自适应光学理论及其在无线光通信中的应用

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 无线光相干通信研究现状 1
1.1.1 美国研究现状 2
1.1.2 欧洲研究现状 4
1.1.3 日本研究现状 7
1.1.4 国内对自由空间相干探测通信系统研究现状 8
1.2 自适应光学 9
1.2.1 自适应光学国外研究进展 10
1.2.2 自适应光学国内研究进展 11
1.2.3 自适应光学发展趋势 12
参考文献 13
第2章 波前畸变自适应控制 19
2.1 相干光通信的基本原理 19
2.2 自适应光学技术 21
2.2.1 基本原理 21
2.2.2 波前传感器 22
2.2.3 波前校正器 23
2.2.4 波前畸变校正原理 24
2.2.5 光束质量评价指标 34
2.3 双变形镜波前校正算法 35
2.3.1 大气湍流引起的波前畸变 35
2.3.2 波前畸变数值分析 38
2.3.3 偏摆镜+变形镜波前畸变自适应控制实验 42
2.4 波前畸变预测控制 45
2.4.1 自适应光学模型 45
2.4.2 子空间系统辨识 47
2.4.3 波前畸变预测控制实验 50
2.5 系统误差分析及抑制 54
2.5.1 自适应光学系统误差分析 54
2.5.2 抑制系统误差方法 59
2.5.3 误差抑制方法比较 60
2.6 波前畸变自适应控制 62
2.6.1 PI控制算法 62
2.6.2 闭环控制参数调节 63
2.7 系统标定 65
2.7.1 系统组成 65
2.7.2 推拉法标定 66
2.7.3 Hadamard矩阵法标定 67
2.8 闭环 69
2.8.1 闭环算法 69
2.8.2 闭环带宽分析 71
参考文献 72
第3章 比例+积分算法与迭代算法 74
3.1 比例+积分算法 74
3.1.1 系统响应矩阵标定 74
3.1.2 基于直接斜率法的PI控制算法原理 78
3.1.3 迭代算法控制原理 80
3.2 PI算法与迭代算法的参数影响与运算量 83
3.2.1 PI控制算法参数影响 83
3.2.2 G-S算法参数影响 86
3.2.3 ILC算法参数影响 88
3.2.4 PI算法与迭代算法参数特性对比 91
3.2.5 迭代算法与PI算法运算量分析 91
3.3 相干光通信波前校正实验 95
3.3.1 波前控制器的闭环控制效果分析 95
3.3.2 AO闭环校正对波前PV和波前RMS的影响 98
3.3.3 AO闭环校正对耦合效果和中频信号的影响 101
参考文献 105
第4章 双重模糊自适应PID控制 107
4.1 基于直接斜率法的双重模糊自适应PID控制原理 107
4.2 输入论域对模糊自适应PID算法的影响分析 111
4.2.1 不同控制电压输入论域范围对模糊PID算法的影响 111
4.2.2 不同控制电压一阶导数输入论域范围对模糊PID算法的影响 113
4.2.3 模糊自适应PID算法仿真输出论域影响分析 114
4.3 模糊控制实验 116
4.3.1 自适应光学系统实验装置 116
4.3.2 迭代控制算法校正实验 117
4.3.3 PID类控制算法校正实验 122
参考文献 134
第5章 SPGD算法自适应波前畸变校正 135
5.1 SPGD算法对畸变高斯光束的波前校正 135
5.1.1 SPGD算法 135
5.1.2 光传输方程与多相位屏法 137
5.1.3 高斯光束大气湍流传输模拟 137
5.1.4 不同湍流强度下光信号波前校正 139
5.1.5 自适应光学技术对相干光通信系统性能的改善 141
5.2 SPGD算法波前畸变校正实验 143
5.2.1 静态波前畸变的校正 143
5.2.2 SPGD算法对外差探测相干光通信系统的波前校正 146
参考文献 150
第6章 变形镜本征模式法波前畸变校正 151
6.1 变形镜本征模式法 151
6.1.1 系统函数 151
6.1.2 校正系数 153
6.1.3 变形镜本征模式 154
