湍流大气中部分相干光传输特性与关联成像研究

【摘要】：激光在大气中传播时,其光强分布、光斑半径、到达角等光束参数都受到大气湍流的严重影响。同时,激光的相干性也会遭到破坏,变为部分相干光。近年来,学者们针对部分相干光在湍流大气中的传输特性开展了多方面的理论研究工作,发现部分相干光的闪烁指数比完全相干光小,但相关的实验鲜有报道。另一方面,基于符合热光涨落特性的部分相干光关联成像有望成为未来目标探测手段之一。但若将关联成像应用到遥感探测中,部分相干光会受到大气湍流的影响,进而影响成像质量。因此,研究湍流大气中部分相干光的传输特性以及对关联成像质量的影响具有实际价值和意义。本文研究了部分相干光和相干光在湍流大气中产生的光强闪烁、光束扩展以及到达角起伏理论。首次报道了我们开展的部分相干光和相干光在水介质湍流池中的传输实验结果,实验中模拟产生了Rytov方差为0.4~0.16的湍流,根据接收光强计算出其光强闪烁指数随Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增强,部分相干光与相干光的光强闪烁指数增加;相干光的光强闪烁指数大于部分相干光,这与Andrews理论模型下部分相干光与相干光光强闪烁指数随Rytov方差变化趋势一致,且大小也处于同一量级,实验结果是对该湍流强度范围下的部分相干光传输理论模型的验证。论文分别采用传统的关联成像算法和压缩感知算法重构了振幅型物体的像,为研究湍流对成像质量的影响,利用相位屏法模拟了Kolmogonov谱下的大气湍流,重点对比了不同湍流强度下两种算法恢复图像的质量。模拟结果表明,关联成像中的信号光受湍流的影响后,与参考光之间的强度关联特性遭到破坏,湍流越强,强度二阶关联函数的最大值越小,基于传统关联算法和压缩感知算法的成像质量均变差;无湍流时,压缩感知算法有效降低了采样次数,且成像质量明显高于前者,但随着湍流强度的增强,这种优势减小。因此,压缩感知算法有效降低了关联成像的采样次数,且能抑制一定强度的湍流对关联成像质量的影响。