大气湍流对SAL成像影响及补偿方法研究

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合成孔径激光雷达(SAL)能够实现高分辨率的成像,在民用和军事上都具有广泛的应用前景。由于SAL激光波长极短,在大气中长距离传输时受大气湍流的影响较大。为了减弱大气湍流对激光SAL成像的影响,探索适用于大气湍流下SAL系统的自适应补偿方法,对于提高SAL成像质量具有重要的研究价值和实际意义,对于SAL走向实际工程应用也至关重要。  本论文重点研究了大气湍流下的光传输、大气湍流强度的激光导星测量以及湍流下的SAL成像和自适应补偿方法。利用相位屏法模拟了Kolmogorov谱和von Karman谱下不同强度的大气湍流相位起伏,随着湍流强度的增加,湍流造成的相位起伏会随之增加,在强湍流下大气湍流造成的相位起伏就可能达到几十弧度;仿真了水平路径von Karman谱不同湍流强度下高斯光束传输的光强分布,结果表明,传输路径上的大气湍流使高斯光束发生畸变,随着湍流强度的增强,湍流造成的相位畸变会变大,当湍流强度达到一定的程度时甚至会出现光斑分裂等现象,光斑可能会分裂为几块。波前探测是自适应光学的前提和基础,瑞利激光导星大气湍流强度廓线测量方法,可适用于近地大气湍流的实时测量,论文对其测量系统参数进行了定量分析,为大气湍流下的SAL成像的相位补偿提供了很好的理论基础。基于闪烁理论,利用激光大气通信实验系统测量数据,测量西安夏季实际大气传播路径上的平均湍流强度,为SAL的系统设计实用化提供理论依据。结合相位屏法,分别对Kolmogorov谱和von Karman谱不同湍流强度下水平路径和斜程的SAL成像效果进行了模拟仿真,结果表明:在弱湍流情况下,成像效果受湍流影响较小,而在中等及强湍流下的图像方位分辨率性能下降,特别是强湍流下图像散焦严重,单独采用相位梯度自聚焦算法(PGA)已不能完成对相位的有效补偿,无法满足提高图像质量的要求;结合瑞利激光导星自适应光学补偿方法和PGA对仿真图像进行相位联合补偿,可以明显改善SAL图像质量,而对于强湍流情况,改善效果仍有待于进一步提高。
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