。在高分辨力自适应光学望远镜这方面，中国科学院光电技术研究所取得的重大成果 和进展主要有： ( 1 ) 2 1 单元面阵室内闭环动态波前误差校正系统 1 9 8 2 年动态波前误差校正系统实现2 1 单元面阵室内闭环，1 9 8 7 年将该系统与 2 5 0 m m 望远镜对接，进行3 4 0 米水平光路实际大气湍流校正，先后完成点目标和双点 目标接收成像和激光发射实验。这些实验都取得了良好结果，并且都是国内第一次进行 这类试验。 1 9 9 0 年在对这套系统进行改进后，与云南天文台1 2 米望远镜对接实现对自然星体 的大气湍流校正，并拍到了分辨双星的照片。这一系统使我国成为继美国、德国之后第 6 中北大学学位论文 三个实现这一目标的国家，标志我国在该领域的研究跃入世界前列。 ( 2 ) 北京天文台“2 1 6 米望远镜2 l 单元红外自适应光学系统 该系统于1 9 9 5 年即已安装在北京天文台，1 9 9 8 年5 月在与日本提供的红外c c d 对接后，获得可见光波段o 1 3 角秒，红外波段0 2 5 2 角秒的分辨力。 ( 3 ) 云南天文台1 2 米望远镜6 l 单元自适应光学系统 该系统已经实现与望远镜联机，对自然星体获得了可见光分辨力为o 2 3 角秒的实时 补偿像。 同时，中科院安徽光机所也利用自适应光学系统对大气湍流造成的波前畸变进行了 研究。中国工程院物理研究所在自适应光学激光波前补偿技术研究方面对热晕造成的波 前畸变进行了实时补偿，研究了大气热晕补偿的规律。 近几年，我国自适应光学的研究在理论上也逐渐深入，进行了较多的自适应光学性 能优化方面的问题研究，例如对波前传感器子孔径布局问题，控制过程的优化，校正残 差的时域频域分析以及自适应光学系统的数据模拟等都做了很多的工作。 1 4 本课题的主要研究内容 自适应光学技术与在无线激光通信中的应用均属于新领域且具有很大发展前途的 技术。本文在全面系统研究自适应光学技术的基础上，讨论自适应光学技术在无线激光 通信中的应用。具体内容如下： ( 1 ) 对被动光学、主动光学、自适应光学的技术特征进行界定，概述自适应光学 技术的国内外发展动态，并指出本课题的研究目的、意义及主要内容。 ( 2 ) 介绍自适应光学系统的关键技术及原理，总结自适应光学技术在空间探测、 空间光通信、星基对地望远镜、核聚变装置、高能激光武器和视网膜检测六个领域中的 应用，并对自适应光学系统的总体误差进行分析。 ( 3 ) 通过对目前几种波前传感器的比较，确定哈特曼传感器是自适应光学系统中 波前传感器的主要形式。在研究哈特曼传感器工作原理的基础上，对其检测系统进行设 计。介绍孔径分割元件一微透镜阵列，提出波前重构算法，并分析影响哈特曼传感器 探测精度的因素。 ( 4 ) 叙述可变形反射镜的种类、主要技术要求。讨论国内外几种技术比较成熟的 7 中北大学学位论文 可变形反射镜的工作原理及优缺点。阐述可变形反射镜的研究进展及发展趋势，并介绍 用于自适应光学系统的几种新型可变形反射镜。 ( 5 ) 针对激光在无线光通信中受到的各种干扰造成激光光能量衰减、光强闪烁、 光束随机偏转、波前畸变等问题，分析研究大气信道，建立大气湍流信道模型。重点讨 论自适应光学技术在无线激光通信中的应用。针对无线光通信中因大气湍流引起的相位 噪声和光强起伏等影响进行自适应光学补偿。由于强闪烁现象的存在使得常规自适应光 学技术在水平链路中的应用受限，提出不使用波前传感器的自适应光学技术，并针对该 类自适应光学技术提出一种较有应用前途的控制算法。 ( 6 ) 对无线激光通信关键技术之一光学天线遮光罩进行设计。对主遮光罩进 行设计，选择在主遮光罩内设置径向叶片来避免遮光罩过长，此设计用来抑制杂光源直 接照射在系统主镜上产生的一次散射杂光；分别对主镜和次镜进行遮光筒设计用来防止 杂光源辐射经主遮光罩散射后，直接穿过主镜中心开孔到达探测器。 8 中北大学学位论文 2 自适应光学技术研究 2 1 白适应光学技术的原理及应用 激光在大气传输过程中，空气因温度、流动或密度不同而有不同的折射率，使穿越 大气层的光线扭曲；如图2 1 所示，若采用一般镜面( 图2 1 中a 所示) 无法修正，反 射出的也是变形的影像。而若采用自适应光学技术的可变形镜面( 图2 1 中b 所示) 可 以改变局部的反射，将变形修正回来。 厶平面镜面反射镜 b 可变形镜面反射镜 图2 1 反射镜校正波前示意图 2 1 1 自适应光学技术的原理 自适应光学( a d a p t i v eo p t i c s ) 是- fj 集科学性和工程性的综合学科，它是研究实时自 动改善光波波前质量的理论、系统、技术和工程，利用光电子技术实时测量波前误差， 用快速的电子系统计算和控制，用能动波前校正器件进行实时波前校正，是改善成像系 统的分辨能力和激光传输系统的光束质量的有力保证。