自適應光學理論及其在無線光通信中的應用

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 無線光相干通信研究現(xiàn)狀 1
1.1.1 美國研究現(xiàn)狀 2
1.1.2 歐洲研究現(xiàn)狀 4
1.1.3 日本研究現(xiàn)狀 7
1.1.4 國內對自由空間相干探測通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 8
1.2 自適應光學 9
1.2.1 自適應光學國外研究進展 10
1.2.2 自適應光學國內研究進展 11
1.2.3 自適應光學發(fā)展趨勢 12
參考文獻 13
第2章 波前畸變自適應控制 19
2.1 相干光通信的基本原理 19
2.2 自適應光學技術 21
2.2.1 基本原理 21
2.2.2 波前傳感器 22
2.2.3 波前校正器 23
2.2.4 波前畸變校正原理 24
2.2.5 光束質量評價指標 34
2.3 雙變形鏡波前校正算法 35
2.3.1 大氣湍流引起的波前畸變 35
2.3.2 波前畸變數(shù)值分析 38
2.3.3 偏擺鏡+變形鏡波前畸變自適應控制實驗 42
2.4 波前畸變預測控制 45
2.4.1 自適應光學模型 45
2.4.2 子空間系統(tǒng)辨識 47
2.4.3 波前畸變預測控制實驗 50
2.5 系統(tǒng)誤差分析及抑制 54
2.5.1 自適應光學系統(tǒng)誤差分析 54
2.5.2 抑制系統(tǒng)誤差方法 59
2.5.3 誤差抑制方法比較 60
2.6 波前畸變自適應控制 62
2.6.1 PI控制算法 62
2.6.2 閉環(huán)控制參數(shù)調節(jié) 63
2.7 系統(tǒng)標定 65
2.7.1 系統(tǒng)組成 65
2.7.2 推拉法標定 66
2.7.3 Hadamard矩陣法標定 67
2.8 閉環(huán) 69
2.8.1 閉環(huán)算法 69
2.8.2 閉環(huán)帶寬分析 71
參考文獻 72
第3章 比例+積分算法與迭代算法 74
3.1 比例+積分算法 74
3.1.1 系統(tǒng)響應矩陣標定 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算法與迭代算法的參數(shù)影響與運算量 83
3.2.1 PI控制算法參數(shù)影響 83
3.2.2 G-S算法參數(shù)影響 86
3.2.3 ILC算法參數(shù)影響 88
3.2.4 PI算法與迭代算法參數(shù)特性對比 91
3.2.5 迭代算法與PI算法運算量分析 91
3.3 相干光通信波前校正實驗 95
3.3.1 波前控制器的閉環(huán)控制效果分析 95
3.3.2 AO閉環(huán)校正對波前PV和波前RMS的影響 98
3.3.3 AO閉環(huán)校正對耦合效果和中頻信號的影響 101
參考文獻 105
第4章 雙重模糊自適應PID控制 107
4.1 基于直接斜率法的雙重模糊自適應PID控制原理 107
4.2 輸入論域對模糊自適應PID算法的影響分析 111
4.2.1 不同控制電壓輸入論域范圍對模糊PID算法的影響 111
4.2.2 不同控制電壓一階導數(shù)輸入論域范圍對模糊PID算法的影響 113
4.2.3 模糊自適應PID算法仿真輸出論域影響分析 114
4.3 模糊控制實驗 116
4.3.1 自適應光學系統(tǒng)實驗裝置 116
4.3.2 迭代控制算法校正實驗 117
4.3.3 PID類控制算法校正實驗 122
參考文獻 134
第5章 SPGD算法自適應波前畸變校正 135
5.1 SPGD算法對畸變高斯光束的波前校正 135
5.1.1 SPGD算法 135
5.1.2 光傳輸方程與多相位屏法 137
5.1.3 高斯光束大氣湍流傳輸模擬 137
5.1.4 不同湍流強度下光信號波前校正 139
5.1.5 自適應光學技術對相干光通信系統(tǒng)性能的改善 141
5.2 SPGD算法波前畸變校正實驗 143
5.2.1 靜態(tài)波前畸變的校正 143
5.2.2 SPGD算法對外差探測相干光通信系統(tǒng)的波前校正 146
參考文獻 150
第6章 變形鏡本征模式法波前畸變校正 151
