自适应光学系统中大气湍流的模型分析与计算机仿真

　　1　引　言

　　为了校正在天文观察中由于大气湍流扰动造成的星像畸变, 1953年天文学家Babcock H W首次提出了利用光学方法实时校正光束动态畸变的思想1],开辟了自适应光学这个分支学科。但由于波前的实时校正牵涉到很多因素,在技术上实现起来比较困难,直到20世纪70年代末80年代初,由于光电技术及电子计算机等诸多高新技术的发展和综合应用,所以才开始真正进入实用性的研究。自20世纪90年代初以来,自适应光学已经大量应用在天文和军事领域,取得了丰硕的成果,使得光学观测能力达到了衍射极限的水平。

　　由于自适应光学系统具有高精度、高实时性的要求,所以需要采用多个前沿学科的最新成果及其尖端的设备和技术,这样就导致了自适应光学系极其复杂,且系统的实现成本也非常昂贵。随着电子计算机硬件和软件系统的发展,计算机的计算速度得到了极大的提高,而相关的计算数学理论也随之得到了很大的发展。为了降低成本和节省时间,采用计算机仿真的方法来进行自适应光学系统的前期理论研究、系统分析和设计是势在必行。通过计算机模拟仿真进行自适应光学系统的研究有以下优点:

　　(1)仿真精度只受到计算机运算速度和计算时间的限制;

　　(2)器件参数宜于调整,可以比较方便地对自适应光学系统进行分析;

　　(3)能够非常方便地对波前重构算法的效率和有效性进行验证;

　　(4)节约了经费开支,节省了时间。

　　目前国外已有针对自适应光学系统的仿真系统和成果方面的大量报道,并已对相关的仿真方法和软件系统进行了广泛研究[2~5]。目前国内在自适应光学研究领域还没有相关的研究成果出现。

　　下面将讨论在自适应光学系统的仿真中大气湍流波前畸变部分的相关理论基础,并构建其数学模型,论证其实现算法。

　　2　大气数学模型的引出

　　在对自适应光学系统进行计算机的数学仿真时,首先要用数学模型来描述和模拟成像光束在通过大气的过程中受大气湍流扰动所产生的畸变过程,这是进行后续系统仿真的先决条件。这一仿真过程取决于大气模型的选择和相关数学模型的建立和计算。

　　光波在大气中传播时,由于大气湍流造成空气折射率的随机变化,导致波面的振幅和相位的快速随机起伏变化,从而导致光强闪烁、波面畸变、到达角起伏、光束漂移等。在湍流大气中,大气的各项参量如温度、湿度、气压、风速等都是随机变量,其变化过程既不是各态所经历的,也不是平稳的。为此,Kolmogorov引入了局地均匀各向同性的随机场理论。虽然Kolmogorov湍流理论不是一项精确的理论,但对描述大气湍流特性来说却是相当不错的近似,因此得到了广泛的应用。