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《国防科学技术大学》 2012年
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中继镜系统光束传输与控制优化研究

吴慧云  
【摘要】:中继镜技术是近年来备受各方瞩目的一项重要的新型激光系统作战概念,在军事上具有独特的应用背景。论文从中继镜技术的基本概念出发,围绕中继镜系统的光束传输理论、应用可行性、上行链路能量耦合效率及优化提升方法和双自适应光学装置的影响等内容,采用理论分析、数值模拟和缩比实验验证方法展开了较为系统的研究。 首先,开展了中继镜系统光束传输理论和应用可行性研究。根据现有的研究资料分析了中继镜系统的结构组成,从光束传输性能角度分析了最优上行传输方式。在此基础上,分析了中继镜系统光束传输理论,详细推导了真空和湍流条件下激光中继镜传输过程的等效菲涅耳数以及靶面光斑峰值强度与传输过程等效菲涅耳数之间的关系。分析了激光中继镜传输可行的判断条件以及应用优势范围的计算方法,分别以天基激光、机载激光和地基激光中继镜系统为具体场景进行了模拟计算。在实验室条件下,以“光源波长1.064μm,望远镜口径1.2m,上行传输距离30km,下行传输距离10km”的中继镜系统为原型,以传输过程等菲涅耳数为准则,搭建了中继镜系统光束传输缩比实验装置,开展了实验研究。理论和实验结果表明:中继镜系统能提升激光对远距离目标的打击效果,拓展激光的作用范围。 其次,开展了双自适应光学装置对中继镜系统性能影响的理论研究。根据中继镜系统两套自适应装置不同的工作条件和用途,结合自适应光学装置的主要类型和特点,分析了中继镜系统两套自适应装置宜选取的类型,得出:位于光源处的自适应装置宜选用共轭式自适应光学系统,位于飞行平台上的自适应装置宜选用优化式自适应光学系统。在此基础上,以“Hufnagel-Valley5/7模型湍流条件下,目标高度25km,飞行平台高度30km”的地基激光中继镜系统为模型,模拟计算了不同校正精度条件下中继镜系统的打击性能,结果显示:“闭环”理想校正时,目标靶面光斑的一倍衍射极限桶中功率比(与初始光源功率之比)为61.44%,是“开环”条件下的3.6倍。 再次,开展了中继镜系统上行链路能量耦合效率分析及其优化提升方法研究。理论方面,模拟分析了中继镜系统上行链路能量损耗情况及造成能量损耗的主要原因;分析了利用光束全场整形、阵列光束相干合成和涡旋光源三种方法提升中继镜系统上行链路能量耦合效率的基本原理,模拟了上述三种方法对中继镜系统上行链路能量耦合效率的提升效果。主要结果为:“闭环”工作时,上行链路能量耦合效率为84.46%;通过光束全场整形,上行链路能量耦合效率由84.46%提升至99.73%;通过阵列光束相干合成,上行链路能量耦合效率由84.46%提升至95.02%;通过涡旋光源,上行链路能量耦合效率由84.46%提升至98.04%。实验方面,搭建了中继镜系统光束传输缩比实验装置,实验分析了中继镜系统上行链路能量损耗情况;利用液晶空间光调制器和缩比实验装置开展了光束全场整形和涡旋光源对中继镜系统上行链路能量耦合效率提升效果的实验研究。主要实验结果为:缩比中继镜系统上行链路能量耦合效率为71.89%;通过光束整形,上行链路能量耦合效率由71.89%提升至87.88%,目标靶面光斑5像素(半径32.25μm)桶中功率比由44.52%提升至52.78%;通过涡旋光源方法,上行链路能量耦合效率由71.89%提升至90.60%。 最后,开展了光束控制优化方法对中继镜系统性能提升效果的理论研究。以光束整形为例,分析了光束控制优化方法对中继镜系统性能的提升效果,在H-V5/7模型湍流条件下,以“目标高度25km,飞行平台高度30km”的地基激光中继镜系统为模型,模拟计算了不同校正精度条件下,光束整形对中继镜系统上行链路能量耦合效率和系统打击性能的提升效果。 论文的研究结果有望对中继镜系统的论证和设计提供一定的参考,论文提出的光束整形、阵列光束相干合成和涡旋光源三种方法可在激光空间自由通信系统等光学系统中拓展应用。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN24

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