6.1 變形鏡本征模式法 151
6.1.1 系統(tǒng)函數(shù) 151
6.1.2 校正系數(shù) 153
6.1.3 變形鏡本征模式 154
6.2 本征模式法的畸變波前校正仿真 154
6.2.1 校正流程及方法 154
6.2.2 變形鏡建模及其本征模式 155
6.3 變形鏡本征模式法的畸變波前校正仿真 159
6.3.1 不同湍流強度校正結果 159
6.3.2 快速收斂百分比 162
6.3.3 不同校正算法的對比 162
6.4 變形鏡本征模式法實驗 165
6.4.1 變形鏡影響函數(shù)及其本征模式的測量 165
6.4.2 靜態(tài)像差校正實驗 166
6.4.3 外場實驗 168
參考文獻 170
第7章 渦旋光束無波前探測波前畸變校正 171
7.1 渦旋光束在大氣湍流中的傳輸特性 171
7.1.1 拉蓋爾-高斯光束 171
7.1.2 渦旋光束在大氣湍流中的傳輸 174
7.1.3 渦旋光束的軌道角動量 178
7.2 相位差法波前畸變校正的原理與實驗 181
7.2.1 相位差法波前畸變校正原理 181
7.2.2 相位差法校正補償渦旋光束的數(shù)值仿真 185
7.2.3 相位差法校正單個渦旋光束的仿真結果 185
7.2.4 相位差法校正疊加態(tài)渦旋光束的仿真結果 187
7.2.5 PD算法的收斂性分析 191
7.3 基于相位差法校正畸變渦旋光束的實驗研究 191
7.3.1 實驗裝置 191
7.3.2 渦旋光束波前校正實驗分析 192
7.4 渦旋光波前畸變G-S算法 196
7.4.1 校正原理 196
7.4.2 仿真結果 197
7.5 SPGD算法 200
7.6 G-S算法和SPGD算法波前畸變校正實驗 202
7.6.1 相位恢復算法 202
7.6.2 隨機并行梯度下降算法 204
參考文獻 207
第8章 液晶自適應光學技術 209
8.1 液晶空間的相位調制原理 209
8.1.1 液晶空間光調制器的結構 209
8.1.2 液晶空間光調制器原理 210
8.1.3 波前畸變控制方式 215
8.2 LC-SLM的相位標定原理 217
8.2.1 干涉條紋移動法 218
8.2.2 干涉條紋移動法實驗原理 218
8.3 反射式空間光調制器相位標定實驗 219
8.4 LC-SLM-R的空間相干光通信波前校正系統(tǒng) 222
8.4.1 LC-SLM-R波前畸變校正原理 222
8.4.2 波前校正系統(tǒng)基本組成 222
8.5 波前測量原理 224
8.5.1 橫向剪切干涉儀靜態(tài)波前測量 224
8.5.2 夏克-哈特曼實時波前測量原理 229
8.6 波前重構 231
8.6.1 Zernike多項式 231
8.6.2 基于Zernike多項式的波前重構 234
8.7 LC-SLM-R波前校正實驗 235
8.7.1 靜態(tài)波前校正實驗 235
8.7.2 外場實驗 241
參考文獻 244
第9章 不同波長的高斯光束在大氣湍流中傳輸?shù)牟ㄇ安町惻c校正 246
9.1 光束在大氣湍流中的傳輸 246
9.1.1 不同波長對應的波前起伏的整體方差 246
9.1.2 不同波長光束對應的波前起伏 247
9.2 雙波長自適應光學 252
9.2.1 自適應光學 252
9.2.2 波前傳感器對探測結果的影響 253
9.3 波前校正器的影響 256
9.3.1 系統(tǒng)帶寬的影響 257
9.3.2 波長對應的波前校正系數(shù) 258
9.4 數(shù)值仿真和分析 260
9.4.1 波前整體方差的數(shù)值仿真 260
9.4.2 波前相關性 262
9.4.3 波前在接收孔徑上的空間差異 263
9.4.4 含有校正系數(shù)的校正狀態(tài) 266
9.4.5 不同波長對應的波前畸變實驗 267
參考文獻 270
第10章 波前大幅度畸變與波前傾斜的自適應控制 271
10.1 大幅度波前畸變殘差修正 271
10.1.1 大幅度波前畸變的理論 272
10.1.2 大幅度波前畸變仿真分析 275
10.1.3 實驗研究 278
10.2 帶波前傾斜修正的自適應光學波前畸變校正 281
10.2.1 大氣湍流中波前畸變理論 282
10.2.2 大氣湍流中波前畸變實驗 287
參考文獻 294