自适应光学系统主要由波前探测 器、波前校正器和波前控制器三部分组成，如图2 2 所示。波前探测器是用于波前测量， 由于波前相位的直接测量是相当困难的，因此一般首先测量波前斜率和波前曲率，通过 波前复原算法重构出波前的形状。波前校正器主要是用于实现波前误差的实时校正的光 学器件，常用的有变形反射镜、薄膜反射镜和液晶空间光调制器等等。波前控制器是将 波前探测器探测到的信号经过控制算法转化为波前校正器的控制信号，驱动波前校正器 改变波前形状，从而有效地校正各种扰动对激光光束质量的影响，得到接近衍射极限的 输出激光光束或成像质量。 9 中北大学学位论文 t i 。a wollttortlcl删删囊夔蒲 一妒 咤哭一盛 、 c o f n p 。n s a t o d i m a g e 图2 2 自适应光学系统工作原理图 因而，自适应光学系统的工作原理是平面波经过信道传输和面形变形的接收天线 后，波前变得不规则，由波前探测器测得变形量；波前控制器主要是一台高速计算机， 经过数据处理，得到驱动波前校正器的模拟量，来驱动校正器的变形反射镜。校正后的 波前又成为平面波，由物镜在焦平面上理想成像。 2 1 2 自适应光学技术的应用 自适应光学技术有着广泛的应用，主要应用在空间探测、空间光通信、星基对地望 远镜、核聚变装置、高能激光武器和视网膜检测中。 ( 1 ) 自适应光学在空间探测中的应用 上述1 3 节中，介绍自适应光学的国i 为j , l - 发展动态时介绍了自适应光学在空间探测 中的应用，此处不再赘述。 ( 2 ) 自适应光学在空间光通信中的应用 无线激光通信是指利用激光束作载波在陆地或外太空直接进行语音、数据、图像信 息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信( f r e es p a c eo v t i c s 叫s o ) ”、“无 纤激光通信或“无线激光网络( w i r e l e s so p t i c a ln e t w o r k ) 0 目前，空间通信只能以微波进行，微波的物理特性决定了它不可能达到与光纤通信 一样的带宽，这样就造成地面与卫星通信时出现了瓶颈。为了克服这一瓶颈，只有通过 1 0 中北大学学位论文 无线光通信来解决。地面与卫星之间的通信受到大气信道的干扰，因此也要用到自适应 光学技术。 如图2 3 所示【1 2 】，在一个双向通信系统中，自适应光学系统不但要纠正接收的光束 波前，改善成像清晰度提高通信质量( 位于图2 3 “通信探测器 的位置) ，而且同时要 预变形输出光束的波前，用以预纠正两个a o 单元之间的光路径中已知的像差。预变形 来自发射机的光束，用以纠正光束在已知的大气中的变形，从而消除漂移和起伏，所以 光束可以锁定它的目标( 位于图2 3 超前对准单元) 。 图2 3 空间光通信系统的收、发端机框图 ( 3 ) 自适应光学在星载对地望远镜中的应用 用于对地观测的星载光学系统受空间环境及相机内环境的影响而存在波前畸变问 题。星载光学系统的自畸变主要源于温度场和重力场的影响。由于卫星内部设备发热( 内 热源) 及从太阳、地球和其它天体吸收的辐射热量和深层太空的热辐射，使光学零件产 生热变形，包括倾斜、平移、表面畸变等；由于空间的微重力环境及卫星发射时带来的 过载和冲击振动使光学零件产生变形。这些影响综合表现为光波前畸变，进而恶化成像 质量。为了获得分辨率为衍射极限水平的图像，必须对这种波前畸变进行校正。 图2 4 是星载对地望远镜中的自适应光学系统【1 3 1 。该系统配置了星载激光器，来形 成激光钠导星。富钠层距地约l o o k m ，该高度以下未采样的湍流层对信标光无影响。而 在钠导星高度以上的大气湍流对信标光的影响非常小，可以不予考虑。因此，天线孔径 接收到的是标准平行光，波前传感器测得的波前变形是由光学系统本身受空间环境及相 机内环境的影响而产生的，而与信道干扰无关。这样，激光钠导星发出的信标光就成为 1 1 中北大学学位论文 系统标定基准。在对地观测时，信号光通过大气湍流层，其波前发生畸变，也由自适应 光学系统加以校正。 圭镜 图2 4 星载自适应光学系统 据报道美国在海湾战争中使用的摄像成像侦查卫星k h 1 2 ，口径2 4 m ，由于采用 了自适应光学技术，在1 6 0 k m 的轨道高度上用可见光成像，地面分辨率可达8 1 0 c r a 。 ( 4 ) 自适应光学在激光核聚变装置【1 4 , 1 5 中的应用。 核聚变( n u c l e a rf u s i o n ) 是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下( 如 超高温和高压) ，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量较大的原子核，并伴随着巨 大的能量释放的一种核反应形式。