基于回波散斑统计特性的远场激光光斑监视方法研究

论文摘要

激光器诞生以来,被广泛应用于工业、医疗、国防等各个领域。随着激光应用技术的不断发展以及科学技术的进步,在许多应用中,不仅需要激光光束具有更高的输出功率,还要求激光光束发射后经远距离传输至目标表面处能够获得高能量密度的激光光斑。在光束传输过程中,由于系统抖动、大气湍流及其激光器本身的热效应等因素都会对激光光束在远场的聚焦效果产生影响,导致在目标处无法得到理想的高能量密度的聚焦光斑。因此在激光束远距离聚焦应用中,需要对目标表面光斑进行监视,将获取的光斑信息反馈给聚焦系统,进而提高激光光束的聚焦效果。本文选用基于回波散斑统计特性的远场激光光斑监视方法作为主要研究内容。该方法克服了传统的光斑检测方法往往需要在目标处或接近目标的位置对光斑进行检测这一限制条件。同时相比于利用望远系统对远场光斑进行成像的方法,散斑监视能够较大限度的克服光学系统参数的限制,具有更高的分辨精度。散斑监视方法获取的评价因子能够反映出远场聚焦光斑的尺寸变化,帮助控制系统提高聚焦效果。通过对回波散斑统计特性进行深入的研究,分别对相对静止目标和高速运动目标上的光斑给出了基于静态散斑的激光聚焦光斑评价方法和基于动态散斑的激光聚焦光斑评价方法。通过这些监视方法获得的反馈因子能够反映出远场聚焦光斑尺寸的变化趋势,且具有较高的检测精度。论文中对几种评价因子进行了仿真实现,对系统中涉及到的参数、应用限制条件等因素进行了仿真分析,并搭建实验平台验证了仿真分析结果。本文的主要工作概括如下:1、首先对远场激光聚焦光斑监视方法研究现状进行了阐述,分析了各种监视方法的优缺点,在此基础上选取基于回波散斑统计特性的远场激光聚焦光斑监视方法作为研究内容。根据研究需要建立了散斑传输模型,仿真验证了散斑监视方法的可行性。从散斑场的复振幅,强度和相位三个方面着重讨论了散斑场的一阶、二阶统计特性同时分析了漫反射目标表面结构对散斑图像的影响,为基于散斑的远场聚焦光斑监视方法提供了理论基础。2、对于粗糙目标处于相对静止状态时,根据散斑场统计特性给出了几种基于静态散斑的远场光斑监视方法。基于散斑的平均尺度得到了散斑边缘积分评价因子,该评价因子随聚焦光斑尺寸减小而减小,并通过仿真分析和实验验证了该评价因子的可行性。通过散斑相关理论给出了散斑自相关法评价因子,同时分析了粗糙目标特性对评价因子探测精度的影响,结合仿真和实验验证了理论分析结果。上述评价因子可以判断远场光斑尺寸的变化,但是没有对理论结果作进一步的分析并且没有给出在应用中的理论限制条件。随后根据散斑强度阈值穿越理论又提出散斑图像顺序提取法(SPSE)获取光斑评价因子,该方法解决了上述问题。SPSE因子不仅能够反映出远场聚焦光斑的尺寸变化,在满足特定条件的情况下还能够定量描述出光斑尺寸。通过仿真模拟验证了SPSE因子的可行性,分析了应用限制条件以及接收系统口径对评价因子性能的影响。最后通过实验验证了上述仿真分析结果。3、深入研究了动态散斑的统计特性,分析了应用动态散斑评价远场光斑尺度的可行性。建立了动态散斑模型—散射点运动模型,并通过仿真分析验证了该模型的合理性。该模型在分析动态散斑强度分布时只需要计算特定位置的光强波动即可,在仿真中节省了大量的时间。随后文章中提出了通过双探测器互相关法获取远场激光聚焦光斑评价因子的方法,通过观察相关峰值的延迟,判断光斑尺寸变化,相关峰时间延迟随着聚焦光斑尺寸增大而增大。仿真验证了该方案的可行性,同时仿真分析了两探测器距离,采样数据长度对探测性能的影响,同时给出了该方法在应用中的理论限制条件。通过实验验证了仿真分析结果,同时实验数据表明在增加大气扰动的情况下,该方法依然有效。文章最后根据动态散斑场的时间特性,提出了根据动态散斑强度波动的频谱判断远场聚焦光斑尺寸变化的方法。根据后向散射增强效应,采用双向传输结构的目标闭环(TIL)系统提高接收信号的信噪比。该方法采用单点探测器即可以实现对远场光斑的监视,并通过仿真和实验验证了理论分析结果,同时给出了提高系统监视精度方法。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 相关领域的研究现状

1.3 论文主要内容和章节安排

第2章散斑场统计特性

2.1 引言

2.2 散斑图像的一阶统计特性

2.2.1 散斑场复振幅统计特性

2.2.2 散斑强度和相位统计特性

2.3 多组散斑图像叠加后的一阶统计特性

2.3.1 在复振幅基础上叠加散斑场

2.3.2 在强度基础上叠加散斑场

2.4 散斑图像和相干背景之和的一阶统计特性

2.5 散斑场的二阶统计特性

2.5.1 自由传输下散斑场统计特性

2.5.2 成像几何结构下散斑场统计特性

2.5.3 强度和相位的二阶概率密度函数

2.6 粗糙目标的表面结构对散斑图像的影响

2.6.1 粗糙面处有限相关区域对散斑图像的影响

2.6.2 表面特性与散射波相关函数的关系

2.7 本章小结

第3章静态散斑的激光聚焦光斑评价方法研究

3.1 引言

3.2 散斑边缘积分法

3.2.1 散斑边缘积分法评价因子理论分析

3.2.2 散斑边缘积分法评价因子仿真分析

3.2.3 SEIM评价因子实验验证

3.3 二值化散斑自相关法

3.3.1 二值化散斑自相关评价因子理论分析

3.3.2 CSAM评价因子的仿真分析

3.3.3 CSAM评价因子实验验证

3.4 散斑顺序提取法评价因子

3.4.1 散斑顺序提取法理论分析

3.4.2 SPSE评价因子的仿真分析

3.4.3 SPSE评价因子的实验验证

3.5 本章小结

第4章动态散斑互相关法判断远场聚焦光斑尺寸

4.1 引言

4.2 动态散斑仿真模型

4.2.1 动态散斑仿真结果

4.3 散斑强度互相关法判断远场聚焦光斑尺寸

4.3.1 散斑强度互相关法理论推导

4.3.2 动态散斑强度互相关法仿真分析

4.3.3 动态散斑强度互相关法实验验证

4.4 本章小结

第5章动态散斑强度频谱法判断远场光斑尺寸

5.1 引言

5.2 基本模型分析

5.2.1 目标闭环系统

5.2.2 随机粗糙目标表面的统计模型

5.2.3 多重散射和后向散射增强

5.3 动态散斑强度频谱法理论分析

5.3.1 频谱振幅描述散斑场空间相关长度

5.3.2 动态散斑场的强度起伏特性

5.4 散斑强度波动频谱判断远场聚焦光斑尺寸

5.4.1 仿真分析

5.4.2 实验验证

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 于湛

导师: 郭劲

关键词: 散射光,散斑统计特性,光束质量,散斑评价因子

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TN24

总页数: 148

文件大小: 6175K

下载量: 121

基于回波散斑统计特性的远场激光光斑监视方法研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