6.2 本征模式法的畸变波前校正仿真 154
6.2.1 校正流程及方法 154
6.2.2 变形镜建模及其本征模式 155
6.3 变形镜本征模式法的畸变波前校正仿真 159
6.3.1 不同湍流强度校正结果 159
6.3.2 快速收敛百分比 162
6.3.3 不同校正算法的对比 162
6.4 变形镜本征模式法实验 165
6.4.1 变形镜影响函数及其本征模式的测量 165
6.4.2 静态像差校正实验 166
6.4.3 外场实验 168
参考文献 170
第7章 涡旋光束无波前探测波前畸变校正 171
7.1 涡旋光束在大气湍流中的传输特性 171
7.1.1 拉盖尔-高斯光束 171
7.1.2 涡旋光束在大气湍流中的传输 174
7.1.3 涡旋光束的轨道角动量 178
7.2 相位差法波前畸变校正的原理与实验 181
7.2.1 相位差法波前畸变校正原理 181
7.2.2 相位差法校正补偿涡旋光束的数值仿真 185
7.2.3 相位差法校正单个涡旋光束的仿真结果 185
7.2.4 相位差法校正叠加态涡旋光束的仿真结果 187
7.2.5 PD算法的收敛性分析 191
7.3 基于相位差法校正畸变涡旋光束的实验研究 191
7.3.1 实验装置 191
7.3.2 涡旋光束波前校正实验分析 192
7.4 涡旋光波前畸变G-S算法 196
7.4.1 校正原理 196
7.4.2 仿真结果 197
7.5 SPGD算法 200
7.6 G-S算法和SPGD算法波前畸变校正实验 202
7.6.1 相位恢复算法 202
7.6.2 随机并行梯度下降算法 204
参考文献 207
第8章 液晶自适应光学技术 209
8.1 液晶空间的相位调制原理 209
8.1.1 液晶空间光调制器的结构 209
8.1.2 液晶空间光调制器原理 210
8.1.3 波前畸变控制方式 215
8.2 LC-SLM的相位标定原理 217
8.2.1 干涉条纹移动法 218
8.2.2 干涉条纹移动法实验原理 218
8.3 反射式空间光调制器相位标定实验 219
8.4 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正系统 222
8.4.1 LC-SLM-R波前畸变校正原理 222
8.4.2 波前校正系统基本组成 222
8.5 波前测量原理 224
8.5.1 横向剪切干涉仪静态波前测量 224
8.5.2 夏克-哈特曼实时波前测量原理 229
8.6 波前重构 231
8.6.1 Zernike多项式 231
8.6.2 基于Zernike多项式的波前重构 234
8.7 LC-SLM-R波前校正实验 235
8.7.1 静态波前校正实验 235
8.7.2 外场实验 241
参考文献 244
第9章 不同波长的高斯光束在大气湍流中传输的波前差异与校正 246
9.1 光束在大气湍流中的传输 246
9.1.1 不同波长对应的波前起伏的整体方差 246
9.1.2 不同波长光束对应的波前起伏 247
9.2 双波长自适应光学 252
9.2.1 自适应光学 252
9.2.2 波前传感器对探测结果的影响 253
9.3 波前校正器的影响 256
9.3.1 系统带宽的影响 257
9.3.2 波长对应的波前校正系数 258
9.4 数值仿真和分析 260
9.4.1 波前整体方差的数值仿真 260
9.4.2 波前相关性 262
9.4.3 波前在接收孔径上的空间差异 263
9.4.4 含有校正系数的校正状态 266
9.4.5 不同波长对应的波前畸变实验 267
参考文献 270
第10章 波前大幅度畸变与波前倾斜的自适应控制 271
10.1 大幅度波前畸变残差修正 271
10.1.1 大幅度波前畸变的理论 272
10.1.2 大幅度波前畸变仿真分析 275
10.1.3 实验研究 278
10.2 带波前倾斜修正的自适应光学波前畸变校正 281
10.2.1 大气湍流中波前畸变理论 282
10.2.2 大气湍流中波前畸变实验 287
参考文献 294