1 9 8 3 年，中科院上海光机所建立了我国第一套激光核 聚变装置“神光i ”，并于1 9 8 5 年将基于高频振动爬山法的“1 9 单元波前校正系统 成 功地用于该装置上。该装置由一个功率不大的激光器发出的一个激光脉冲经过多级氙灯 泵浦的放大器逐级放大，到光路末端形成口径达2 0 0 毫米的高功率激光，其脉冲功率可 达1 0 1 2 瓦，参考图2 5 。将这束激光引入一个真空靶室并聚焦到靶室中央的靶球上引发 核聚变，参考图2 6 。在激光放大过程中随着功率的增加，光束口径也要逐渐增大，在 各个放大器之间还要用光学系统扩大光束口径。因此整个系统十分庞大复杂，每条光路 总长度达到几十米，有1 0 0 多个光学表面。激光传输中通过的光学材料的总厚度超过3 米。尽管已经在光学材料、光学加工和装调方面采取了许多措施来保证精度，但由于光 1 2 中北大学学位论文 路长、光学表面多，光学表面加工误差和材料不均匀性的积累仍然使激光产生较大的静 态波前误差，使聚焦光斑弥散，靶面上能量集中度降低。为了校正这一套庞大系统的光 学误差，成都光电所专门研制了一套“高频振动波前校正系统 1 9 8 5 年成功应用于该装 置中，校正后激光能量提高3 倍，接近衍射极限。 瑶蠹：蒸_ 譬钞 图2 5 多级放大的激光核聚交装置图2 68 束强激光聚焦靶球 这一系统开创了世界上激光核聚变装置中使用自适应光学的先河，被国际上称为 “中国方法”。在这套自适应光学系统研制成功后7 年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验 室才报道了他们在国家点火装置( n ) 的预研性系统孑束激光器( b e a m l e t ) 中也研制 了一套自适应光学系统。并说明是“中国装置”率先使用过的方法。在“神光i ”装置 国家级鉴定中，称该项技术为“具有中国特色的三大技术之一”。 继而，我国研制成功了“神光i i ”巨型激光装置。它由成百台光学设备集成在一个足 球场大小的空间内。当8 束波前经过校正的强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一 个小小的燃料靶球时，球内气体( 氘或氚) 在瞬间受到加热并加压，在十亿分之一秒的 超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极高的压力 和高温，引发聚变反应。类似的物理条件在自然界中只有在核爆炸中心、恒星内部或是 黑洞边缘才能找到。 正在建设中的“神光m ”原型装置是我国近期最先进，同时也将是一个实用的i c f 装 置。2 0 0 1 年研制了国内第一套用于“神光m ”原型单路静态和动态误差校正自适应光学系 统，该装置的光束波前畸变从9 2 校正到约1 5 五。 】3 中北大学学位论文 ( 5 ) 自适应光学在高能激光武器中的应用 激光防空武器具有极高的激光能量，它是激光作为能量载体应用的典型代表，是光 电对抗武器装备中的佼佼者，它以直接摧毁敌方各种制导武器为目的。除了要求更高的 激光功率以外，对跟瞄系统的精度要求也更高，而且要求反应敏捷，加之投资巨大，所 以此项技术的发展和应用都令世人瞩目。 它的投入使用，效费比是很高的。据说，一枚“爱国者防空导弹价值高达3 0 - 5 0 万美元，一枚“毒刺”防空导弹的价值为2 万美元，而氟化氘化学激光防空武器每发射 一次仅仅1 0 0 0 - - , 2 0 0 0 美元，这与一发炮弹的价格差不多。如果与其所打击的目标相比， 那就更可观了。一架战斗机价值3 0 0 0 - - , 5 0 0 0 万美元，一架轰炸机价值8 0 0 0 万美元，而 一架预警机、隐形轰炸机等，价值均在亿元以上。所以从整体上讲，无论是与攻击目标 相比，还是与使用防空导弹相比，激光武器都是很合算的【1 6 】。 图2 7 为一种车载高能激光武器和被摧毁的弹体。高功率激光束准确射在来袭弹体 上，通过加热损坏弹体或点燃引信，使其丧失战斗能力，可以拦截火箭弹、炮弹、巡航 导弹、战术弹道导弹以及无人机等。 纛 圈”车载丽涸釉鼹 近年来，为了增强激光武器的机动性，各国都纷纷发展大能量车载固体战术激光武 器。但是，要建立一套有效的固体高能武器系统，还需要解决许多难题，包括如何产生 足够的激光功率，如何排除废热，如何精确识别和跟踪目标，以及武器系统的整合和命 令控制等。这其中，所有地基和空基激光武器都需要解决的一个主要难题就是光束的大 气效应。光束通过大气传输时，除了要被各种大气粒子和气溶胶吸收和散射外，还会被